圆钢管再生混凝土轴压短柱对比试验研究

  黄  宏，  郭晓宇，  陈梦成

 （1华东交通大学土木建筑学院，南昌330013；2江西省建筑过程模拟与控制重点实验室，南昌330013）

[摘要]  对不同截面形式和不同混凝土类型的6根圆钢管混凝土试件进行试验研究，并对其轴力一纵向应变全过程进行模拟，其中截面形式有圆实心、圆套圆中空夹层、圆套方中空夹层3种，混凝土类型包括普通混凝土和再生混凝土（再生粗骨料取代率为50%）两类。结果表明：截面形式对圆钢管再生混凝土试件的弹性模量、轴压强度和后期延性有一定影响；在达到极限承载力之前，两种混凝土类型的圆钢管混凝土试件的轴压刚度及外钢管的横向应变发展规律基本相同；在达到极限承载力之后，圆钢管再生混凝土试件的延性和后期承载能力均不如相应的圆钢管普通混凝土试件；有限元计算得到的试件的极限承载力和前期刚度与试验结果吻合较好。

0  引言

 随着我国城镇化步伐的加快，建筑行业对混凝土的需求量以及建筑废弃混凝土的排放量在逐年增长。废弃混凝土中含有被水泥包裹的砂石骨料，如果能将其回收利用，生产再生混凝土并将其应用到新的建筑物上，不仅能降低建筑成本，节约天然资源，缓解骨料供求矛盾，还能减轻废弃混凝土对环境的污染，这对于保护环境、节约资源和实现建筑业的可持续发展意义重大。然而，相比普通混凝土，再生混凝土的强度和弹性模量较低且耐久性较差，不利于在实际工程结构中应用。

 将再生混凝土填充于钢管中得到的钢管再生混凝土，由于钢管的约束效应，再生混凝土的强度得到提高，而再生混凝土的存在又阻碍了钢管的局部屈曲，使其在满足较高极限承载力的同时，又具有绿色环保的特点，这为再生混凝土的合理利用提供了有效途径。国内外学者已经对钢管再生混凝土结构做了大量的研究，但是关于中空夹层钢管再生混凝土力学性能的研究报道并不多见。董江峰等分别对圆、方中空夹层钢管再生混凝土轴压短柱的力学性能进行了试验研究，主要研究了再生粗骨料取代率对试件极限承载力的影响。鉴于结构形式和受力性能的相似性，可以借鉴中空夹层钢管普通混凝土构件的分析方法对其进行研究。

 本文拟通过试验和有限元模拟来研究不同截面形式圆钢管再生混凝土轴压短柱的力学性能。分别设计了圆实心钢管再生混凝土、圆套圆中空夹层钢管再生混凝土、圆套方中空夹层钢管再生混凝土（再生粗骨料取代率为50%）及圆实心钢管普通混凝土、圆套圆中空夹层钢管普通混凝土、圆套方中空夹层钢管普通混凝土试件各1根，对其进行轴压力学试验，对试件的破坏形态、轴力．纵向应变曲线、平均应力一应变关系曲线以及外钢管的横向应变发展规律进行对比分析。最后，将有限元模拟结果与试验结果相互比较，以此验证两者的正确性。

1  试验概况

1.1试件设计及制作

 本试验通过变化截面形式和混凝土类型设计了两个系列共6根钢管混凝土短柱试件，系列1包括：圆实心钢管再生混凝土( C-S-R)、圆套圆中空夹层钢管再生混凝土( CC-DS-R)、圆套方中空夹层钢管再生混凝土( CS-DS-R)共3根试件；系列2包括：圆实心钢管普通混凝土( C-S-N)、圆套圆中空夹层钢管普通混凝土( CC-DS-N)、圆套方中空夹层钢管普通混凝土( CS-DS-N)共3根试件，试件截面示意图如图1所示。试件的外钢管均采用同种尺寸和强度的圆钢管，并且试件中填充的普通混凝土和再生混凝土的强度相等。表1列出了试件的实际参数，其中Do，Di分别为外钢管、内钢管直径；B1为方钢管边长；to，ti分别为外钢管、内钢管壁厚；L为试件长度;X为空心率，X=Di／（Do-2to）（圆套方中空夹层试件X= Bi/（Do-2t））；ao为名义含钢率，an=Aso/Ace，其中Aso为外钢管的截面面积，Ace为外钢管内部所包含的面积；ξ为约束效应系数，ξ=anfyo/fck，其中fy。为外钢管屈服强度，fck为混凝土轴心抗压强度标准值；Nue为试验实测轴压极限承载力；Nuc为有限元计算轴压极限承载力。

