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圓鋼管再生混凝土軸壓短柱對比試驗研究

對不同截面形式和不同混凝土類型的6根圓鋼管混凝土試件進行試驗研究,并對其軸力一縱向應變全過程進行模拟,其中截面形式有圓實心、圓套圓中空夾層、圓套方中空夾層3種,混凝土類型包括普通混凝土和再生混凝土(再生粗骨料取代率爲50%)兩類。結果表明:截面形式對圓鋼管再生混凝土試件的彈性模量、軸壓強度和後期延性有一定影響;在達到極限承載力之前,兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓剛度及外鋼管的橫向應變發展規律基本相同;在達到極限承載力之後,圓鋼管再生混凝土試件的延性和後期承載能力均不如相應的圓鋼管普通混凝土試件;有限元計算得到的試件的極限承載力和前期剛度與試驗結果吻合較好。

随着我國城鎮化步伐的加快,建築行業對混凝土的需求量以及建築廢棄混凝土的排放量在逐年增長。廢棄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,生産再生混凝土并将其應用到新的建築物上,不僅能降低建築成本,節約天然資源,緩解骨料供求矛盾,還能減輕廢棄混凝土對環境的污染,這對于保護環境、節約資源和實現建築業的可持續發展意義重大。然而,相比普通混凝土,再生混凝土的強度和彈性模量較低且耐久性較差,不利于在實際工程結構中應用。
将再生混凝土填充于鋼管中得到的鋼管再生混凝土,由于鋼管的約束效應,再生混凝土的強度得到提高,而再生混凝土的存在又阻礙了鋼管的局部屈曲,使其在滿足較高極限承載力的同時,又具有綠色環保的特點,這爲再生混凝土的合理利用提供了有效途徑。國内外學者已經對鋼管再生混凝土結構做了大量的研究,但是關于中空夾層鋼管再生混凝土力學性能的研究報道并不多見。董江峰等分别對圓、方中空夾層鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學性能進行了試驗研究,主要研究了再生粗骨料取代率對試件極限承載力的影響。鑒于結構形式和受力性能的相似性,可以借鑒中空夾層鋼管普通混凝土構件的分析方法對其進行研究。
本文拟通過試驗和有限元模拟來研究不同截面形式圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學性能。分别設計了圓實心鋼管再生混凝土、圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土、圓套方中空夾層鋼管再生混凝土(再生粗骨料取代率爲50%)及圓實心鋼管普通混凝土、圓套圓中空夾層鋼管普通混凝土、圓套方中空夾層鋼管普通混凝土試件各1根,對其進行軸壓力學試驗,對試件的破壞形态、軸力.縱向應變曲線、平均應力一應變關系曲線以及外鋼管的橫向應變發展規律進行對比分析。最後,将有限元模拟結果與試驗結果相互比較,以此驗證兩者的正确性。

1.  試驗概況

1.1 試件設計及制作

本試驗通過變化截面形式和混凝土類型設計了兩個系列共6根鋼管混凝土短柱試件,系列1包括:圓實心鋼管再生混凝土( C-S-R)、圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土( CC-DS-R)、圓套方中空夾層鋼管再生混凝土( CS-DS-R)共3根試件;系列2包括:圓實心鋼管普通混凝土( C-S-N)、圓套圓中空夾層鋼管普通混凝土( CC-DS-N)、圓套方中空夾層鋼管普通混凝土( CS-DS-N)共3根試件,試件截面示意圖如圖1所示。試件的外鋼管均采用同種尺寸和強度的圓鋼管,并且試件中填充的普通混凝土和再生混凝土的強度相等。表1列出了試件的實際參數,其中Do,Di分别爲外鋼管、内鋼管直徑;B1爲方鋼管邊長;to,ti分别爲外鋼管、内鋼管壁厚;L爲試件長度;X爲空心率,X=Di/(Do-2to)(圓套方中空夾層試件X= Bi/(Do-2t));ao爲名義含鋼率,an=Aso/Ace,其中Aso爲外鋼管的截面面積,Ace爲外鋼管内部所包含的面積;ξ爲約束效應系數,ξ=anfyo/fck,其中fy。爲外鋼管屈服強度,fck爲混凝土軸心抗壓強度标準值;Nue爲試驗實測軸壓極限承載力;Nuc爲有限元計算軸壓極限承載力。
試驗中采用的圓鋼管爲直縫焊管,方鋼管由4塊鋼闆焊接而成。采用人工拌制混凝土,普通混凝土的用料包括水、普通矽酸鹽水泥(P.0 42.5)、中砂、普通碎石(4. 75~ 31. 5mm連續粒級),其重量配合比爲水泥:水:中砂:普通碎石= 424.5:157.8:590.5:1194.1;對于再生混凝土,再生粗骨料取代率爲50%,其他材料用量與普通混凝土相同,其配合比爲水泥:水:中砂:普通碎石:再生粗骨料=424. 5:157. 8:590.5:597: 597。再生粗骨料由廢棄的鋼筋混凝土偏壓柱試件(原強度等級爲C50)經人工破碎、篩分後獲得,其壓碎指标爲18.  32%,粒徑爲4. 75~31. Smm連續粒級,并且各項指标均符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)的要求。鋼管材性由拉伸試驗确定,混凝土強度由與試件同條件成型養護的邊長爲150mm的立方體試塊按标準試驗方法測得,材性試驗結果見表2,3。
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1.2 加載方式及測點布置

