型钢再生混凝土梁受力性能研究现状与建议

2016-09-14王亚梅

四川建筑 2016年4期

关键词：抗剪型钢骨料

王亚梅，母　薇

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

型钢再生混凝土梁受力性能研究现状与建议

王亚梅，母薇

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

为了分析型钢再生混凝土梁的研究前景，文章主要从型钢再生混凝土梁的抗弯承载能力、抗剪承载能力和其高温作用后的承载能力等方面，总结型钢再生混凝土梁受力性能的研究成果，并为型钢再生混凝土组合梁的将来研究方向提出几点意见，为相关研究提供参考。

型钢；再生混凝土梁；受力性能；安全使用状态；研究方向

近年来，我国城市化进程加快，对原有建筑物的拆除，以及地震等自然灾害对建筑物的破坏等原因，使得全国各地产生了大量的建筑垃圾，造成了严重的环境污染。据统计，我国每年因拆除废旧建筑物和新建筑物施工过程中约产生建筑垃圾5 360×104t。2008年的四川汶川地震，由于毁坏、倒塌房屋所产生建筑垃圾超过5×108t。所以解决建筑垃圾污染问题，成为当今世界面临的严峻挑战。

1　再生混凝土概念及力学特性

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经破碎、清洗、筛分并按一定比例混合形成再生混凝土集料(Recycled Aggregate or Recycled concrete Aggregate)，利用再生混凝土集料作为部分或全部替代天然骨料配制成的混凝土，叫做再生混凝土(Recycled concrete)，也称为再生集料混凝土(Recycled Aggregate concrete)。

目前国内外对再生混凝土的性能研究得到了很大的发展，结果表明再生混凝土在材料性能上有一定的不足和局限性。再生混凝土与普通混凝土相比，表现为空隙率高、密度低、吸水率大、强度低于普通混凝土等基本特性。这为其广泛的使用造成了一定的困难。

2　型钢再生混凝土组合梁

2.1型钢混凝土梁概念

型钢混凝土组合梁是指在截面中间配置型钢，并配有一定数量的构造钢筋，外面浇筑混凝土的组合梁结构。这种新型结构开始被用于型钢混凝土组合结构中，具有以下的结构优点：

(1)由于梁截面中配置了型钢，使构件承载力、刚度等大大提高，这在很大程度上减小了构件的截面尺寸，使得建筑的使用空间得以提高。

(2)与钢筋混凝土梁相比，型钢混凝土梁的强度、刚度都有显著提高。并且由于型钢的存在，可以使组合结构的延性增强。

(3)与钢结构相比，造价降低，外部有混凝土包裹，可以大大地降低钢结构被腐蚀的可能，充分发挥钢材的优点，延长了结构的使用寿命。

2.2型钢再生混凝土梁的特征

国内外专家学者根据型钢混凝土结构的特点，提出型钢再生混凝土的概念，这可以利用型钢承载力高、延性好、抗震性能强等优点，大大的改善再生混凝土的受力性能，同时能实现再生混凝土资源的循环利用、节能环保等优点，因此，具有良好的应用前景。

型钢混凝土构件使用过程中存在许多的缺点，这在型钢再生混凝土研究过程中也是不容忽视和主要研究的问题，主要包括：

(1)由于结构中使用了型钢，型钢和再生混凝土两种材质相差较大，处理不当容易发生滑移破坏。必须重视型钢和混凝土两者的粘结力和相互作用对构件的承载力产生的影响。

(2)由于再生混凝土的强度比混凝土的要低，当承受反复荷载或在地震作用下时，型钢还没有有效地发挥其提高承载力的作用，而构件的节点处就可能已经发生破坏，从而导致整个结构的破坏。所以应对型钢再生混凝土的抗震性能进行充分的研究。

(3)正常情况下混凝土结构的使用年限在50～100年之间。由于再生混凝土具有空隙率大等基本特性，型钢再生混凝土的耐久性研究也有重要的意义。

3　型钢再生混凝土受力性能研究现状

3.1型钢再生混凝土的抗弯承载力

陈宗平等[1]考虑了再生粗骨料取代率和混凝土强度等级两个变化因素，设计6个试件进行静力加载试验，研究了型钢再生混凝土梁的受力性能，通过试验表明：

(1)型钢再生混凝土受力过程中截面的应变分布符合平截面假定。

(2)型钢再生混凝土梁具有良好的承载能力和变形性能，随着取代率的增加，型钢再生混凝土梁的承载力有所提高。

(3)基于安全和经济方面考虑，提出应采用YB 9082-2006的方法计算型钢再生混凝土梁的极限承载力。

经研究得出型钢再生混凝土截面受弯承载力满足规范要求：

(1)

(2)

河北工程大学李园园[6]进行了4组型钢再生混凝土梁实验，通过改变再生粗骨料的取代率和配箍率两个因素，研究型钢再生混凝土梁的变形及承载能力情况，并探讨符合型钢再生混凝土承载力的计算公式。

通过实验得出：型钢再生混凝土梁应变基本符合平截面假定；不同再生混凝土取代率对型钢再生混凝土梁的极限承载力没有较大的影响；配箍率的变化对构件的极限承载能力影响不明显，但是对构件的裂缝发展有较大影响。

