钢管AR玻璃纤维混凝土柱受压力学性能试验研究

周国红

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

钢管混凝土是将混凝土填充到钢管内而形成的一种新型结构，充分发挥了钢材和混凝土两者各自的优势，增大了其工程应用范围。近些年来，钢管混凝土结构在高层建筑物、大型基础施工及跨越度较大的结构工程中得到了十分广泛的应用。在钢管混凝土结构中，核心混凝土的物理、化学、力学特性对整个结构在工程应用中的正常运行起着至关重要的作用。玻璃纤维混凝土的研究和应用目前在土木建筑工程施工领域中也备受青睐，并得到了迅速的推广。开展了钢管AR玻璃纤维混凝土柱受压力学性能试验，采用一种新的混凝土原料配比方法，即按钢管试件所能容纳的混凝土体积量的百分比进行AR玻璃纤维的配比计算，并利用外掺法将玻璃纤维掺入混凝土中；同时，对某些物理力学参数进行控制，对钢管混凝土试件进行养护等一系列处理，以期达到更好的强度、刚度等力学性能效果。

1 钢管玻璃纤维混凝土柱受压试验

1.1 试件制作

此试验共制作了18根圆形钢管玻璃纤维混凝土短柱和12根圆形钢管混凝土短柱试件(其具体制作工艺流程见图1)。圆形钢管试件截面尺寸大小均为：直径D=120mm、高度H=400mm、厚度t=4mm。钢管采用热轧无缝焊接管，3号钢，按试件尺寸规格制作出空钢管，钢管两端截面要保证平整，钢管上下两端均设有边长为136mm且厚度为8mm的方形钢板盖板。

图1 纤维混凝土制作工艺流程

根据纤维混凝土的配合比规范地将纤维混凝土浇注到预先准备好的圆形钢管试件中，在浇注之前先将试件一端用方形盖板焊接，另一端待纤维混凝土浇注之后再焊接，焊接采取对接焊接并要达到与母材等强度的要求；要对纤维混凝土进行反复多次搅拌，使原料充分均匀地混合在一起，且每次搅拌量不宜过大；在浇注纤维混凝土的过程中，每次浇注量应适当，并且用振捣棒进行振捣，使纤维混凝土与管壁或盖板紧密接触。经过标准养护条件(养护温度为20℃±2℃、相对湿度在95%以上、养护龄期为28d)之后，最终选取其中养护效果较佳的12根圆形钢管玻璃纤维混凝土短柱和4根圆形钢管混凝土短柱试件进行力学性能试验。

1.2 混凝土配合比设计

此试验采用的纤维混凝土制作原材料有：早强普通硅酸盐水泥(即PO.42.5R)，自来水，粒径为5～20mm的碎石，细度模数为2.7的中砂，外加剂为早强减水(GB 8076—1997)，混凝土膨胀剂，AR玻璃纤维。

对16根短柱试件进行编号：钢管混凝土短柱试件编号为#0、#1、#2、#3，而其余12根钢管玻璃纤维短柱试件分别编号为#4～#15。计算钢管试件所能容纳的混凝土体积量得V=0.0045216m3，编号为#4～#15的试件按前述体积量分别以百分比为0.5%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.5%、2.8%、3.0%、3.5%、4.0%、5.0%掺入玻璃纤维，且事先由土工试验测得玻璃纤维堆积密度为0.385×103kg·m-3，由此可计算出编号为#4～#15的试件AR玻璃纤维掺入量(精确到0.01)见表1。编号为#0～#3的试件未掺入AR玻璃纤维。其中混凝土膨胀剂和粉煤灰分别按水泥质量的8.0%和7.5%进行配比。混凝土其他原料配合比详见表2。

表1 AR玻璃纤维掺入量

表2 混凝土其他原料配合比

1.3 试件轴心受压试验

将编号为#0～#15的16根试件依次平稳地搁置在试验压力机的上下承压板之间，正确连接应变计、位移计和数据采集仪等设备进行轴心受压试验。试验装置简图见图2。

图2 试验装置简图

对试件进行预加载，预加压荷载约为预估计极限荷载Pu的20%，待试件几何对中之后，卸载一小段时间。当试件处于静止平稳状态后，设置加压荷载大小，逐级加压，在预估计极限荷载Pu的65%之前，每一级加载大小为0.15Pu；当达到预估计极限荷Pu的65%时，每一级加压大小为0.1Pu；且每一级荷载加压时间持续在2.5min左右；待临近极限荷载时，减缓加压，但要保持加压的连续性；当试件发生显著的变形、焊缝呈现破坏趋势、钢管出现凸起弯曲时停止加压。

2 试验结果与分析

2.1 AR玻璃纤维掺入量最优体积率判定

此试验中混凝土设计强度值为40MPa，试件经过28d龄期养护之后，进行受压试验得到AR玻璃纤维含量不同的16根试件的轴心抗压强度实测值见表3。

表3 AR玻璃纤维掺量不同的试件轴心抗压强度实测值

根据表3的试验结果数据可以直观地看出未掺入AR玻璃纤维的试件进行受压试验后，试件轴心受压实测强度值波动并不大，平均强度值为71.025MPa，强度较试件预估计极限荷载值均有所增长，强度变化率均值为+18.375%，符合一般规律。

对于掺有AR玻璃纤维的试件而言，当AR玻璃纤维体积率约大于3.0%后，试件实测强度值与设计强度值相比出现了负增长，表明此纤维掺量抑制了试件承压性能；而当AR玻璃纤维体积率在1.8%～2.8%范围内时，试件承压实测强度呈现突变状态，强度变化率均值为+10.5%，表明此纤维掺入体积率对试件承压性能有促进和提高作用，是配制圆形钢管AR玻璃纤维混凝土柱的最优体积率。

