配筋圆钢管再生混凝土短柱轴压试验研究*

2023-07-26阿里甫江夏木西阿依德尼古丽都曼柳才坚

工业建筑 2023年5期

阿里甫江·夏木西阿依德尼古丽·都曼柳才坚

(新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830017)

随着大量的老旧建筑物的拆迁、改造和新结构的建造,产生的建筑垃圾和耗费的建筑材料越来越多。为了实现材料的循环利用,废弃混凝土的回收应用成为了研究热点。与普通混凝土相比,再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)具有脆性大、表面粗糙微裂缝多等自身缺陷,使得其在应用上受到了限制[1]。因此,研究者们为改善再生混凝土的性能,将钢管与RAC结合得到钢管再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete-Filled Steel Tube,RACFST)。RACFST是利用钢管给内部再生混凝土提供约束作用,从而弥补了再生混凝土因脆性大等缺陷产生的负面影响[2]。但相比于钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube,CFST),RACFST的承载力、延性和刚度等力学性能相对较差,且随着再生骨料取代率的增加这种差距越大[3-5],从而限制了再生混凝土广泛利用。为了改善RACFST以上弊端,研究者们采取不同方式,如内配工字型[6]和H型钢[7]、设置加劲肋和栓钉[8]等。配筋钢管再生混凝土(Reinforcement and Recycled Aggregate Concrete-Filled Steel Tube,R-RACFST)是在RACFST内配置钢筋的新型组合结构。根据既有研究可知,配筋钢管混凝土内配的钢筋产生的二重约束作用不但可以显著地增加承载力,而且还可以明显地提高套箍效应及最大荷载后的塑性变形[9-12]。因而在RACFST内配置钢筋,可以降低或抵消再生骨料取代率对RACFST性能产生的影响。但目前关于R-RACFST的研究尚处于起步阶段,且研究主要集中于有限元分析方面[13-14]。因此,以达到100%利用再生粗骨料为目的,以纵筋配筋率为参数开展了试验研究。

1 试验概述

1.1 试件设计

根据T/CECS 625—2019《钢管再生混凝土结构技术规程》[15]对短柱高径比的规定(H/D≤4定义为短柱)和以往的相关试验短柱试件(高度取为截面直径的3倍)确定本试验试件高径比为3。设计了14个直径D=165 mm,高H=500 mm的圆形截面试件,其中包括:对应各配筋率的R-RACFST(试件标识R-RCF),以及RACFST(试件标识RCF)、CFST(试件标识CF)对比试件,对应各组准备重复试件2根。R-RACFST试件采用5种纵筋配筋率,纵筋直径dr分别为6,8,12,14,16 mm,配筋率ρ分别为0.84%,1.49%,3.36%,4.57%,5.97%。试件构造如图1所示,试件基本参数详见表1。

表1 试件基本参数Table 1 Parameters of specimens

图1 测点布置及试件构造 mmFig.1 Measuring points layout and formation of specimen

1.2 试验材料

1) 再生混凝土。

试验再生混凝土及普通混凝土的目标强度统一为40 MPa,即RC40和C40,再生粗骨料取代率为100%。再生粗骨料经颚式破碎机破碎,再用旋振筛分机筛分获得,采用粒径5～25 mm之间的粗骨料,普通混凝土粗骨料为同条件筛分的卵石。两者采用相同配合比,即水泥∶水∶细骨料∶粗骨料∶减水剂=1∶0.48∶1.44∶2.67∶0.005。混凝土采用强制式搅拌机,浇筑之后自然养护所有试件,最终28天混凝土龄期实测普通混凝土和再生混凝土立方体抗压强度分别为fcu=42.51 MPa和fcu,r=41.01 MPa。

2) 钢材。

根据规范常用纵筋规格确定纵筋直径,数量统一取ns=6,材质均为HRB400。钢管材质选用Q355B、壁厚t=2.3 mm的电弧直焊缝焊接的圆钢管。箍筋采用CRB550 的冷轧钢筋,直径dv=4 mm,环外径as=120 mm,间距s=50 mm。试件所用钢管两端均用激光切管机切割,其长度均匀,切割表面光滑。按照规范[16]要求确定钢材拉拔试验尺寸和方法,分别对钢管和各纵筋进行了拉伸试验。最终测得钢管和纵筋的屈服强度分别为fsy=332.47 MPa和fsr=437.35 MPa,拉伸试验曲线如图2所示,其中εy为钢管屈服点,即εy=1 729×10-6,此值将在后期的屈强比分析时作为确定构件屈服荷载的依据。

图2 钢材力学性能Fig.2 Mechanical properties of steel

图3 试件加载装置Fig.3 Loading devices

为了按设计间距将钢筋笼绑扎成型,设计木质钢筋笼模板,在此模板进行绑扎,同时考虑钢筋笼能够完全固定在钢管中心部位,在钢筋笼的上下端设置十字形支撑物,以固定钢筋笼。为纵筋应变片的导线能够穿出钢管且在加载时保持导线的完整性以及不影响数据的正常采集,使用台式钻床在钢管顶端的侧壁开出足够导线穿出的孔。为防止在振捣过程中钢管底部出现流浆甚至骨料外漏等情况,钢管底部放置钢板,将钢管和钢板用花篮螺丝整体固定。