经研究得出型钢再生混凝土正截面受弯承载力计算方法适用于JGJ 138-2001《型钢再生混凝土组合结构技术规程》。

当δ1h0<1.25x，δ2h0>1.25x时：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Maw为型钢腹板承受的轴向合力对型钢受拉翼缘和纵向受拉钢筋合力点的力矩；ξb为相对界限受压区高度；Naw为型钢腹板承受的轴向合力；δ1、δ2为型钢腹板上、下端至截面上边缘距离与h0的比值；h0为型钢受拉翼缘与纵向受拉钢筋合力点至混凝土受压边缘距离；tw、tf为型钢腹板厚度、型钢翼缘厚度。

3.2型钢再生混凝土梁的抗剪承载力现状

王秀振等[5]通过对12个梁试件进行试验，研究再生混凝土取代率、剪跨比和混凝土强度三个变量分别对型钢再生混凝土受剪性能的影响及破坏机理，探讨受剪承载力的计算方法。马辉、薛建阳等[3]通过有限元对型钢再生混凝土抗剪承载力的可靠度进行分析。

通过实验表明：由于再生混凝土通过合理的配合比设计，可以使其强度与普通混凝土强度极其相似，所以再生骨料的替代率对型钢再生混凝土承载力影响不大；剪跨比的增加，实验梁的承载力减少很多；由于构建梁的抗剪承载力主要由型钢、再生混凝土和箍筋来提供，随着混凝土抗压强度的增加，梁的承载力也相应的增加。通过分析得出构件抗剪承载力的计算公式：

(7)

通过以上实验研究结果表明：在研究型钢再生混凝土梁抗剪承载力的影响时，均忽略型钢与再生混凝土之间的粘结滑移，即二者之间符合平截面假设；得出型钢再生混凝土的抗弯承载能力、抗剪承载能力基本能满足使用安全的要求。

3.3高温后型钢再生混凝土抗剪、抗弯承载力研究现状

陈宗平等[7]设计17个构件的静力加载试验，研究各变化参数对高温后型钢再生混凝土梁的受剪性能的影响，主要包括温度、再生粗骨料取代率、混凝土强度等三个变化量。

研究结果表明：经过高温的型钢再生混凝土梁质量有所减少，构件的初始刚度和峰值荷载降低，延性系数先减小再增大；不同再生骨料取代率，构件经过高温后的荷载-挠度曲线的变化规律相似，对力学性能影响较小；随着混凝土等级增大，构件的初始刚度和峰值荷载也相应的增加，但是延性系数减少。

陈宗平等[8]研究了型钢再生混凝土梁受高温后的受弯性能的变化情况，设置温度、再生混凝土取代率和剪跨比三个变化量，分别进行了加载试验。

研究结果表明：高温后型钢再生混凝土梁受力破坏形态与常温下基本相同；随温度的升高，试件的极限承载力和刚度逐渐降低，延性变差；再生粗骨料取代率的变化对试件的承载力和刚度影响不大，但对延性有一定的影响；随着剪跨比的增加，试件的承载力和刚度降低，延性却更好；并提出应引入高温折减系数，对《型钢再生混凝土组合结构技术规程》计算方法进行折减，来计算构件极限承载力。

3.4研究结果分析

根据影响型钢混凝土梁的受力性能的主要因素对比，结合相关资料的研究成果进行分析总结，影响型钢再生混凝土梁的承载能力的因素可能还有加载方式、型钢强度及配钢率、箍筋强度及配箍率、宽度比和型钢翼缘混凝土保护层厚度等。就现在的研究情况来看，这些因素对型钢再生混凝土的承载力的影响，只通过简单的有限元模拟，并没有进行实验验证，所以还有待进一步研究。

4　型钢再生混凝土梁受力性能研究前景

4.1型钢再生混凝土梁的耐久性能

经研究，混凝土长期处于外界环境中，会在温度、湿度、氯离子和等劣化作用下，影响混凝土结构的使用年限。

再生混凝土耐久性能研究，主要包括抗渗透、抗冻融和抗氯离子侵蚀的性能。混凝土的抗渗性能是反映混凝土耐久性的重要指标，更是与微裂纹的有着密切关系。氯离子侵蚀是指在混凝土生产或在使用过程中，侵入、累积了一定浓度的氯离子，会加快构件中钢筋或型钢的锈蚀，致使构件发生破坏。这与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量、混凝土保护层厚度等多种因素有关。

再生混凝土与混凝土相比，空隙较多，表观密度低，强度低，以及再生混凝土本身污染物的存在，会对新、旧混凝土继续产生危害反映，从而大大缩短混凝土的使用寿命。由于再生混凝土本身存在的缺陷，所以型钢再生混凝土的耐久性是将来型钢再生混凝土能否广泛使用的关键性问题，有必要在这方面深入进行研究。

4.2型钢再生混凝土梁抗震性能

型钢混凝土梁有抗震性、承载能力高以及环保性等优点，受到国内外越来越多学者的高度重视，其应用前景十分广阔。鲍雨泽等[4]研究了再生骨料的取代率的单一参数变量，对型钢再生混凝土平面框架中节点的抗震性能影响。

为了全面了解型钢再生混凝土框架节点的抗震性能，还需要进一步研究轴压比、配箍率等诸多因素的变化对框架抗震性能的影响；应考虑边节点、角节点等不同位置的框架节点的抗震性能。在实际工程中，研究空间框架梁对节点的影响，是今后学者在科研中应予以考虑和研究的问题。