配筋对方钢管再生混凝土短柱轴压性能的影响

阿里甫江·夏木西, 祖力皮卡尔·吐鲁洪, 柳才坚

(新疆大学 建筑工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830017)

0 引言

随着城市化建设进程的不断加快和大量的旧房拆除改造,建设过程当中产生的建筑废弃物数量也越来越多。根据《中国建筑垃圾资源化产业技术创新战略联盟》提供的数据,在21世纪中国每年的建筑废弃物总量约为(15～24)×108t,回收率却不到5%。与发达国家的回收率为95%相比,我国建筑废弃物管理水平还相对较低。建筑废弃物不仅占用土地资源,破坏生态环境,还不利于可持续生态环境建设。如何资源化利用建筑垃圾成为各国亟待解决的问题,因此,国内外研究人员利用废弃混凝土破碎后形成的骨料,配置再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)并对其进行了研究和应用[1]。研究发现,相较于普通混凝土,RAC的基本力学性能较低,如脆性和吸水性高,抗压强度、抗剪强度、弹性模量和耐久性差等[2-7],大大限制了其在工程领域当中的应用。RAC唯一的优点是环保,即能实现自然资源的循环利用,且对构件带来的性能上的损失远比废弃混凝土对环境带来的影响小,值得我们进一步探索研究。钢管再生混凝土(RACFST)柱是一种用部分或全部RAC代替钢管混凝土(CFST)核心普通混凝土的构件。在RACFST柱中,因钢管的套箍作用使核心RAC处于三向应力状态,而核心RAC通过提供内部支撑防止钢管过早屈曲,从而提高构件的力学性能[8],弥补RAC因脆性大等缺陷产生的不利影响。Cao[9]通过试验研究发现:与钢管和RAC相比,RACFST表现出良好的延性特征并在破坏时能保持其形状,承载力可达到钢管和RAC总承载力的约2倍,即钢管和核心RAC的相互作用实现了“1+1>2”的效果,但相较于CFST,RACFST的承载力却下降了11%,弹性模量低了18%。Yang等[10]通过对比试验发现:CFST和RACFST(再生粗骨料取代率为25%、50%)呈现出相似的整体屈曲破坏模式,CFST的承载力均大于RACFST。陈宗平等[11]、Azevedo等[12]、柯晓军等[13]也通过试验研究发现了随着再生粗骨料取代率的提高,再生骨料自身脆性大的缺点就会暴露出来,导致RACFST的承载能力整体偏低,这种问题在方形RACFST中尤为严重。《钢管再生混凝土结构技术规程》(T/CECS 625—2019)[14](以下简称规程19)也因此规定再生粗骨料取代率不应大于70%的限制。

Xiamuxi等[15]通过在CFST核心插入钢筋笼形成配筋钢管混凝土(reinforced concrete-filled steel tube, R-CFST)研究了配筋对CFST整体性能的改善机制,发现R-CFST在极限承载力、延性、强度和抗脆性断裂方面优于CFST。由于纵筋和箍筋形成的封闭钢筋笼对核心混凝土产生的二次套箍效应,因此延缓了钢管的局部屈曲,促使了整体性能的提升。文献[16-19]也都证实了配筋可以提高CFST性能。受此启发,可在RACFST内配置钢筋,组成配筋钢管再生混凝土(R-RACFST)有望改善RACFST的受力性能,值得进一步探索。

目前国内外有关R-RACFST的研究较少,仅刘坚等[20]通过理论方法对R-RACFST承载力进行分析,并推导出承载力计算公式。本文以100%完全利用再生混凝土为目的,通过不同纵筋配筋率的方形R-RACFST短柱的轴心受压试验,研究配筋对其各关键力学特性的影响规律。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验分别设计了5组方形R-RACFST、1组方形RACFST、1组方形CFST短柱试件,每组重复试件2根,共计14根试件。主要变化参数为R-RACFST的5种纵筋配筋率,分别为0.75%、1.34%、3.02%、5.36%、4.10%。试件编号规则为“试件标示Φ纵筋直径-重复试件编号(1或2)”,其中试件标示R-RCF代表R-RACFST试件、RCF代表RACFST试件、CF代表CFST、Φ代表纵筋直径。依据《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)[21]制备试件,规范中规定高径比H/B小于等于4为短柱,根据此规定以及本地钢材市场现有的供货条件确定本试验试件高径比为3.23,即短柱试件。试件截面统一采用方形,实测边长B为154.6 mm,高度H为500 mm;钢管的壁厚t为2.3 mm;纵筋的截面直径dv分别为6、8、12、14、16 mm,根数n为6;箍筋的截面直径dl为4 mm,外环直径ds为100 mm,间距s为50 mm;试件构造如图1所示。核心混凝土分别采用配合比一致的再生粗骨料取代率为100%的强度等级分别为RC40、C40的混凝土。为了更好地观察钢管的变形和局部破坏情况,在钢管外表面绘制尺寸为20 mm×20 mm(长度×宽度)的网格。混凝土从试件顶部浇筑,用振动棒小心地振动,使混凝土均匀地分布在钢管内,最后对上、下表面进行光滑处理。

