圆钢管再生混凝土柱轴压试验研究

胡琼芳，王成刚，柳炳康，余小龙，黄 浩

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

圆钢管再生混凝土柱轴压试验研究

胡琼芳，王成刚，柳炳康，余小龙，黄 浩

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

通过8根圆钢管再生混凝土柱进行轴压试验，研究构件长细比、钢管壁厚以及添加废弃混凝土块体等因素对试件轴压性能的影响，获得试件承载力、轴向变形、轴向和环向应变等参数。试验表明，钢管再生混凝土试件主要为弹塑性失稳破坏；构件长细比对试件的承载力有一定影响，轴向承载力随着试件的长细比的增大而减小；钢管壁厚对试件的承载力影响较大，钢管壁厚越大，其极限承载力就越大；添加混凝土块体对轴压承载力影响不大。

圆钢管再生混凝土；轴压；承载力；变形；应变

0 引 言

随着我国城镇化建设的加速，拆除旧建筑物而建造新建筑物，每年有大量的建筑垃圾产生，废弃混凝土的再生利用为一个亟待解决的问题[1-2]，国内外学者对再生混凝土的开发利用进行了大量的研究[3-5]。

再生混凝土是指利用废弃混凝土经破碎加工的再生骨料制成的混凝土，研究表明，其力学性能差于普通混凝土。

钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能优越、经济效果好等优点，正在越来越广泛的应用于多层及高层建筑、工业厂房、拱桥及桩基工程之中。早在1879年英国就将钢管桥墩运用到赛文（severn）铁路桥的建造之中。1989年美国西雅图联盟广场大厦，高度为226 m，采用钢管混凝土柱；1991年澳大利亚墨尔本联邦中心大厦地上46层，主体结构采用钢管混凝土柱与钢梁结构体系。

我国早在1966年，北京地铁车站工程就已应用了钢管混凝土结构，20世纪70年代又成功地将钢管混凝土结构应用于单层工业厂房、重型构架。20世纪80年代以来对钢管混凝土的基本性能展开了研究，并逐渐将其应用于高层和超高层建筑中，1994年建成的厦门阜康大厦，高度为86.5 m，地下2层到12层采用圆钢管混凝土柱；19 99年建成的深圳赛格广场大厦，高度为291.6 m，采用外框-筒体结构，框架柱全部采用圆钢管混凝土柱；2010年建成的天津标志性建筑津塔，高度为336.9 m，柱采用钢管组合柱，钢管混凝土柱最大直径大1.7 m。

为了改善再生混凝土的力学性能，可将再生混凝土浇注于钢管之中，形成的钢管再生混凝土组合结构，利用钢管的套箍作用使核心再生混凝土处于三向受压状态，发挥钢管和再生混凝土这两种材料相互作用、相互约束的优点，改善了再生混凝土的性能。

再生骨料制作工艺较为复杂且破碎过程中消耗能源，为了便捷地使用废弃混凝土，也可将部分废弃混凝土块体直接掺入到钢管再生混凝土中[6-9]。本文对4根普通的和4根掺加废弃混凝土块体的圆钢管再生混凝土柱进行轴压性能试验研究，探讨掺入废弃混凝土块体对钢管再生混凝土受力性能的影响。

1 圆钢管混凝土轴压试验

1.1 试验材料

再生混凝土骨料及块体来自废弃建筑物，试验之前，按照《普通混凝土碎石或卵石质量标准及检验方法》[10]对再生骨料进行测试，主要是对再生骨料的表观密度、微粉含量、吸水率、含水率进行检查，再生骨料的基本性能见表1。添加的混凝土块体粒径为100 mm~150 mm，含量为30%。

试验用水泥为P 4 2.5的普通硅酸盐水泥，由安徽巢湖水泥厂提供，所用的砂为普通黄砂，粗骨料均为再生粗骨料，采用城市自来水拌合，配合比为水泥：砂：粗骨料：水=2.05:2.43:5.17:1。

表1 再生粗骨料的基本性质

钢管为直焊缝焊接圆钢管，材性为Q23 5B,钢管各项性能指标由安徽鸿路钢结构（集团）股份有限公司实验室检测，如表2所示。钢管按照设计要求加工之后，在其一端焊上厚度为12 mm的钢板，从另一端灌注混凝土。浇筑混凝土时，保证钢管竖立，先浇筑约20 mm~30 mm厚的现浇再生混凝土，接着交替投入废弃混凝土块体与现浇再生混凝土，浇筑时用振捣棒振捣。钢管混凝土浇筑完成后，采取自然养护。用同等强度水泥砂浆将钢管顶部混凝土抹平，水泥砂浆凝固后将未焊钢管的一端焊上封板。

