钢管再生混凝土柱力学性能研究进展

2021-06-24王兴国姜茂林张向冈王永贵牛海成

铁道科学与工程学报 2021年5期

王兴国，姜茂林，张向冈，王永贵，牛海成

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003；2.生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南焦作 454003)

当前，我国城镇化进程加快，既有建筑的更替和新建结构的增长，导致大量的建筑材料耗费。为实现可持续发展，再生混凝土技术应用而生，废弃混凝土的回收利用减少了建筑固废排放量和天然资源消耗，为资源环境循环利用提供了新思路，成为目前学者们的研究热点[1]。由于再生骨料自身的缺陷，使得再生混凝土的力学和耐久性能不同程度的降低，限制了再生混凝土在工程中的应用[2]。将再生混凝土引入到钢管混凝土中，使构件同时具备了钢管和再生混凝土2 种材料的特性，既保留了钢管混凝土高承载力和抗震能力，又能有效利用建筑废弃物、节能环保，具有良好的推广应用前景[3]。钢管再生混凝土的研究起步较晚，钢管再生混凝土柱力学性能的研究尚处于理论层面，实际工程应用还相对较少[4−6]。钢管再生混凝土的研究主要集中在柱的力学性能和抗震方面。试验研究多以再生骨料取代率、再生混凝土强度、钢管形状、钢管组合构造形式、柱型类别、长细比、含钢率和荷载比等作为参变量，对其破坏形态、力学性能和变形能力等进行分析。本文将针对性的归纳总结钢管再生混凝土柱的力学性能、改变外部环境下的工作性能和抗震性能。

1 再生混凝土物理及力学性能

用废弃混凝土破碎加工而成的再生集料，由粒径大小分为再生粗骨料(5～31.5 mm)和再生细骨料(0.5～5 mm)，由于旧砂浆、表面裂纹和杂质的存在，使得再生混凝土弹性模量小于普通混凝土，而干缩和徐变变形大于普通混凝土[7]。且再生骨料随机性和变异性较大，致使其具有孔隙率大、吸水率高、密度小、压碎指标值高等缺陷，老砂浆和界面过渡区是再生混凝土的主要薄弱环节[8]。现有方法主要通过物理研磨、化学浸泡、高温蒸压、微波加热和改性掺和等去除老砂浆以改善再生混凝土界面过渡区[9]。LI 等[10−12]研究表明，纳米改性和纤维掺和能有效改善再生混凝土力学性能。同时，再生混凝土的研究也由再生集料向再生微粉方面进行深化研究[13]。

同比普通混凝土，POON 等[14]研究表明，再生混凝土抗压强度随再生骨料取代率的增加呈下降趋势。肖建庄等[15]研究表明，随再生骨料取代率增加，再生混凝土的抗压强度总体呈下降趋势，而再生骨料取代率为50%时，抗压强度最高，甚至高于普通混凝土。THOMAS 等[16]研究表明，再生骨料取代率为100%时，再生混凝土抗压强度下降11%～19%，劈拉强度下降7%～19%。而陈宗平等[17]的研究表明，再生骨料取代率增加，再生混凝土抗压强度呈增长趋势，抗折强度呈先增后降趋势，弹性模量呈降低趋势。李孝忠等[18]发现，再生骨料取代率为100%时，再生混凝土抗折强度下降3.9%～26.8%。研究成果产生差异的原因可能是再生混凝土配制方法和水灰比的影响。

2 钢管再生混凝土柱受压力学性能

2.1 轴压性能试验及分析

KONNO 等[19]研究表明，再生混凝土弹性模量和强度低于普通混凝土，使钢管再生混凝土的刚度和承载力小于普通钢管混凝土。CAO 等[20]研究表明，钢管再生混凝土构件延性较好，承载力约为单一钢管和再生混凝土总承载力的两倍。TAM等[21]研究表明，不锈钢再生混凝土短柱比碳钢再生混凝土短柱强度高。