图1 试件构造Fig.1 Specimen structure

1.2 加载及量测方案

试验在新疆大学博达校区重装实验室YJW-10000型微机控制液压伺服压力机下进行,采用位移控制加载方式,加载速率为2.5 mm/min,加载至20 mm时停止加载,试验结束。为了测得钢管的纵向和横向应变和钢筋的纵向应变,应变片贴在各试件的竖向中心处,R-RACFST、RACFST和CFST试件分别贴4个对称布置的纵向和环向应变片。R-RACFST 内部的6根钢筋中3根对称钢筋的竖向中心处只贴纵向应变片。试验照片如图2所示。

图2 试验照片Fig.2 Photograph of the test

1.3 材料性能

据文献[22-23]调研发现,再生骨料的来源对再生混凝土强度的影响可忽略不计,因此本文中再生混凝土中粗骨料由实验室废弃混凝土收集。先使用颚式破碎机破碎,再通过旋振筛分机筛选、清洁和晾晒干燥后得到粒径为5～25 mm的连续级配再生粗骨料,获取的再生骨料基本物理力学性能能够满足我国混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)的应用要求。根据标准,对尺寸为150 mm×150 mm×150 mm(长度×宽度×高度)混凝土立方体试块在自然条件下养护28 d后进行了压缩试验,测得立方体抗压强度。混凝土配合比及实测强度见表1。本试验采用Q235B薄壁焊接钢管,纵筋采用HRB400钢筋,箍筋采用CRB550冷轧钢筋,并依据《金属材料 拉伸试验:第1部分:室温试验方法》(GB/T 288.1-2021)[24]进行钢材拉伸试验,获取的钢材材料试验结果见表2,钢材应力-应变曲线如图3所示。

表1 混凝土配合比及实测强度Tab.2 Mix proportions and measured strength of concrete

表2 钢材材料试验结果Tab.2 Results of material test for steel material

图3 钢材应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of steel

2 试验结果分析

2.1 破坏过程及形态

加载初期试件的变形和应变较小,核心混凝土、钢管和钢筋较好地协同工作直至峰值荷载。随着荷载的增加,核心混凝土局部破碎,试件中上部位开始出现局部轻微鼓曲,随着塑性变形的继续增加可以听到试件内部核心轻微开裂的声音,意味着个别内配箍筋断裂,试件外部鼓曲变得越来越明显,最终表现为中上部钢管局部失稳而告破坏。不同配筋率下方形R-RACFST试件整体及内部破坏形态如图4所示,由图可以观察到,在这5种配筋率下试件的破坏形态都基本一致,说明试件整体破坏形态受配筋率的影响较小。

(a) CF-1

(b) RCF-1

(c) R-RCFΦ6-1

(d) R-RCFΦ8-1

(f) R-RCFΦ14-1

(g) R-RCFΦ16-1

为了进一步观察试件内部钢筋笼的破坏模式,将钢管沿纵向中心线进行切割,并剥离核心混凝土直至观察到完整的钢筋笼形态。发现钢筋笼约束的混凝土相较于钢管与钢筋笼之间的混凝土更为密实需要用锤子用力敲击才能脱落,且未配筋的CFST和RACFST的核心混凝土呈现完整的破碎性剪切破坏,无法保持完整形态。对比图4(a)、(b)、(c)可以看出,即使是少量配筋的R-RACFST,在破坏时没有出现贯穿裂缝导致的剪切破坏,而是中上部出现局部压溃现象,核心混凝土的形态仍能保持完整性,表明钢筋笼对钢管内部填充的RAC有明显的约束作用。

从方形R-RACFST钢筋笼的破坏形态还可以看出,大部分纵筋呈腰鼓形鼓曲破坏,不同配筋率下的方形R-RACFST纵筋的破坏模式基本相同,随着配筋率的增大,纵筋的破坏由褶皱状变为鼓曲状态,表明配筋对核心混凝土的二次约束效应有助于混凝土和钢管更好的协调变形进而提高构件力学性能。