試驗在500t壓力試驗機上(配有500t壓力傳感器)進行,試驗時将試件放在壓力傳感器上,進行軸壓試驗,采用分級加載制度。試驗過程中在試件的下端對稱設置了4個百分表以測定試件的縱向總變形,同時在試件中部截面鋼管的外表面對稱設置了縱、橫向應變片各4枚,以觀測試件在受力過程中應變的變化情況,試驗數據由東華DH3815數據采集儀采集,荷載值從壓力傳感器儀表讀取。
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2.  破壞形态比較

試驗後圓鋼管混凝土短柱的整體破壞形态見圖2。由圖2可見,6根試件的橫截面尺寸顯著增大,柱體外形已發生嚴重皺曲,均表現出斜剪破壞特征。通過對比可知,3種截面形式的試件的破壞形态基本一緻,圓鋼管再生混凝土試件的破壞形态與對應的圓鋼管普通混凝土試件類似,截面形式和混凝土類型對試件整體破壞形态的影響不大。
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3.  試驗結果分析

3.1 軸力一縱向應變關系曲線

3.1.1 不同截面形式的對比

圖3給出了3種截面形式的圓鋼管再生混凝土短柱的軸力一縱向應變(N-ε)關系曲線。由圖3可知:1)當施加的軸力較小時,試件變形微小,N-ε關系曲線爲一直線,在此階段,試驗中3根圓鋼管再生混凝土試件的軸壓剛度相差不大;2)當外鋼管的應變達到其屈服應變0. 001 8時,N-ε關系曲線進入彈塑性階段,此時試件的軸壓剛度均有所降低;3)試件達到極限承載力時,2根中空夾層鋼管再生混凝土試件的極限承載力(表1)接近,實心鋼管再生混凝土試件的極限承載力大一些;4)在N-ε關系曲線進入下降段後,試件外鋼管向外鼓屈,管内混凝土被壓碎,中空夾層試件的内鋼管向内凹曲,在此階段,3根圓鋼管再生混凝土試件均表現出一定的後期承載能力和延性,但試件CS-DS-R的延性要好于C-S-R和CC-DS-R,這是由于試件最終的破壞特征均爲斜剪破壞,而方鋼管在加載後期抵抗斜剪變形的能力要強于圓鋼管的緣故。可見,截面形式對圓鋼管再生混凝土短柱的後期延性有一定影響,但3種截面形式的圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的N-8關系曲線的整體變化趨勢是一緻的。
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3.1.2 不同混凝土類型的對比

圖4比較了圓鋼管再生混凝土短柱與圓鋼管普通混凝土短柱的N-ε關系曲線。通過對比可知:1)在彈性階段,兩種混凝土類型試件的N-8關系曲線基本重合,即混凝土類型對試件前期軸壓剛度的影響不大;2)在彈塑性階段,除試件C -S-R和C-S-N的N-8關系曲線偏離較大外,另外兩組試件CC -DS-R/N和CS-DS-R/N的N-ε關系曲線也大緻重合,并且不同混凝土類型的2根圓中空夾層鋼管混凝土試件的極限承載力也基本相同;3)進入下降段後,兩種混凝土類型試件的N-8關系曲線開始逐漸分離,圓鋼管普通混凝土試件的N-8關系曲線下降較爲平緩,而圓鋼管再生混凝土試件的N-ε關系曲線下降更陡一些,鋼管普通混凝土試件的延性性能和後期承載能力要優于鋼管再生混凝土試件,這主要因爲,與普通混凝土相比,再生混凝土本身就存在一定的初始細微裂紋,在試件達到極限承載力後,再生混凝土裂縫在前期損傷的基礎上繼續擴展,且發展迅速,從而導緻其延性較差,後期承載能力較低。

