方鋼管約速的包容型再生混凝土柱由壓試驗研究(建筑)

周桂香^1,2，蔣鳳昌^1,2

（1．泰州職業技術學院，江蘇泰州225300；2．江蘇省第一建筑安裝股份有限公司博士后科研工作站，江蘇泰州225300）

[摘要]為了加快綜合應用包容型再生混凝土，掌握方鋼管約束的包容型再生混凝土柱軸壓承載力性能，設計了11根試驗柱進行軸壓承載力試驗，考慮的主要因素包括舊料混凝土摻入率、舊料混凝土強度、膨脹劑摻入量和鋼筋配置情況。采用疊加法、VonMises屈服條件和試驗擬合法，推導構件的承載力計算公式。試驗表明，在試件中摻入同強度的舊料，摻入率可達50%，承載力下降10%以內；摻入較低強度的舊料，摻入率為30%，承載力下降不超過15%；膨脹劑摻入量達水泥用量10%時，試件承載力提升較明顯；試件中配置縱向鋼筋，可以有效提高構件承載力。方鋼管約束的包容型再生混凝土柱具有良好的軸壓承載力，工程應用前景良好；所提出的公式計算結果與試驗結果吻合較好，可為工程應用提供有益的參考。 [關鍵詞]方鋼管約束；包容型再生混凝土柱；軸壓承載力；試驗；實用計算公式

[中圖分類號]    TU398⁺．9   

0  引言

    在建筑廢棄物中，廢舊混凝土的比重很大，高效綜合開發利用廢舊混凝土能產生良好的社會效益和經濟效益。采用簡化處理廢舊混凝土的工藝，直接將破碎的舊料拌制到新混凝土中，能夠以較低成本生產包容型再生混凝土。此類新型再生建筑材料的推廣應用有利于建筑業的可持續發展。

    為改善包容型再生混凝土的軸壓受力性能，可將包容型再生混凝土灌人鋼管中形成鋼管混凝土柱。由于鋼管的約束作用，可使包容型再生混凝土處于三向受壓狀態，有效減輕包容型再生混凝土因孔隙率較大、吸水率較大、骨料內部因破碎產生微裂縫等缺陷而對承載力產生的負面影響。

    由于方鋼管柱易于與墻、梁等構件連接處理，在建筑工程中應用較多，故而研究方鋼管約束的包容型再生混凝土柱承載力性能亦具有現實意義。本文進行了11根方鋼管-包容型再生混凝土柱的軸壓試驗，并且依據理論分析和試驗數據擬合，提出此類構件的承載力計算公式，進一步推動廢舊混凝土在鋼管-包容型再生混凝土構件中應用。

1  軸壓試驗

1.1  材料試驗

    本次試驗制備的包容型再生混凝土依據舊料混凝土的摻人率和舊料強度可劃分為五類，進行立方體試塊抗壓試驗，材料試驗結果詳見表1。依據舊料摻入率的不同，設計包容型再生混凝土的配合比，詳見表2。對方鋼管上所取板材和方鋼管內配置的縱向鋼筋進行拉伸試驗，試驗結果詳見表3。

1.2  試件設計

    試驗主要考慮舊料混凝土摻人率、舊料混凝土強度、膨脹劑摻入量和鋼筋配置四個影響因素，設計11根方鋼管-包容型再生混凝土柱，其中包括2根試驗對比柱，具體參數詳見表4。試驗柱的形狀詳見圖1，高寬比取3，試件鋼管的兩端面均應機床上通過機械加工磨平，并且嚴格控制其長度、平整度和垂直度，確保兩端面與方鋼管軸線垂直。為防止試件澆筑時漏漿．預先將鋼管底部用塑料薄膜封底，包容型再生混凝土從鋼管頂部灌入，分層澆筑，人工振搗，混凝土終凝前抹平柱端。

1.3  加載裝置與加載制度

    方鋼管-包容型再生混凝土柱的軸壓承載力試驗在泰州市混凝土結構加固與修復工程技術中心完成。試驗加載裝置（見圖2）為江蘇一建博士后工作站研發設計的SST-500自平衡加載系統，主要設備與儀器包括：分離式液壓千斤頂( 5000kN)、荷載傳感器( 5000kN)、球鉸支座、數據采集儀、位移計等。試驗測點布置主要包括：沿試件縱向對稱布置位移計，測量試件整體軸向變形；在試件跨中部位的4個側面呈T形布置應變片，分別測試鋼管壁的縱向變形和環向變形。

    試驗加載制度采用速度控制。為提高試驗效率，系統加載速率采用變速加載：在軸壓荷載達到名義承載力60%之前，加載速率為0.05 mm/s；超過名義承載力60%時，加載速率減小，調整為0.01 mm/s。當試驗荷載下降至極限荷載的70%或試件的縱向變形達到30mm時，停止試驗加載。

2  試驗結果與分析

2.1試件破壞特征

    試驗觀察發現，所有方鋼管-包容型再生混凝土柱的破壞都屬于塑性破壞，并且后期承載力良好。試驗加載初期，試件處于彈性階段，鋼管壁上未見變化；當外界荷載增加至極限荷載的60%時，鋼管壁上出現輕微的鐵銹脫落，局部方格網漸變為棱形，即局部開始出現剪切滑移線。隨著外荷載的繼續增加，試件跨中某部位開始向外凸出，試件進入塑性階段；壁上的滑移線增多，逐漸布滿管壁，鋼管表面環向應變片數據急劇增大，有些應變片脫落，試件開始進入破壞階段。隨著加載，呈現2～3圈的多折腰鼓狀屈曲（見圖3），試件破壞時鋼管截面凸曲的順序：由管壁邊長中部向角部延伸，最終形成完整的圓圈。