2.2 普通钢管混凝土柱与钢管玻璃纤维混凝土柱的受力性能对比分析

选取具有代表性的试件编号为#0的普通钢管混凝土柱和试件编号为#7、#10、#11和#15的钢管AR玻璃纤维混凝土柱进行受力机理分析。各个受压试件的荷载—位移关系曲线见图3；各个受压试件钢管外壁荷载—竖向、切向及径向应变关系曲线分别见图4、图5和图6。

图3 试件荷载—位移关系曲线

由图3试件荷载和位移关系曲线可以看出，当加压至极限荷载时，编号为#0的普通钢管混凝土柱的位移远大于编号为#7、#10、#11的钢管AR玻璃纤维混凝土柱，虽然#0试件的承载能力高于#7、#10、#11试件，但是#0试件并不是最优选择。在编号为#7、#10、#11试件中，三者达到极限承载力时的位移十分接近，但相比之下，#10、#11试件的承载能力要高于#7试件，其对应的AR玻璃纤维掺量体积率约为1.8%～2.8%，适宜于实际工程。而就#15试件而言，其极限荷载低，而且达到极限荷载时，位移已经非常大，这是由纤维掺量过大而削弱了核心混凝土本身的性能造成的，工程中不宜采用。另外，相对于普通钢管混凝土柱而言，AR玻璃纤维掺量体积率约为1.8%～2.8%的钢管AR玻璃纤维混凝土柱的极限荷载仍可提高约7.8%～8.2%，在实际施工中可作为结构构件的安全储备或适当考虑提高承载力。

图4 试件钢管外壁荷载—竖向应变值关系曲线

图5 试件钢管外壁荷载—切向应变值关系曲线

图6 试件钢管外壁荷载—径向应变值关系曲线

根据图4、图5和图6各关系曲线分析可知：加压荷载在200kN范围以内时，无论是普通钢管混凝土柱还是钢管AR玻璃纤维混凝土柱的钢管外壁竖向应变值、切向应变值和径向应变值均与加压荷载基本上保持为直线关系，尤其是径向应变值更为显著，各个试件在加压荷载约为100kN时开始正常工作；当加压荷载约大于200kN之后，竖向、切向和径向应变值与荷载的关系不再是简单的趋近于直线关系了，斜率波动并不平稳，甚至有时变化还比较突出，随着加压荷载的逐渐增大，几乎由钢管预先单独承受荷载直至钢管被压缩到与混凝土平齐，钢管内混凝土与管壁内侧接触变得更为紧密，混凝土和钢管组合成的试件性能得到充分的体现；编号为#0的普通混凝土柱承载能力变化规律符合一般规律，编号为#10和#11试件(AR玻璃纤维掺量体积率约为1.8%～2.8%)各个方向的应变值变化规律近似，且试件破坏现象甚微，稳定性和刚度性能良好，而编号为#15试件各个方向的应变值变化区别较大，达到承载极限时应变值显著，钢管焊接处焊缝产生撕裂，钢管壁多处发生明显的鼓曲现象。

2.3 试件极限荷载分析

将试验实测的试件受压强度结果数据拟合成试件的极限荷载—AR玻璃纤维掺量体积率关系曲线见图7。

图7 试件极限荷载—AR玻璃纤维掺量体积率关系曲线

分析图7关系曲线可知：曲线中出现3个相对平缓的阶段，此时的AR玻璃纤维掺量体积率分别约为0～0.5%、1.0%～1.5%和1.8%～2.8%， 当体积率约大于3.2%时曲线斜率变化突出，极限荷载出现下降趋势，并随着体积率的增加极限荷载下降更为明显，不过，下降速率较为平稳；体积率约在1.8%～2.8%时，破坏荷载比较接近，且几乎均大于其他掺入AR玻璃纤维试件的极限荷载。这表明，掺入适量的AR玻璃纤维有利于提高试件的极限破坏荷载，但AR玻璃纤维掺量过大则会影响核心混凝土本身的强度和弹性模量，致使整根钢管混凝土的破坏极限荷载降低。

3 结论

钢管混凝土结构在土木工程领域中的广泛应用为钢管纤维混凝土结构的诞生奠定了基础，并在前者的研究和应用背景下，对于钢管纤维混凝土结构的进一步探索提供了理论知识分析和实际工程经验。基于在之前已有的研究基础条件下，开展了普通钢管混凝土柱和钢管AR玻璃纤维混凝土柱轴心受压试验，着重研究了在配制钢管混凝土时AR玻璃纤维的掺入量对整个钢管混凝土结构力学性能的影响作用，同时也对各AR玻璃纤维配比条件下试件的受力机理和极限承载能力进行了分析，最终确定了AR玻璃纤维掺入量最优体积率范围。研究表明：适量的AR玻璃纤维掺入量对核心混凝土的力学性能有积极的影响作用，掺入量过少时与核心混凝土性能几乎相近，但掺入量过大时反而会降低钢管混凝土结构的承压性能；对于AR玻璃纤维掺入量适中的情况，钢管混凝土结构的极限荷载仍可提高约7.8%～8.2%，在实际工程中应给予重视；通过试验研究分析最终确定的AR玻璃纤维掺入量最优体积率约在1.8%～2.8%以内，但较为保守，仍需要进行大量的试验研究以使其更加精确，完善和丰富现有理论。