2.2 荷载-位移曲线

通过对试验数据采集器采集到的数据进行整理,绘制试件的平均荷载-位移曲线如图5所示。由图5(a)、(b)、(c)可以看出,峰值荷载后相比于CFST,RACFST的承载力呈现出明显突然骤降趋势,即便受到钢管的约束,再生混凝土仍然暴露出脆性大的缺陷。从图5(d)至图5(i)可以看出:R-RACFST 2个重复试件的荷载-位移响应几乎相同,说明配筋有效改善核心混凝土材质不均匀性;即使是最低配筋率,相比于CFST和RACFST,配筋有效改善峰值荷载后构件受力性能,即明显改善承载力突然骤降的趋势,提高构件塑性变形能力。由图5(i)可以看出,方形R-RACFST试件的峰值荷载和峰后塑性变形能力,随着配筋率的提高而不断提高且在试件达到峰值荷载后曲线下降段的斜率越来越平滑;配筋率对荷载-位移曲线的上升斜率影响不大,其峰值点随着配筋率的增大而逐渐右移,说明在方形R-RACFST试件中配筋率的增加可以提高构件的延性和承载力。

(a) CF

(b) RCF

(c) CF与RCF

(d) R-RCFΦ6

(e) R-RCFΦ8

(f) R-RCFΦ12

(g) R-RCFΦ14

(h) R-RCFΦ16

(i) 全部

图6 钢管的平均荷载-应变曲线 Fig.6 Mean curves for load-strain of steel tube

2.3 钢管荷载-应变曲线

对贴在钢管上的应变片得到的数据进行分析处理,得到钢管的平均荷载-应变曲线如图6所示。就曲线的总体发展趋势而言,钢管横向和纵向的变形基本保持同步,在达到峰值荷载之前,各测点的应变单调增加,各试件的纵向应变的发展快于横向应变。相比于CFST和RACFST,R-RACFST的纵横向应变的发展均较慢,可解释为内部混凝土受到钢筋的约束作用,延缓了膨胀变形,使得钢管的变形减小,而这种趋势随着配筋率的增加而越趋于明显。

2.4 延性

为了研究不同配筋率对试件延性的影响,本文采用了文献[25]中所采用的延性指数,其定义如下:

(1)

式中:ε0.85为荷载降至极限荷载85%时的轴向应变;εy为ε0.75/0.75,ε0.75为荷载达到峰值前极限荷载75%时的轴向应变。

配筋率对延性的影响如图7所示,图中显示了根据式(1)计算的所有试件的延性系数,可以看出相较于RACFST,R-RACFST表现出较好的延性,但存在明显的拐点,即当配筋率小于3.02%时,随着纵筋配筋率的增加,延性率不断地增大;配筋率大于3.02%后,延性率开始出现下降的趋势,说明纵筋配筋率对延性的积极作用有一定的范围。根据上述分析,就从延性率的提高作用来看,纵筋配筋率在1.34%～3.02%为宜。

2.5 刚度退化

为了探究纵筋配筋率对R-RACFST试件刚度退化的影响,计算出应力-应变曲线(由图5(i)平均荷载-位移曲线转化得出)的割线模量用来评估构件刚度退化,由此绘制出配筋率对刚度退化的影响如图8所示。可以看出,RACFST的刚度退化最为严重,其次是CFST,而配筋后刚度退化明显改善。随着纵筋配筋率的增加,R-RACFST试件的刚度退化呈先缓后陡的趋势,当纵筋配筋率达到5.36%时,构件的刚度也出现急剧下降的趋势,说明配筋率过大,反而不利于减缓构件的刚度退化。综上,就刚度退化而言,R-RACFST的纵筋配筋率在1.34%～4.10%为宜。

图7 配筋率对延性的影响Fig.7 Effect of reinforcement ratio on ductility

图8 配筋率对刚度退化的影响Fig.8 Effect of reinforcement ratio on stiffness degeneration

2.6 屈强比

将屈服荷载和峰值荷载的比值定义为屈强比,其常被用来评判试件的储备安全程度,屈强比越趋近于1,构件越容易发生脆性破坏,相反,屈强比越小,构件的安全储备能力越高,安全性能越好。本文中,屈服荷载通过如下方法确定:假设方钢管在屈服前处于弹性阶段,根据平面应力状态的弹性本构方程可得式(2a),将其代入Mises准则式(2b)得到式(2c),求解式(2c)得到平面应力状态下的屈服应力,再根据材料试验得出的弹性模量得出屈服应变,最后从钢管荷载-应变曲线找出屈服应变对应的屈服荷载。

(2a)

(2b)

(2c)

式中:σsh和σsv分别为钢管的横向和纵向应力;εsh和εsv分别为钢管的实测横向和纵向应变;νs为泊松比取值为0.3。

绘制配筋率对屈强比的影响如图9所示。由图可以看出,RACFST的屈强比最大,随着配筋率增加,呈现下降趋势,但配筋率增加到3.02%后又开始增大趋势,说明配筋率越大并不能使屈强比减小。就屈强比而言,R-RACFST的纵筋配筋率在1.34%～3.02%为宜。