WANG 等[22−26]发现，试件发生鼓曲破坏，端部出现剪切滑移线，并随荷载增加分叉发展，短柱呈现剪切破坏，而长柱呈现弯曲破坏。

WANG 等[22]基于钢管混凝土模型方程，提出考虑砂浆和再生骨料取代率的圆形钢管再生混凝土弹性模量和抗压强度方程；极限承载力计算中，美国AISC360−10 和日本AIJ2008 规范低估20%～25%，欧标EC4 和国标GB50936—2013(2014)分别低估5.8%，6.8%和3.8%。YANG 等[23]分析表明，随取代率增加，柱承载力下降；欧标EC4 承载力计算结果更符合试验值；并基于钢管混凝土的设计公式，提出了不同条件下钢管再生混凝土构件的简化设计公式和如下简化承载力计算公式：

其中：ϕ为稳定系数；N0为横截面强度；fscy,r为强度系数；Asc为横截面面积。

MOHANRAJ 等[24]发现，EC4 规范对承载力预测低估26%，美国规范ACI318−95，澳大利亚规范AS3600 和AS4100 低估42%；ACI 和AS 规范对长细比大于12 的试件有较好的计算结果，并由此提出长细比为4～12 时，ACI 和AS 规范的极限承载力修正公式为：

其中：Ac，As为混凝土面积和钢管面积；fy，fcc为钢筋屈服强度和混凝土特征立方体抗压强度；k为修正系数。

SANGEETHA 等[25]研究表明，增大长细比，钢管再生混凝土柱的力学性能降低。张向冈等[26]研究表明，方形柱延性小于圆形柱，长细比对方形截面柱承载力影响较大；承载力和刚度计算中，国内规范与试验结果更吻合；随再生粗骨料取代率增加，试件承载力呈先增后降趋势，见图1所示。

图1 极限承载力受取代率影响[26]Fig.1 Effect of replacement percentage on ultimate bearing capacity[26]

MOHANRAJ 等[27]研究表明，相同条件下，方柱较圆柱承载力高，且节省成本30%。NIU 等[28]研究表明，配筋和再生混凝土填充使柱的耗能和延性得到较大提升；圆形、配筋、再生骨料试件耗能值大于方形、未配筋、天然骨料试件；圆形截面比方形截面柱承载力高。MOHANRAJ 等[27−28]试验中方形和圆形柱的承载力结论差异，原因可能是含钢率和混凝土强度的不同所致。黄靓等[29]研究表明，承载力叠加计算理论安全储备最大，统一强度理论和套箍混凝土理论次之，试验修正了考虑再生骨料取代率的国内规范GB5093—2014 和CECS28—2012。WU 等[30]研究表明，配筋试件的承载力和延性显著提高，非均布钢箍比均布钢箍试件抗压性能好。

综上，由于再生骨料的掺入，再生混凝土的延性较好，具备良好的耗能能力，而试件复合弹性模量、承载力和抗压强度低于普通钢管混凝土试件。试件承载力随再生骨料取代率的变化存在异议，原因在于再生混凝土配制时水胶比的影响，同时，还受到旧砂浆和原始损伤累积等因素影响。承载力和变形能力受含钢率和长细比的影响较大。配筋试件承载力和延性比未配筋试件有较大提高，且圆形试件具有较好的约束性和黏结性。不同规范对试件的力学指标预测较为保守，对于国外标准，EC4预测较好，对于国内标准，张向冈等[26]进行了多规范对比和建议。但对于不同环境和参数变化下的计算公式有待进一步研究和完善。不同来源和初始强度不同的再生骨料对试件的力学性能研究也较少。试验多集中在柱的短期静载试验上，对于长期加载试件力学性能和耐久性能研究更少涉及。