 试验中采用的圆钢管为直缝焊管，方钢管由4块钢板焊接而成。采用人工拌制混凝土，普通混凝土的用料包括水、普通硅酸盐水泥(P．0 42.5)、中砂、普通碎石（4. 75~ 31. 5mm连续粒级），其重量配合比为水泥：水：中砂：普通碎石= 424.5：157.8：590.5：1194.1；对于再生混凝土，再生粗骨料取代率为50%，其他材料用量与普通混凝土相同，其配合比为水泥：水：中砂：普通碎石：再生粗骨料=424. 5:157. 8:590.5：597: 597。再生粗骨料由废弃的钢筋混凝土偏压柱试件（原强度等级为C50）经人工破碎、筛分后获得，其压碎指标为18.  32%，粒径为4. 75~31. Smm连续粒级，并且各项指标均符合《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）的要求。钢管材性由拉伸试验确定，混凝土强度由与试件同条件成型养护的边长为150mm的立方体试块按标准试验方法测得，材性试验结果见表2，3。

1.2加载方式及测点布置

 试验在500t压力试验机上（配有500t压力传感器）进行，试验时将试件放在压力传感器上，进行轴压试验，采用分级加载制度。试验过程中在试件的下端对称设置了4个百分表以测定试件的纵向总变形，同时在试件中部截面钢管的外表面对称设置了纵、横向应变片各4枚，以观测试件在受力过程中应变的变化情况，试验数据由东华DH3815数据采集仪采集，荷载值从压力传感器仪表读取。

2  破坏形态比较

 试验后圆钢管混凝土短柱的整体破坏形态见图2。由图2可见，6根试件的横截面尺寸显著增大，柱体外形已发生严重皱曲，均表现出斜剪破坏特征。通过对比可知，3种截面形式的试件的破坏形态基本一致，圆钢管再生混凝土试件的破坏形态与对应的圆钢管普通混凝土试件类似，截面形式和混凝土类型对试件整体破坏形态的影响不大。

3  试验结果分析

3.1轴力一纵向应变关系曲线

3.1.1不同截面形式的对比

 图3给出了3种截面形式的圆钢管再生混凝土短柱的轴力一纵向应变(N-ε)关系曲线。由图3可知：1）当施加的轴力较小时，试件变形微小，N-ε关系曲线为一直线，在此阶段，试验中3根圆钢管再生混凝土试件的轴压刚度相差不大；2）当外钢管的应变达到其屈服应变0. 001 8时，N-ε关系曲线进入弹塑性阶段，此时试件的轴压刚度均有所降低；3）试件达到极限承载力时，2根中空夹层钢管再生混凝土试件的极限承载力（表1）接近，实心钢管再生混凝土试件的极限承载力大一些；4）在N-ε关系曲线进入下降段后，试件外钢管向外鼓屈，管内混凝土被压碎，中空夹层试件的内钢管向内凹曲，在此阶段，3根圆钢管再生混凝土试件均表现出一定的后期承载能力和延性，但试件CS-DS-R的延性要好于C-S-R和CC-DS-R，这是由于试件最终的破坏特征均为斜剪破坏，而方钢管在加载后期抵抗斜剪变形的能力要强于圆钢管的缘故。可见，截面形式对圆钢管再生混凝土短柱的后期延性有一定影响，但3种截面形式的圆钢管再生混凝土轴压短柱的N-8关系曲线的整体变化趋势是一致的。