图9 配筋率对屈强比的影响Fig.9 Effected of reinforcement ratio on yield-to-strength ratio

3 承载力计算公式

3.1 既有RACFST承载力计算公式

目前,国内外学者对钢管混凝土短柱承载力的计算理论有基于叠加原理的极限平衡理论和基于组合强度原理的统一理论2种,而国内各规范采用后者。规程19给出了RACFST轴压短柱承载力基于组合强度原理的统一理论公式为

NRCF=fscAsc,

(3a)

fsc=(1.18+0.85ξ)fcr,

(3b)

ξ=Assfsy/(Accfcr),

(3c)

式中:NRCF为RACFST轴心受压承载力;Asc为构件组合截面面积;ξ为套箍系数;Ass和Acc分别为钢管和核心RAC截面面积;fcr为再生混凝土轴心抗压强度标准值。

与普通混凝土相比,由于再生混凝土存在抗压强度、弹性模量低和脆性高等缺点,因此规程19规定的RACFST再生粗骨料取代率不应大于70%。本文突破这一限制使用了再生粗骨料取代率为100%的方形R-RACFST短柱。目前100%取代率下R-RACFST相关轴心受压研究缺乏,主要以文献[26-28]研究成果为主。使用式(3)对本文试验数据和文献[26-28]的数据进行了承载力计算分析结果列于表3。将计算值与试验值对比发现:试验值与计算值的比值Δ1最小值为1.04,最大值为1.51,平均值为1.23,标准差为0.126,说明式(3)可用于计算再生粗骨料取代率为100%的方形R-RACFST短柱承载力,并发现随着配筋率的提高Δ1值也随之提高,导致计算结果偏于保守。

3.2 R-RACFST承载力计算推荐公式

规程19给出的承载力计算公式没有考虑配筋情况下的方形RACFST短柱,如将其应用于R-RACFST将导致计算结果过分偏于保守。上述分析结果表明,R-RACFST与RACFST具有相似的力学性能;但R-RACFST内置的钢筋笼对核心再生混凝土产生约束效应,使得核心再生混凝土的受力性能进一步提高,即内置纵筋的作用与钢管相似,因此,本文通过对规程19给出的套箍系数进行修正得到考虑了纵筋作用的适用于方形R-RACFST轴压短柱的承载力计算公式。R-RACFST的套箍系数ξr表达式为

(4a)

NR-RCF=fscrAscr,

(4b)

fscr=(1.18+0.85ξr)fcr,

(4c)

式中Asr、fsr分别为钢筋截面面积和屈服强度。

由此给出方形R-RACFST轴压短柱的承载力计算公式:使用修正公式(4)对本文及收集数据计算承载力,得到的承载力计算值与试验值对比结果见表3;将试验值与修正后计算值的比值Δ2绘制可得承载力计算结果比较如图10所示。由图可以看出,比值Δ2最小值为1.02,最大值为1.10,平均值为1.06,标准差为0.02,说明式(4)可用于计算再生粗骨料取代率为100%的方形R-RACFST短柱轴压承载力,计算结果与试验值更吻合,结果更加稳定,同样偏保守。

表3 承载力计算值与试验值对比结果Tab.3 Comparison of calculated baring capacities and experimented results

图10 承载力计算结果比较Fig.10 Comparison of predicted bearing capacity

4 结论

本文以配筋率为变化参数,进行R-RACFST短柱的轴压试验,研究了配筋率对构件受力性能的影响规律。根据研究结果,总结如下:

① 配置适量钢筋后,方形R-RACFST具有更好的力学性能,为再生骨料的100%利用提供解决方案;

② 配筋对方形R-RACFST的破坏模式影响不大,但是对提高构件极限承载力,延性和核心混凝土受力性能有显著贡献;

③ 配置适量纵筋有效缓解再生混凝土脆性大的问题,同时有效改善构件峰值荷载后塑性变形能力;

④ 纵筋配筋率对方形R-RACFST受力性能的提高作用存在一个有效提升范围,因此本文推荐有效纵筋配筋率范围为1.34%～3.02%;

⑤ 规程19给出的公式可用于计算再生粗骨料取代率为100%的方形R-RACFST短柱的轴心受压承载力,但随着配筋率的提高,其计算结果过于保守;

⑥ 结合研究结果,在规程19公式的基础上修正给出的适合方形R-RACFST短柱轴压承载力计算公式,公式计算结果与试验值更吻合,结果稳定可靠,同样偏保守。