2.2 偏压性能

陈宗平等[31]研究表明，柱呈弯曲破坏形态，试件端部出现滑移褶皱；试件承载力随取代率增加呈先增后降趋势；增大长细比和偏心距，试件承载力下降，偏心距对长细柱的影响明显。张向冈等[32]研究表明，试件发生弹塑性失稳破坏，钢管端部表面出现屈服线，方形柱屈服线更为明显；偏心距是影响试件极限承载力的主要因素。如图2所示，不同长细比λ条件下，随偏心距增加，试件极限承载力下降。

图2 不同截面试件极限承载力Fig.2 Ultimate bearing capacity of different specimens

聂建国等[33]研究了圆钢套管再生混凝土加固普通混凝土柱的偏压性能，试件见图3所示。结果表明，当荷载达到峰值荷载的75%～100%时，钢管出现滑移线并发生较大鼓曲，其破坏要比轴压试件出现的更早；加固后的试件变形能力和力学性能明显提升，承载力提高了1.12倍。

图3 试件大样图Fig.3 Details of the specimen

DONG等[34]研究表明，钢管的约束使核心混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的强度和延性，核心混凝土增强了钢管的稳定性，不同形式的构件在工程中得到了广泛应用。陈庆军等[35]研究发现，栓钉和圆肋的组合性价比较高；而竖肋能较好的提升再生混凝土与钢套管的黏结性能。

综上，钢管与核心混凝土具有较好的黏结性能。偏压试件发生屈曲破坏，并向偏压侧产生鼓曲变形。试件由端部出现屈曲滑移线，且发生偏压破坏要比轴压破坏时所需的极限荷载更小，而试件承载力主要受偏心距和长细比影响。钢管再生混凝土柱的偏压性能研究相对较少，混凝土强度、钢材强度、含钢率和不同环境等因素下的试件偏压性能需要进一步研究。

2.3 改性加固试验研究

张兆强等[36]研究表明，短柱呈剪切破坏；钢纤维掺量为1.5%时，试件具有良好的延性和承载力。LIU 等[37]研究表明，试件由钢管端部向中部出现明显滑移线；由膨胀水泥提供的自密实力使钢管再生混凝土柱的极限承载力和刚度提高了6%～25%。何岸等[38]研究表明，轴压条件下，当荷载到达极限荷载95%时，钢管出现剪切滑移并发生鼓曲破坏；加固柱截面尺寸提高到2 倍，承载力提高2.19～3.98倍。何媛媛等[39]研究表明，单独玄武岩纤维掺入使承载力提高6.8%，单独芳纶纤维(AFRP)布加固提高29.2%，两者共同作用提高22.4%。

综上，纤维掺入增强了钢管再生混凝土试件的延性，而承载力增加不明显。FRP加固对试件承载力有显著提升，外套钢管内填再生混凝土的加固方式对构件承载力有较大提升。

2.4 模型分析

HUANG 等[40]基于弹塑性和非线弹性理论建立了考虑径向应力对钢管作用下的试件力学模型。王成刚等[41]基于有限元软件ABAQUS 建立模型的研究表明，钢管再生混凝土柱的侧向承载力敏感因素依次为长细比、含钢率、钢材屈服强度、轴压比、再生混凝土强度。XU 等[42]基于叠加原理提出考虑再生骨料取代率的弹性模量经验模型。闻洋等[43]基于区间函数对薄壁圆钢管再生混凝土柱的研究表明，短柱承载力敏感因素依次为含钢率、混凝土等级、粗骨料取代率；长柱的承载力敏感因素依次为长细比、含钢率、粗骨料取代率。闻洋等[44]通过如表1 所示试验结果分析，并结合统计分析软件SPSS 的研究表明，中长柱的承载力敏感因素依次为含钢率、粗骨料取代率、长细比；试验中的最优组合为含钢率7.9%，粗骨料取代率20%，长细比30。