3.1.2不同混凝土类型的对比

 图4比较了圆钢管再生混凝土短柱与圆钢管普通混凝土短柱的N-ε关系曲线。通过对比可知：1）在弹性阶段，两种混凝土类型试件的N-8关系曲线基本重合，即混凝土类型对试件前期轴压刚度的影响不大；2）在弹塑性阶段，除试件C -S-R和C-S-N的N-8关系曲线偏离较大外，另外两组试件CC -DS-R/N和CS-DS-R/N的N-ε关系曲线也大致重合，并且不同混凝土类型的2根圆中空夹层钢管混凝土试件的极限承载力也基本相同；3）进入下降段后，两种混凝土类型试件的N-8关系曲线开始逐渐分离，圆钢管普通混凝土试件的N-8关系曲线下降较为平缓，而圆钢管再生混凝土试件的N-ε关系曲线下降更陡一些，钢管普通混凝土试件的延性性能和后期承载能力要优于钢管再生混凝土试件，这主要因为，与普通混凝土相比，再生混凝土本身就存在一定的初始细微裂纹，在试件达到极限承载力后，再生混凝土裂缝在前期损伤的基础上继续扩展，且发展迅速，从而导致其延性较差，后期承载能力较低。

3.2平均应力．应变关系曲线

 将图3中试件所承受的轴力Ⅳ除以试件的横截面面积Asc即得到圆钢管再生混凝土试件的平均应力一应变（σ-ε）关系曲线，如图5所示。同时取曲线上试件平均应力从0达到50%的实测轴压强度σo时的直线段，通过线性拟合得到圆钢管再生混凝土试件的实测组合弹性模量Esc其具体数值及试件实测轴压强度列于表4，其中R2为表示线性拟合程度的指标，接近于1，可靠度较高。由图5和表4可见，圆钢管再生混凝土试件的σ-ε关系曲线的发展趋势与N-ε关系曲线相同，与实心钢管再生混凝土试件相比，由于内钢管的存在，中空夹层钢管再生混凝土试件的组合弹性模量和轴压强度提高显著。本次试验中，试件CS-DS-R的组合弹性模量较大，而试件CC-DS-R的轴压强度较大。

3.3横向应变发展规律

3.3.1不同截面形式的对比

 图6给出了圆钢管再生混凝土试件的N／Nue-εL关系曲线，其中8L为试件外钢管的横向应变。可见，试件C-S-R外钢管横向应变发展要快于试件CC-DS-R和CS-DS-R，试件达到极限承载力时，其对应的外钢管的横向应变较大，这是因为在轴压力下，相比于中空夹层钢管再生混凝土试件，实心钢管再生混凝土试件中混凝土向外的鼓胀力较大；两根中空夹层钢管再生混凝土试件的横向应变发展规律基本相同，内管截面形式对外钢管横向应变发展规律的影响不大。

3.3.2不同混凝土类型的对比

 图7对比了两种混凝土类型的圆钢管混凝土试件的N／Nue-εL关系曲线，可以看出，受荷前期，钢管再生混凝土试件与钢管普通混凝土试件外钢管横向应变的发展过程大致相同；在达到极限承载力时，试件C-S-R，C-S-N外钢管对应的横向应变分别为13 397×10-6,9 992×10-6，试件CC-DS-R, CC-DS-N外钢管对应的横向应变分别为7 426×10-6．5 383 xl0-6，试件CS-DS-R，CS-DS-N外钢管对应的横向应变分别为7 717x10-6，4 606×10-6，可见在达到极限承载力时，钢管再生混凝土试件对应的横向应变要大于钢管普通混凝土试件，产生此现象的原因是：由于再生混凝土初始缺陷的存在，在试件进入弹塑性阶段后，其裂缝扩展的程度要比普通混凝土大，由此产生的作用于外钢管上的径向力较大，这也就导致了达到极限承载力时，钢管再生混凝土试件外钢管的环向变形更大一些。

3.4轴压力学性能比较

 为了综合比较不同截面形式和混凝土类型的圆钢管混凝土短柱的轴压力学性能，表5列出了试件的各项轴压力学性能指标，其中εue为极限承载力时试件对应的极限压应变；Nr，εr分别为轴力一纵向应变曲线中下降段最低点对应的轴力和应变；y=Nr／Nue，为衡量试件后期承载能力的指标；SI为承载力提高系数（SI=Nue／Nue，Nuo= fyoAso+fcAc+fyiAsi，

其中fyi，fyo，fc分别为内外钢管和混凝土的实测强度，见表2，3，Asi，Aso，Ac分别为内外钢管和混凝土的横截面面积）；β为衡量圆钢管混凝土试件中混凝土强度提高程度的系数，本文称之为混凝土强度提高系数（β= f/fc,fe=（Nce- fyoAso- fyiAsi）/Ac）。