表2 钢管材料性能

1.2 试验设计

本次试验再生骨料取代率均为100%。根据试件的壁厚、高度、是否添加废弃混凝土块体将试件分为4组，每组2个试件，共8个试件。试件编号和设计参数见表3。

表3 试件设计参数

1.3 加载及测量装置

试验在YES-500型压力试验机上进行，采用荷载控制的加载方式。试验现场如图1所示。在试件距上下端100 mm处和半高处各对称布置4个应变花测量钢管表面应变，共12个应变花；沿试件高度1/4、1/2、3/4处设置4个位移计侧试件挠度，试件上端板和下承压板各设2个位移计测量试件轴向位移，具体测点和加载装置布置如图2。安装时应保证试件的上下端部的中心与承压板的中心重合。加载时上承压板固定，下承压板缓慢上升，从而将荷载施加给试件。

图1 试验加载现场照片

图2 测点和加载装置示意图

试验采用荷载控制的加载方式，在正式加载之前，对各试件进行预加载，预加载为0.2Pu（Pu为预计的极限荷载）。在试件达到0.5Pu之前，每级按0.1Pu左右施加，在试件达到0.5Pu之后，每级按0.05Pu左右施加，并持荷2 min~3 min，加载速率保持为0.6 kN/s。

2 试验现象

试件加载初期处于弹性阶段，竖向变形和侧向挠度都很小；加载至极限荷载的60%~80%时，钢管中段屈服，结构变形开始增大，试件进入弹塑性阶段；继续加载后，试件的环向和纵向变形加大，加载到极限荷载的90%左右时，钢管侧向挠度急剧加大；到达极限荷载后，变形进一步发展，试件承载力有所下降，直至破坏，试件破坏时，钢管中部区段达到了屈服应变。试件YZXC3-1、YZXC3-2的长细比较大，二阶效应较为明显，破坏时承载力下降显著，柱中部附近出现幅度较大的侧向弯曲，为整体屈曲失稳破坏。

图3 钢管再生混凝土试件破坏状况

通过试验全过程中的观察，钢管再生混凝土和添加的混凝土块体的钢管混凝土的轴压特征类似。在加载初期，钢管和混凝土各自单独工作，且界面之间没有相互作用力，钢管表面无明显变化特征。随着荷载的进一步增加，当核心混凝土的横向变形系数超过钢材的泊松比，钢管和混凝土界面出现相互作用力，核心混凝土处于三轴受压状态，试件仍处于弹性工作阶段。随着外荷载进一步增大，钢管屈服，试件的位移和应变增长速度加快，各试件破坏模式基本相似，最终由于试件整体屈曲而发生弹塑性失稳破坏（图3a）。

加载结束后，用乙炔切割机切开钢管，查看核心混凝土破坏形态。柱半高处的受拉侧再生混凝土表面有明显横向裂缝，受压侧再生混凝土压馈（图3b）。将添加的混凝土块体的钢管内混凝土剖开，难以辨认混凝土块体和现浇再生混凝土，两者结合良好（图3c）。

3 试验结果及分析

3.1 荷载-轴向变形曲线及承载力

图4 试件荷载-轴向变形曲线

实测圆钢管再生混凝土试件的荷载-轴向变形曲线如图4所示。由图可知，试件弹性阶段的轴向刚度相差不大，荷载-轴向变形呈线性关系。试件屈服后，荷载-轴向变形曲线出现转折点，轴向刚度逐渐减小，圆钢管再生混凝土在极限荷载后试件所能承受的承载力下降较快。

由图可得各试件峰值荷载及轴向变形，不同参数下试件峰值荷载及轴向变形对比结果见表4。

表4 不同参数下试件峰值荷载及轴向变形对比

（1）在钢管再生混凝土中添加适量混凝土块体，其他条件相同时，与未添加块体的试件承载力差值在1.71%～6.17%之间，变化幅度很小。添加适量混凝土块体基本不影响试件的承载力。由图4可见，在弹性阶段，其他条件相同时，添加块体的试件与没有添加块体的试件的荷载-轴向变形曲线几乎完全重合，轴向变形差值在1.58%～3.43%之间，说明添加块体对试件弹性刚度影响甚微。

（2）随着长细比的增大，轴压承载力、轴向变形呈降低趋势。长细比为5 3.3 3的试件较长细比为35.56的试件轴压承载力降低了8.74%～11.58%。由图4可见，增大长细比会使轴向刚度减小、斜率增大，说明轴向刚度随长细比的增大而降低，长细比大的试件较长细比小的试件轴向变形降低了8.76%～21.86%，影响较为显著。

（3）随着钢管壁厚的增加，轴压承载力及轴向刚度不断增大。其他条件相同时，钢管壁厚为5 mm的试件较钢管壁厚为3 mm的试件，轴压承载力提高20%左右，但对轴向刚度影响不大。钢管壁厚为6 mm的试件较钢管壁厚为5 mm的试件，轴压承载力提高幅度不大，但对轴向刚度影响较大。

3.2 荷载-轴向应变曲线

试件的荷载-轴向应变曲线如图5所示，图中的纵向应变取试件半高处挠曲平面内钢管两侧的纵向应变片的实测读数。由图5可以看出，加载初期，试件两侧的纵向应变片均为压应变，各试件的荷载-轴向应变曲线差异不大，基本重合。弹性阶段，试件长细比越大，压应变增长速度越快；套箍系数越大，压应变增长速度越慢；添加混凝土块体对压应变的增长速度影响不大。钢管屈服后，一侧的压应变继续增大，而另一侧压应变开始逐渐减小且最终受拉，受压侧应变增长速度明显快于受拉侧（整个受力过程中一直受压的一侧为受压侧，加载前期受压但屈服后应变逐步减小并最终转为拉应变的一侧为受拉侧），试件破坏时受压侧的极限应变大于受拉侧，应变达到了0.0088~0.0121，远大于钢材屈服应变，说明在核心混凝土的协同工作下钢材性能得到了充分的发挥。