表1 中长柱影响因素分析表Table 1 Influence factors of mixed medium long columns

综上，模型分析能对试验结果起到较好的验证作用，力学方程计算模型考虑因素多为单一变量的影响，对于多变量下的模型方程有待深入研究。钢管再生混凝土柱的主要缺陷是再生混凝土弹性模量比普通混凝土低，且比普通混凝土收缩严重。钢管再生混凝土柱承载力总体受长细比、含钢率和混凝土强度影响，长细比对长细柱承载力影响较大，短柱承载力对含钢率较为敏感。

3 灾后(下)柱受压力学性能

3.1 高温后力学性能

陈宗平等[45]研究表明，随温度升高，试件表面逐渐变红进而变为砖红色，烧失率增大，试件首先产生剪切滑移线进而发生鼓曲变形；温度小于400 ℃，方形柱延性、耗能能力退化大于圆形柱，承载力退化小于圆形柱；大于400 ℃，结果相反。偏压条件下，圆管柱受温度影响较大，方管柱受取代率影响较大。刘文超等[46]研究表明，高温后，试件发生侧向弯曲破坏，试件上端部鼓曲变形严重；含钢率对试件承载力影响较大，混凝土材料对承载力影响较小。YANG 等[47]研究表明，短柱掺入再生粗集料比再生细集料性能好。图4表明，温度和取代率对试件破坏模式影响不大，圆形试件破坏程度小于方形试件。

图4 试件典型破坏Fig.4 Typical failure pattern of the specimens

陈宗平等[48]研究表明，试件呈腰鼓状破坏形态，核心混凝土黏聚力下降，内部有较多裂纹，其压碎处与钢管鼓曲处对应；当喷水冷却时，试件初始刚度下降较大，但具有较好的延性和耗能能力；自然冷却时，试件峰值荷载下降较大。

综上，高温后试件破坏加快，力学指标退化明显，试件变形和耗能能力的提升主要依赖钢管受高温的促进作用。喷水快速冷却下，钢材强度受“淬火”反应的小幅提升，不足以弥补再生混凝土的分解破坏，使试件承载力下降，但延性和耗能会比自然冷却好。

3.2 火灾后力学性能

文献[49−51]均通过ABAQUS建立的ISO834标准火灾条件下的构件模型研究。杨有福等[49]研究表明，试件出现压弯破坏，钢管四面出现鼓曲，产生一定的侧向变形；钢管再生混凝土柱承载力和耐火极限主要受试件截面尺寸和长细比影响。张玉琢等[50]对空心管柱研究表明，外钢管和构件四角混凝土温度最高，内钢管与周围再生混凝土温度最低，截面最大温差达445 ℃；火灾后，试件剩余承载力受计算长度和受火时间影响较大；剩余承载力随再生骨料取代率、荷载偏心率、计算长度和受火时间的升高而降低；随再生混凝土和钢材强度的提高而上升；随空心率增加呈先升后降趋势。金德宇等[51]研究表明，试件受火面升温速率较快，且距受火面越远，温度梯度变化越缓慢；截面混凝土由高温区域向温度相对较低区域传递；试件极限承载力受含钢率、混凝土强度、钢材强度和受火时间影响较大，空心率和再生骨料取代率影响较小。

综上，钢管再生混凝土柱具备较好的耐火性能，对于体形较为短粗和组成材料强度高的试件，在外界条件相同情况下，自身更利于防火。试件剩余承载力随空心率增加而呈先增后降趋势，原因在于空心率较高时，核心再生混凝土含量减少，而空心率较低时，含钢率又会降低。

3.3 抗酸侵蚀性能

陈梦成等[52]研究表明，随荷载增加，试件表面浮锈剥落，试件发生鼓曲开裂，最终呈腰鼓型破坏；锈蚀程度增加，试件破坏由中部向端部扩展；钢管锈蚀主要引起试件有效截面尺寸减小，从而使钢管对核心再生混凝土的约束效应降低，导致试件承载力、刚度和延性降低。