3.2 平均應力.應變關系曲線

将圖3中試件所承受的軸力Ⅳ除以試件的橫截面面積Asc即得到圓鋼管再生混凝土試件的平均應力一應變(σ-ε)關系曲線,如圖5所示。同時取曲線上試件平均應力從0達到50%的實測軸壓強度σo時的直線段,通過線性拟合得到圓鋼管再生混凝土試件的實測組合彈性模量Esc其具體數值及試件實測軸壓強度列于表4,其中R2爲表示線性拟合程度的指标,接近于1,可靠度較高。由圖5和表4可見,圓鋼管再生混凝土試件的σ-ε關系曲線的發展趨勢與N-ε關系曲線相同,與實心鋼管再生混凝土試件相比,由于内鋼管的存在,中空夾層鋼管再生混凝土試件的組合彈性模量和軸壓強度提高顯著。本次試驗中,試件CS-DS-R的組合彈性模量較大,而試件CC-DS-R的軸壓強度較大。
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3.3 橫向應變發展規律

3.3.1 不同截面形式的對比

圖6給出了圓鋼管再生混凝土試件的N/Nue-εL關系曲線,其中8L爲試件外鋼管的橫向應變。可見,試件C-S-R外鋼管橫向應變發展要快于試件CC-DS-R和CS-DS-R,試件達到極限承載力時,其對應的外鋼管的橫向應變較大,這是因爲在軸壓力下,相比于中空夾層鋼管再生混凝土試件,實心鋼管再生混凝土試件中混凝土向外的鼓脹力較大;兩根中空夾層鋼管再生混凝土試件的橫向應變發展規律基本相同,内管截面形式對外鋼管橫向應變發展規律的影響不大。
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3.3.2 不同混凝土類型的對比

圖7對比了兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的N/Nue-εL關系曲線,可以看出,受荷前期,鋼管再生混凝土試件與鋼管普通混凝土試件外鋼管橫向應變的發展過程大緻相同;在達到極限承載力時,試件C-S-R,C-S-N外鋼管對應的橫向應變分别爲13 397×10-6,9 992×10-6,試件CC-DS-R, CC-DS-N外鋼管對應的橫向應變分别爲7 426×10-6.5 383 xl0-6,試件CS-DS-R,CS-DS-N外鋼管對應的橫向應變分别爲7 717×10-6,4 606×10-6,可見在達到極限承載力時,鋼管再生混凝土試件對應的橫向應變要大于鋼管普通混凝土試件,産生此現象的原因是:由于再生混凝土初始缺陷的存在,在試件進入彈塑性階段後,其裂縫擴展的程度要比普通混凝土大,由此産生的作用于外鋼管上的徑向力較大,這也就導緻了達到極限承載力時,鋼管再生混凝土試件外鋼管的環向變形更大一些。