 由表5可以看出：1）通过比较极限压应变εue，并结合图4和图7可知，在试件达到极限承载力之前，两种混凝土类型的圆钢管混凝土试件的轴压力学性能基本相同；2）对比Nr，εr和y可见，钢管再生混凝土试件在加载后期的延性和后期承载能力均不如相应的钢管普通混凝土试件，对比中空夹层钢管混凝土试件，可知试件CS-DS-R，CS-DS-N的延性和后期承载能力均要好于试件CC-DS-R，CC-DS-N；3）钢管再生混凝土试件的SI和β均大于1，并且与钢管普通混凝土试件的对应值相差不大，这表明将再生混凝土应用于钢管混凝土结构是可行的，由于钢管的约束，其自身力学缺陷得到一定程度的克服，试件的整体极限承载力和钢管内混凝土的强度都有很大程度的提升，并且将再生混凝土应用于实心钢管混凝土结构，提高幅度最大。这是由于，对于中空夹层试件而言，其截面中心为空钢管，受力过程中内钢管发生向内的凹曲变形，以致于内、外钢管对混凝土的约束作用要弱于实心试件中外管对混凝土的约束作用。

4  有限元计算结果与试验结果比较

 利用有限元软件ABAQUS对6根钢管混凝土轴压短柱的N-ε关系曲线进行模拟。混凝土和内、外钢管均采用八节点缩减积分格式的三维实体单元( C3D8R)；钢材的本构关系采用塑性分析模型；混凝土的本构关系采用塑性损伤模型，对于普通混凝土，采用刘威改进后的应力一应变关系模型，对于再生混凝土，采用杨有福提出的再生混凝土的应力．应变关系模型，混凝土的受拉本构关系采用能量破坏准则即应力一断裂能的关系模型来描述；采用全构件建模，构件一端固定，另一端为加载端。

 将计算所得N-8关系曲线与试验实测曲线进行比较，如图8所示。可见，对于圆钢管普通混凝土构件，有限元计算曲线与试验曲线吻合较好；对于圆钢管再生混凝土构件，在N-8关系曲线进入下降段后，计算曲线与试验曲线存在一定偏差，尤其是在构件纵向应变达到0.02后，两条曲线偏离较明显，这可能是由于本文所采用的再生混凝土本构关系模型对再生混凝土加载后期裂缝扩展迅速而导致承载能力下降较快的情况考虑不足引起的，但对构件加载前期的模拟仍具有一定的参考意义。表1列出了试件轴压极限承载力计算值Nuc与试验实测值Nue,Nuc／Nue的平均值为0. 983，均方差为0.023，可见有限元计算所得的试件的极限承载力和前期刚度与试验结果吻合较好，试验和有限元结果的正确性互为验证。

5  结论

 (1)截面形式和混凝土类型对圆钢管混凝土试件的整体破坏形态影响不大。

 (2)不同截面形式对圆钢管再生混凝土轴压试件的后期延性有一定影响，圆套方中空夹层钢管再生混凝土试件的延性要好于圆实心钢管再生混凝土试件和圆套圆中空夹层钢管再生混凝土试件。

 (3)试件达到极限承载力之前，两种混凝土类型的圆钢管混凝土试件的轴压刚度及外钢管的横向应变发展规律基本相同；达到极限承载力之后，钢管再生混凝土试件的延性和后期承载能力均不如相应的钢管普通混凝土试件。

 (4)与圆中空夹层钢管再生混凝土试件相比，圆实心钢管再生混凝土试件中再生混凝土的强度提高幅度较大。

 (5)有限元计算所得的圆钢管混凝土试件的极限承载力和前期刚度与试验结果吻合较好，试验和有限元结果的正确性互为验证。

 (6)从环保角度，建议采用钢管再生混凝土构件；从制造安装角度，实心钢管混凝土更加便于施工，中空夹层钢管混凝土还需固定内钢管；在造价方面，中空夹层钢管混凝土虽然在用钢量上有所增加，但其自重减轻，尤其是截面尺寸较大时，重量减少更为显著，可以有效降低地基的负荷，减少工程造价，更适合大截面尺寸的构件，并且中空夹层钢管混凝土的抗弯、抗震性能以及耐火性能均比实心钢管混凝土要好。在实际工程中，可根据具体工况选择适宜的截面形式。