黄宏等[53]研究表明，法拉第电化学腐蚀定律对于钢管的锈蚀模拟是可行的；腐蚀后试件在荷载作用下，首先出现明显的焊缝开裂，最终呈鼓曲破坏形态，且腐蚀程度越大，相应核心再生混凝土破坏越严重；偏压条件下，随腐蚀程度加深，试件前期刚度、后期延性和极限承载力下降；增加偏心距，试件刚度和承载力减小，相对压缩率加大。壁厚折减法适应于低腐蚀率的情况，材性折减法更适应于高腐蚀率的情况。

由于材性折减法考虑状态较为理想，壁厚折减法更加直观简单，更适应于工程实际。室内快速试验与工程实际的锈蚀显然有较大差距，怎样模拟工程实际情况来减少差异值得思考。

4 钢管再生混凝土柱抗震性能

张向冈等[54]研究表明，钢管再生混凝土柱滞回性能和耗能能力较好。试件破坏时，等效黏滞阻尼系数he在0.323～0.360 之间，如表2 所示。王成刚等[55]研究表明，增大含钢率利于试件变形、耗能能力和承载力提升；长细比增加，利于变形和耗能提升，而承载力下降；轴压比加大，变形和耗能能力减小，而承载力有所提高。CHEN 等[56]研究表明，轴压比对构件抗震性能有显著影响，在低轴压比(≤0.31)下，试件具备良好的抗震能力。ZHANG 等[57]研究表明，轴压比、长细比和配筋率是影响试件滞回性能的主要因素；增加配筋率和长细比，试件初始刚度、极限承载力和延性提高；试件耗能能力随长细比增加而减小，随轴压比增大而增大。孟二从等[58]研究表明，再生骨料取代率对试件延性、耗能能力和刚度退化没有较大影响。

表2 试件特征点实测heTable 2 Measured he at characteristic points

XU 等[59]研究表明，随取代率增加，再生粗骨料预湿时，试件抗压强度降低而延性增加；再生粗骨料未预湿时，试件抗压强度增加而延性降低。增大长细比、径厚比和轴压比，试件侧向极限承载力和延性降低；骨料预湿时，延性系数大致呈上升趋势，而未预湿骨料试件延性系数呈下降趋势，如图5所示。

图5 延性系数与粗骨料取代率关系Fig.5 Effect of replacement percentage on ductility

陈宗平等[60]研究表明，轴压比主要影响试件刚度，含钢率主要影响试件强度；长细比减小，试件承载和变形能力增强。张向冈等[61]对试件不同压弯承载力计算规范进行了对比建议。董宏英等[62]研究表明，圆钢管再生混凝土柱抗震性能受剪跨比影响较大，增大剪跨比，承载力下降而延性较好。TANG 等[63]研究表明，钢管再生混凝土柱侧向承载力和延性较好，耗能能力较低。HUANG 等[64]研究表明，试件损伤指数随侧向变形增大而增大；再生骨料取代率增加，柱侧向变形率减小。

李兵等[65]研究表明，再生骨料取代率和长细比增加，试件承载力和变形能力有所降低；含钢率增加，承载力和变形能力均提高；加大轴压比，承载力提高而变形能力有所降低。XIAO 等[66]研究表明，钢管再生混凝土柱承载变形能力好于玻璃钢管再生混凝土柱；2 种柱随轴压比增大，抗震性能均降低。KUMAR 等[67]用统计学领域的方法设计正交试验对柱抗震性能研究表明，试件极限承载力主要影响因素是试件直径。

文献[54,55,58,62,63,66]均发现，钢管再生混凝土柱与普通钢管混凝土柱破坏形态和破坏过程相似，表现为柱底部鼓曲破坏，鼓曲点距管底20 cm 以内，侧向呈明显鼓曲波形，试件底部混凝土被压碎。

综上，钢管再生混凝土柱抗震性能主要受长细比、轴压比、剪跨比和含钢率等影响。含钢率对试件各力学指标的提升较明显。再生骨料取代率提高，试件变形能力增加，而承载力降低。