3.4 軸壓力學性能比較

爲了綜合比較不同截面形式和混凝土類型的圓鋼管混凝土短柱的軸壓力學性能,表5列出了試件的各項軸壓力學性能指标,其中εue爲極限承載力時試件對應的極限壓應變;Nr,εr分别爲軸力一縱向應變曲線中下降段最低點對應的軸力和應變;y=Nr/Nue,爲衡量試件後期承載能力的指标;SI爲承載力提高系數(SI=Nue/Nue,Nuo= fyoAso+fcAc+fyiAsi,其中fyi,fyo,fc分别爲内外鋼管和混凝土的實測強度,見表2,3,Asi,Aso,Ac分别爲内外鋼管和混凝土的橫截面面積);β爲衡量圓鋼管混凝土試件中混凝土強度提高程度的系數,本文稱之爲混凝土強度提高系數(β= f/fc,fe=(Nce- fyoAso- fyiAsi)/Ac)。
由表5可以看出:1)通過比較極限壓應變εue,并結合圖4和圖7可知,在試件達到極限承載力之前,兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓力學性能基本相同;2)對比Nr,εr和y可見,鋼管再生混凝土試件在加載後期的延性和後期承載能力均不如相應的鋼管普通混凝土試件,對比中空夾層鋼管混凝土試件,可知試件CS-DS-R,CS-DS-N的延性和後期承載能力均要好于試件CC-DS-R,CC-DS-N;3)鋼管再生混凝土試件的SI和β均大于1,并且與鋼管普通混凝土試件的對應值相差不大,這表明将再生混凝土應用于鋼管混凝土結構是可行的,由于鋼管的約束,其自身力學缺陷得到一定程度的克服,試件的整體極限承載力和鋼管内混凝土的強度都有很大程度的提升,并且将再生混凝土應用于實心鋼管混凝土結構,提高幅度最大。這是由于,對于中空夾層試件而言,其截面中心爲空鋼管,受力過程中内鋼管發生向内的凹曲變形,以緻于内、外鋼管對混凝土的約束作用要弱于實心試件中外管對混凝土的約束作用。

4. 有限元計算結果與試驗結果比較

利用有限元軟件ABAQUS對6根鋼管混凝土軸壓短柱的N-ε關系曲線進行模拟。混凝土和内、外鋼管均采用八節點縮減積分格式的三維實體單元( C3D8R);鋼材的本構關系采用塑性分析模型;混凝土的本構關系采用塑性損傷模型,對于普通混凝土,采用劉威改進後的應力一應變關系模型,對于再生混凝土,采用楊有福提出的再生混凝土的應力.應變關系模型,混凝土的受拉本構關系采用能量破壞準則即應力一斷裂能的關系模型來描述;采用全構件建模,構件一端固定,另一端爲加載端。
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将計算所得N-8關系曲線與試驗實測曲線進行比較,如圖8所示。可見,對于圓鋼管普通混凝土構件,有限元計算曲線與試驗曲線吻合較好;對于圓鋼管再生混凝土構件,在N-8關系曲線進入下降段後,計算曲線與試驗曲線存在一定偏差,尤其是在構件縱向應變達到0.02後,兩條曲線偏離較明顯,這可能是由于本文所采用的再生混凝土本構關系模型對再生混凝土加載後期裂縫擴展迅速而導緻承載能力下降較快的情況考慮不足引起的,但對構件加載前期的模拟仍具有一定的參考意義。表1列出了試件軸壓極限承載力計算值Nuc與試驗實測值Nue,Nuc/Nue的平均值爲0. 983,均方差爲0.023,可見有限元計算所得的試件的極限承載力和前期剛度與試驗結果吻合較好,試驗和有限元結果的正确性互爲驗證。

5.  結論

  •  (1)截面形式和混凝土類型對圓鋼管混凝土試件的整體破壞形态影響不大。
  •  (2)不同截面形式對圓鋼管再生混凝土軸壓試件的後期延性有一定影響,圓套方中空夾層鋼管再生混凝土試件的延性要好于圓實心鋼管再生混凝土試件和圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土試件。
  •  (3)試件達到極限承載力之前,兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓剛度及外鋼管的橫向應變發展規律基本相同;達到極限承載力之後,鋼管再生混凝土試件的延性和後期承載能力均不如相應的鋼管普通混凝土試件。
  •  (4)與圓中空夾層鋼管再生混凝土試件相比,圓實心鋼管再生混凝土試件中再生混凝土的強度提高幅度較大。
  •  (5)有限元計算所得的圓鋼管混凝土試件的極限承載力和前期剛度與試驗結果吻合較好,試驗和有限元結果的正确性互爲驗證。
  •  (6)從環保角度,建議采用鋼管再生混凝土構件;從制造安裝角度,實心鋼管混凝土更加便于施工,中空夾層鋼管混凝土還需固定内鋼管;在造價方面,中空夾層鋼管混凝土雖然在用鋼量上有所增加,但其自重減輕,尤其是截面尺寸較大時,重量減少更爲顯著,可以有效降低地基的負荷,減少工程造價,更适合大截面尺寸的構件,并且中空夾層鋼管混凝土的抗彎、抗震性能以及耐火性能均比實心鋼管混凝土要好。在實際工程中,可根據具體工況選擇适宜的截面形式。
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