3.3 荷载-环向应变曲线

通过试件半高处所贴的环向应变片，获取试件在轴压过程中的环向应变。各试件的荷载-环向应变曲线如图6所示。由图6不难发现，加载初期，钢管对混凝土的约束作用较弱，环向应变较小；随着荷载的进一步增加，钢管的环向应变增长较快，这主要是由于混凝土的横向变形大于钢管的横向变形，混凝土挤压钢管，使得钢管应变增长变快；荷载继续增加，钢管对混凝土的约束越来越强。钢管屈服前，试件的环向应变增长比竖向应变平缓，环向平均应变与轴向平均应变之比为0.301~0.407，略大于钢材泊松比（0.3）。钢管屈服后，环向应变增长较快，荷载-环向应变曲线趋于平缓，可为核心区混凝土提供良好的侧向约束。

图5 钢管荷载-轴向应变曲线

图6 钢管荷载-环向应变曲线

4 结论

本文通过8根圆钢管再生混凝土柱进行轴压试验，可以得到如下结论：

（1）钢管再生混凝土受压试件破坏时，钢管和混凝土相互约束、相互影响。在钢管的约束下核心再生混凝土处于三轴受压状态，提高了再生混凝土的极限承载力，改善了再生混凝土的变形能力。钢管壁的荷载-轴向应变曲线、荷载-环向应变曲线都比较饱满，说明钢管材料性能发挥比较充分。

（2）在其他参数相同的条件下，添加块体的试件与没有添加块体的试件相比，其承载力差别不大，变形能力相近，初始刚度几乎相同，表明在再生混凝土中添加30%左右的块体是可行的。

（3）钢管壁厚对试件的承载力影响较明显，钢管壁厚越大，核心再生混凝土受钢材的约束作用越强，其极限承载力越大、延性越好；长细比对圆钢管再生混凝土承载力有一定的影响，长细比越大承载力越小、延性越差，影响较为显著。

[1]孙岩, 孙可伟, 郭远臣.再生混凝土的利用现状及性能研究[J]. 混凝土,2010(03):105-107.

[2]徐卓, 龙帮云. 开发利用再生混凝土走可持续发展的道路[J]. 中外建筑,2004(02):197-199.

[3]周静海, 何海进, 孟宪宏,等.再生混凝土基本力学性能试验[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010(03):464-468.

[4]陈宗平,陈宇良,姚侃.再生混凝土三轴受压力学性能试验及其影响因素[J].建筑结构学报,2014(12):72-81.

[5]肖建庄,雷斌,袁飚.不同来源再生混凝土抗压强度分布特征研究[J].建筑结构学报,2008(05):94-100.

[6]吴波,刘伟,刘琼祥,等.薄壁钢管再生混合短柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2010(08):22-28.

[7]吴波,刘伟,刘琼祥,等.钢管再生混合短柱的轴压性能试验[J]. 土木工程学报,2010(02):32-38.

[8]吴波,张金锁,赵新宇.薄壁方钢管再生混合短柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2012(09):30-37.

[9]吴波,赵新宇,张金锁.薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验研究[J].土木工程学报,2012(05):65-77.

[10]中国建筑科学研究院.普通混凝土砂石质量及检验方法标准:JGJ52-2006[S].北京:中国建筑工业出版社，2007.

Experimental study on recycled aggregate concrete filled circular steel tubular columns under axial compression

HU Qiongfang，WANG Chengang，LIU Bingkang，YU Xiaolong，HUANG Hao

(School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Eight circle recycled aggregate concrete-filled steel tube columns have been tested under concentrically compressive load. The influence that the slenderness ratio, the thickness of the steel tube, and replacement rate of the demolished concrete blocks have on axial compression performance has been studied and the bearing capacity, axial deformation, axial and circular strain etc have been obtained. The test results show that the specimens is mainly the elasto-plastic instability failure. The slenderness ratio has the certain influence on the bearing capacity of the specimen, the axial compressive bearing capacity decreases with the increase of the slenderness ratio of the specimen. The wall thickness of the steel tube has greater influence on the bearing capacity of the specimen, and the greater the wall thickness of the steel tube, the greater the ultimate bearing capacity. Demolished concrete block has little effect on the bearing capacity of axial compression.

circle recycled aggregate concrete-filled steel tube column ; axial compression ; bearing capacity ; deformation ; strain

TU398+.9

：A

2095-8382(2016)06-043-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160610

2016-02-01

住房与城乡建设部科学技术计划资助项目（2013-K4-46）

胡琼芳（1991- ），女，硕士生，主要研究方向为结构动力分析与抗震。