钢管废弃纤维再生混凝土构件纯弯性能研究

王建超，李明香

(沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

1 概 述

近年来，工程建设中所需要的砂、石等天然资源被大量的消耗，甚至短缺；同时一些超出寿命的旧建筑物需要重建，将产生大批的建筑垃圾，因此国内外许多学者提出了“再生混凝土”概念，并展开了深入的研究[1-3]。由于破碎工艺的繁琐，使再生骨料产生许多微小裂缝，提高了再生骨料的吸水率，削弱了再生混凝土的力学性能。为提高再生混凝土的性能，研究学者在混凝土中掺入废弃纤维[4]。此外，利用钢管混凝土的特点，既可以使再生混凝土的强度得到提高，又延缓了空钢管的屈曲，因此形成一种新的组合结构“钢管废弃纤维混凝土”。

2 建模的关键问题

2.1 核心混凝土应力-应变本构关系模型

核心混凝土受压应力-应变本构关系采用韩林海[5]本构模型:

(1)

2.2 钢材应力-应变本构关系模型

对于Q235等工程中常用的低碳软钢，参考文献[6]，其应力-应变本构关系：

(2)

式中：εe=0.8fy/Es，εe1=1.5εe，εe2=10εe1，εe3=100εe1；A=0.2fy/(εe1-εe)2，B=2Aεe1，C=0.8fy+Aεe2-Bεe；fp、fy、fu、Es分别为钢材的比例极限、屈服强度、极限抗拉强度、弹性模量。

2.3 网格划分、界面模型及边界条件

钢管、废弃纤维再生混凝土、盖板统一采用C3D8R实体单元、结构化网格划分技术，钢管废弃纤维混凝土的网格划分情况见图1。钢管与废弃纤维再生混凝土法线方向的接触采用“硬接触”，切向方向的接触采用库伦摩擦模型，摩擦系数μ取0.6[7]。废弃纤维再生混凝土与盖板法线方向的接触采用“硬接触”，切向方向的接触忽略不计；钢管与盖板采用tie约束。构件的边界条件见图2，采用位移加载的方式，在RP-1和RP-2两加载点位置分别沿Y方向施加-52 mm位移。

图1 网格划分示意图

图2 模型的边界条件

3 模拟结果分析

模拟构件一共10个，长度均为1 400 mm(计算长度l0为1 200 mm)，外径均为200 mm，两端均设有240 mm×240 mm×20 mm的盖板，钢材的屈服强度fy=235 MPa，采用三分点加载方式，纯弯段取中间400 mm范围。具体分组见表1。

表1 模拟构件分组

3.1 破坏形态

典型构件L3的破坏形态见图3。构件整体呈弓形形状，两端发生翘曲现象，其余构件的破坏形态均具有相同的规律。

图3 构件L3的破坏形态

3.2 不同参数对纯弯构件抗弯承载力的影响分析

3.2.1 钢管壁厚的影响

在再生骨料取代率r、废弃纤维长度lf以及废弃纤维体积掺量Vf均不变的前提下，通过单独的改变钢管壁厚t，来分析钢管壁厚t对纯弯构件极限抗弯承载力的影响。图4所示即为L2、L3、L4纯弯构件的弯矩M-跨中位移um(mm)曲线。模拟结果表明，当钢管壁厚t从4 mm增加至5 mm时，弹性阶段的抗弯刚度明显增加；钢管壁厚t从5 mm增加至6 mm时，弹性阶段的抗弯刚度虽然在增加，但增加的幅度明显小于前者。可见，钢管废弃纤维再生混凝土构件的抗弯刚度随着钢管壁厚的增加而增大，但是钢管壁厚大的构件抗弯刚度增加的幅度明显小于钢管壁厚小的构件。参考以往的研究结果[5]，定义钢管废弃纤维再生混凝土构件的极限抗弯承载力Mue为构件跨中截面钢管最大拉应变达到0.01时对应的弯矩值。由模拟结果可知，钢管壁厚对钢管废弃纤维再生混凝土纯弯构件的极限抗弯承载力Mue有显著的影响。当钢管壁厚t从4 mm增加至5 mm时，极限抗弯承载力由69 kN·m增加至77 kN·m，极限抗弯承载力提高了12%；当钢管壁厚t由5 mm增加至6 mm时，极限抗弯承载力由77 kN·m增加至82 kN·m，极限抗弯承载力提高了7%。可见，钢管壁厚t是影响钢管废弃纤维再生混凝土极限抗弯承载力Mue的主要变量。此外，钢管废弃纤维再生混凝土构件超过极限抗弯承载力Mue后，弯矩仍有继续增长的趋势，说明构件具有良好的延性。

图4 弯矩M-跨中位移um曲线

3.2.2 再生粗骨料取代率、废弃纤维长度及废弃纤维体积掺量的影响

图5为再生粗骨料取代率、废弃纤维长度、废弃纤维体积掺量对应的弯矩M-跨中位移um曲线。由图5(a)可知，L3、L7、L8纯弯构件的M-um曲线基本上重合。可见，再生粗骨料取代率r的变化基本上不会对钢管废弃纤维再生混凝土构件的纯弯力学性能产生影响。图5(b)和图5(c)均呈现出相同的规律，所以废弃纤维长度、再生粗骨料取代率、废弃纤维体积掺量对钢管废弃纤维再生混凝土构件抗弯承载力的影响可不考虑。

图5 弯矩M-跨中位移um曲线

3.3 普通钢管混凝土与钢管废弃纤维再生混凝土抗弯承载力的比较

图6为普通钢管混凝土纯弯构件L1和钢管废弃纤维再生混凝土纯弯构件L5、L8、L9的的跨中弯矩M-跨中位移um曲线。其中，钢管废弃纤维再生混凝土分别选取废弃纤维体积掺量Vf最小值0%，再生粗骨料取代率r最大值100%，废弃纤维长度lf最小值12 mm。由模拟结果可知，普通钢管混凝土构件L1极限抗弯承载力Mue为77 kN·m，钢管废弃纤维再生混凝土构件L5、L8、L9极限抗弯承载力Mue分别为76、76和77 kN·m。可见，即使在废弃纤维体积掺量和废弃纤维长度均取最小值、再生粗骨料取代率取最大值这种最不利的情况下，普通钢管混凝土与钢管废弃纤维再生混凝土极限抗弯承载力也几乎相等。此外，钢管废弃纤维再生混凝土和普通钢管混凝土均在达到极限抗弯承载力后，弯矩仍有继续增长的趋势，说明构件具有良好的延性。所以，钢管废弃纤维再生混凝土来替代普通钢管混凝土是完全可以的。

图6 弯矩M-跨中位移um曲线

4 结 论

1)钢管壁厚是影响钢管废弃纤维再生混凝土纯弯构件力学性能的主要变量。随着钢管壁厚t的增加，钢管废弃纤维再生混凝土纯弯构件的抗弯刚度和极限抗弯承载力Mue也随之提高。

2)废弃纤维长度、再生粗骨料取代率、废弃纤维体积掺量这3个变量对钢管废弃纤维再生混凝土纯弯构件力学性能几乎没有影响，甚至可忽略不计。

3)通过对普通钢管混凝土与钢管废弃纤维再生混凝土的抗弯承载力进行比较可知，普通钢管混凝土与钢管废弃纤维再生混凝土极限抗弯承载力几乎相等。