1.3 加载方案及测点布置

试验加载及测点布置如图 3所示。试验采用YJW10000微机控制液压伺服压力机进行加载,采用位移控制的加载制度,加载速率为4 mm/min,最大位移统一限制为35 mm。应变片贴在各试件的几何中心处,在钢管纵向中分处,沿着环向等距四个面粘贴环向及纵向应变片,R-RACFST内部3根对称钢筋的竖向中心处贴纵向应变片。应变片布置详见图 1。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

1)剪切破坏。

由图4可见,取代率100%的再生粗骨料对构件破坏形态影响不显著,RACFST与CFST的最终破坏形态相似,均为剪切破坏,试件中部偏上和下端部的钢管出现局部鼓曲,表明钢管已经屈服,两个鼓曲部位之间出现显著的剪切面。为进一步了解内部核心混凝土的破坏情况,试验结束后将钢管剖开,观察内部混凝土,发现混凝土在钢管出现剪切滑移处呈与钢管一致的剪切破坏,混凝土已被该剪切裂缝分成两块,失去了整体性。试验说明,由于内部混凝土的剪切滑移导致钢管局部屈曲发生剪切破坏。此外,受再生粗骨料的影响,核心再生混凝土出现较大面积的破碎现象,除发生剪切破坏再生混凝土开裂外,在钢管端部鼓曲位置的再生混凝土被压溃并且其余部分有明显的微裂缝,具有发生双折剪切破坏的趋势。

图6 试件的平均荷载-位移曲线Fig.6 Mean curves for load-displacement of specimens

纵筋配筋率对构件的最终破坏形态影响不大,R-RACFST所有试件的最终破坏形态基本相似,均为剪切破坏。中下部钢管出现局部鼓曲,表明钢管已经屈服,具有明显的剪切面。观察内部再生混凝土可以发现,核心再生混凝土具有与外部钢管相同的剪切滑移的趋势,但并没有开裂,仍能保持完整的形状,除钢管屈曲对应处再生混凝土有少量碎片掉落和鼓曲外,其余无鼓曲位置无可视裂缝。这是由于再生混凝土的脆性因钢管和钢筋笼的双重约束作用下得到了明显的改善,使得核心再生混凝土在受力的过程中保持完整性,与RACFST的核心再生混凝土形成了明显的对比。

2)纵筋破坏。

为了解纵筋最终的破坏形态,按剪切面将混凝土剥离,纵筋破坏形态如图4h、4i所示。纵筋破坏形式随着配筋率的增加而变化:当配筋率较低时(图4h)纵筋在轴向压力的作用下被压弯屈服,发生了将近90°的弯折,随着配筋率的增加,纵筋破坏形式由压弯变为压屈并向外鼓起(图4i)。

2.2 曲线分析

2.2.1峰值荷载分析

2.2.2荷载-位移曲线

荷载与轴向位移关系如图 6所示,从图中可见,CFST与RACFST的荷载-位移曲线在弹性阶段基本重合,但是峰值荷载后RACFST试件的承载力下降幅度较快,说明RACFST试件塑性变形能力较差,这是因为内部再生混凝土的自身脆性和再生混凝土强度低引起的。

由图 6可知,随着配筋率的增加R-RACFST试件的轴向刚度增加,可以理解为内配钢筋笼改变了混凝土的弹性模量,从而提高了构件的刚度。峰值荷载后承载力下降趋势较RACFST有明显的改善,趋势更加平缓、下降速率更小,具有明显的塑性变形。说明RACFST通过配置纵筋(即便配筋率小),不仅可以防止内部再生混凝土发生脆性破坏,达到提高构件延性的目的,而且可以提高构件的刚度及承载力。

2.2.3荷载-钢管应变曲线

通过试件中部粘贴的纵环向应变片(图1)获取的应变与荷载关系如图7所示。可见,加载初期各试件的纵环向应变随荷载的增加呈线性增长,但纵向应变发展较快于横向应变,而RACFST的横向应变比R-RACFST的横向应变发展快,说明由于钢筋骨架对核心再生混凝土的套箍作用延缓了核心再生混凝土的横向膨胀,同时防止再生混凝土被压溃。与RACFST相比,弹塑性阶段后R-RACFST试件曲线更加平稳、应变发展较慢,表明R-RACFST具有较好的变形能力。

图7 钢管的平均荷载-应变曲线Fig.7 Mean curves for load-strain of steel tubes

图8 纵筋荷载-应变曲线Fig.8 Mean curves for load-strain of reinforcement

图9 配筋率对刚度退化的影响Fig.9 Effects of reinforcement ratios on stiffness degeneration

2.2.4荷载-纵筋应变曲线

为了解不同直径纵筋的纵向应变发展,通过纵筋几何中心位置粘贴应变片(图 1)的数据,绘制荷载与纵筋轴向应变关系曲线,如图 8所示。由图可见,不同直径的纵筋纵向应变发展有所不同,随着纵筋配筋率的增加,纵筋应变发展速率缓慢;同时,所有配置的纵筋的应变都能在试件达到峰值荷载之前达到屈服应变,表明配筋率ρ在0.84%～5.97%时纵筋能充分发挥其强度。