    為了掌握試件破壞后鋼管內部混凝土的破壞情況，用手提式切割機將鋼管剖開，觀察試件鋼管內的破壞形態。內部混凝土順著鋼管變形趨勢也形成明顯的鼓曲狀態，但表皮光滑完整，并未粉碎松散。這說明混凝土已遭破壞，但受鋼管的約束，又被模壓成多折腰鼓形。用小鐵錘輕輕一擊，也就應聲而破碎（見圖4）。

2.2軸壓試驗結果

    采用數據采集儀獲得試驗主要數據，列于表5。

    為了便于歸納試驗曲線的普遍規律，將曲線正則化處理，從而獲得無量綱的應力-應變曲線（見圖5）。

2.3分析影響因素

    1)舊料混凝土摻入率

    為研究舊料摻人率對構件承載力的影響，設計新澆混凝土為C30，舊料亦為C30，摻入率分別為0%、30%和50%。試驗結果如圖6所示。當摻入30%時，屈服荷載由2252kN降至2178kN，下降3.3%；當摻入50%時，屈服荷載由2252kN降至2078kN，下降7.7%。由此可見，在混凝土中摻入同強度舊料混凝土，方鋼管-包容型再生混凝土柱的屈服承載力隨著舊料摻入量增加而呈下降趨勢，下降幅度可在10%以內。

在新拌混凝土中分別摻入30%的C20、C30和C40舊料，制作試件。如圖7所示，三種試件分別與對比試件相比：①當舊料強度為C40時，試件屈服荷載由2481kN降至2474kN，下降0.3%；②當舊料強度為C30時，試件屈服荷載由2481kN降至2457kN，下降1%；③當舊料強度為C20時，試件屈服荷載由2481kN降至2168kN，下降12.6%。由本組試驗結果可見，在混凝土中摻入舊料混凝土為C40和C30時，柱的屈服承載力略有下降，降幅約在5%以內；舊料強度為C20時，試件承載力下降幅度皆超過10%，但在15%以內。

  2)舊料混凝土強度

  在膨脹劑摻入量、縱向鋼筋配置和舊料摻入率皆相同的前提條件下，僅改變舊料混凝土的強度，即

    3)膨脹劑摻入量

    如圖8所示，在同樣摻入30%的C30舊料前提下，試驗分別摻入水泥重量的0%、5%和10%膨脹劑。方鋼管．包容型再生混凝土柱試件中：當摻人5%膨脹劑時，屈服荷載由2178kN增加至2213 k N，提高1.6%；當摻入10%膨脹劑時，屈服荷載由2178kN增加至2274kN，提高4.4%。試驗表明：膨脹劑的摻入，能夠增加構件承載力，但是，當摻量為水泥用量的5%時，承載力提高不夠明顯；當摻量達10%時，承載力可以提高較多，增加幅度接近5%。

    4)鋼筋配置

    其他條件相同的前提下，在方鋼管-包容型再生混凝土柱中配置縱向鋼筋，試件屈服承載力的變化情況詳見表6。試驗結果表明，試驗柱中配置縱向鋼筋后，承載力的增加量與所配縱筋名義承載力基本接近。

3  軸壓理論分析

3.1公式推導

1)方鋼管-包容型再生混凝土的極限承載力N

2)再由試件受力（見圖9）平衡和簡化的

3)由試驗數據回歸，表達式中的待定參數，并結合《鋼管混凝土結構技術規范》(GB50936-2014)所給的公式形式，可以獲得方鋼管一包容型再生混凝土柱承載力實用計算公式：

    4)當配置縱向鋼筋時，方鋼管-包容型再生混凝土柱的承載力計算公式可表達為：3.2公式驗證

    為驗證所推導公式的適用性，將11根試驗柱的實測屈服荷載試驗值與公式計算結果進行比較（見表7）。可以看出，公式計算結果與試驗實測結果的比值在0. 914~0.995之間，比值的平均值為0. 965，標準差為0.028。公式計算結果與試驗結果吻合較好，說明本文所提供的實用公式可以用于方鋼管-包容型再生混凝土柱的承載力計算，并且計算結果較試驗實測值小些，具有一定的安全儲備。

4  結語

    通過對11根試驗柱的軸壓承載力試驗研究與理論分析，可獲得以下主要結論：

    1)在方鋼管約束的情況下，包容型再生混凝土柱具有良好的軸壓承載力。包容型再生混凝土中所摻入同強度的舊料混凝土，舊料摻入率可達50%，試驗柱的屈服承載力略有下降，降幅可在10%以內；摻入較低強度的舊料時，舊料摻入率為30%，試件承載力下降稍大，但不超過15%。試驗表明此類包容型再生混凝土構件具有良好的應用前景。

    2)在增加方鋼管-包容型再生混凝土柱承載力措施方面，膨脹劑摻入量達水泥用量10%時，效果才稍明顯，承載力增加值接近5%；配置縱向鋼筋可有效提高試件承載力，增加量與縱筋名義承載力基本接近。

    3)基于試驗研究和理論推導，考慮舊料混凝土摻入率、舊料混凝土強度、膨脹劑摻入量和鋼筋配置等影響因素，提出方鋼管-包容型再生混凝土柱承載力實用計算公式，可為工程應用提供有益的參考。