2.2.5刚度退化

将实测的荷载-位移曲线(图 6)转化为应力-应变曲线,采用该曲线的割线模量作为试件刚度退化的指标。为了研究配筋率对钢管再生混凝土后期刚度退化的影响,以RACFST的弹性刚度为基准,所有试件弹性刚度取6.67 GPa,并绘制刚度退化曲线如图 9所示。可见,CFST的刚度退化速率略小于RACFST;同时可以发现,配了钢筋后的试件的刚度退化速率明显小于RACFST试件,表明配钢筋后能有效减缓钢管再生混凝土的刚度退化。

2.2.6屈强比

屈强比是用来判断构件安全储备的指标,定义为构件的屈服荷载和峰值荷载的比值,屈强比越大即比值趋于1,构件发生脆性破坏的可能性就越高。在计算屈强比时,使用如下方法确定屈服荷载:首先通过材料试验确定钢管的屈服应变,再从钢管荷载-应变曲线(图 7)中找到其对应的屈服荷载。配筋率与屈强比的关系曲线如图10所示。

图10 配筋率对屈强比的影响Fig.10 Effects of reinforcement ratios on overall yield-to-strength ratio

可见,配筋率在0.84%～4.57%时R-RACFST从屈服到破坏的过程较长,安全储备较高,延性较好并且构件偏安全。当配筋率为最大时,屈强比接近RACFST试件的屈强比值,说明配筋率过大反而会降低构件的延性。

2.2.7组合效应

(1)

式中:Nexp为试件峰值荷载;Ass为钢管横截面面积;Acc、fck,r分别为再生混凝土横截面面积和轴心抗压强度标准值;Asr、fry分别为纵筋的横截面面积和屈服强度。组合效应系数与配筋率的关系如图 11所示。可见,所有试件的η值都大于1,可以理解为钢管和钢筋的二次约束效应提高了核心再生混凝土的承载力。配筋率在1.49%时η值达到最大,其后η值出现了明显的下降趋势。配筋率3.9%以后,η值比RACFST试件还低,约束效应趋于弱化,即通过增加配筋率虽然可以提高构件的承载力,但组合效应趋于劣化,对配筋率应该给予限制。就本试验而言,配筋率的合理取值范围在0.84%～3.9%之间。

图11 配筋率对组合效应的影响Fig.11 Effects of reinforcement ratios on confinement effect

3 承载力分析

目前,我国对于RACFST的轴压极限承载力计算已在T/CECS 625—2019[15]提出了基于组合强度原理的统一理论的公式:

NRCF=Ascfsc

(2a)

fsc=(1.14+1.02ξr)fcr

(2b)

ξr=Assfsy/Accfcr

(2c)

式中:NRCF为RACFST承载力;Asc为试件截面面积;ξr为约束效应系数;Ass和Acc分别为钢管和再生混凝土截面面积;fc,r为再生混凝土轴心抗压强度值。

根据T/CECS 625—2019[15]可知,由于再生混凝土本身的缺陷,影响再生混凝土构件承载力的关键因素是再生粗骨料取代率,因而T/CECS 625—2019[15]提出RACFST再生粗骨料取代率不应大于70%。

目前缺乏取代率为100%的R-RACFST的相关其他轴心受压试验数据,对本文试验数据和收集既有的R-RACFST数据,使用式(2)进行承载力计算,将计算结果列于表2,将试验值与计算值的比值Δ绘制于图 12。可以发现:试验值与式(2)计算值的比值最小值为1.21、最大值为1.92、平均值为1.51、标准差为0.23,说明式(2)可用于计算再生粗骨料取代率为100%的R-RACFST承载力,但其计算结果过分偏于保守。另外,还发现Δ随着配筋率的增加而增大,因此计算中应考虑纵筋的影响。

表2 承载力计算结果对比Table 2 Comparisons of predicted bearing capacity

由前述分析结果可知,对于R-RACFST,内配钢筋对构件各项力学性能提高作用是非常明显的,能够对核心混凝土提供约束作用进而改善核心再生混凝土的脆性并且提高承载力。因此,本文在T/CECS 625—2019提供的约束效应系数上考虑纵筋的约束效应,获得约束效应系数为:

(3a)

因而给出R-RACFST的承载力计算式为:

NR-RCF=Ascfsc,R

(3b)

fsc,R=(1.14+1.02ξR)fck,r

(3c)

式中:Asr和fsr分别为钢筋截面面积和屈服强度。

图12 承载力计算结果比较Fig.12 Comparisons of predicted bearing capacity

使用修正式(3)对本文及收集数据计算承载力,列于表2,Δ绘制于图 12。可以发现:试验值与式(3)的计算值的比值最小值为1.07、最大值为1.42、平均值为1.28、标准差为0.12,说明式(3)可用于计算再生粗骨料取代率为100%的R-RACFST承载力,其计算结果同样偏保守,但较前者更合理、更稳定。