圆钢管钢纤维再生混凝土短柱轴压性能试验研究.pdf

2 0 1 6 年 第 1期 (总 第 3 1 5期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 6 ( T o t a l No 3 1 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 0 2 圆钢管钢纤维再生混凝土短柱轴压性能试验研究 张兆强 - 一 ，赵均海 。 徐羊 ( 1 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘要 ： 以钢纤维体积掺量为主要考察参数 ， 对圆钢管钢纤维再生混凝土短柱进行了轴心受压试验。 观察 了其受力全过程和破 坏形态 ， 得到 了荷载 一位移曲线和荷载 一应变曲线 ， 并研究了钢纤维体积掺量对其受力性能的影响。 结果表明： 圆钢管钢纤维再 生混凝土短柱的轴压破坏形态呈斜剪压破坏 ， 钢纤维 的掺量对其破坏形态几乎没有影响； 钢纤维的掺入对试件承载力的增强作 用并不明显 ， 当钢纤维体积掺量不超过 1 5 时， 试件承载力较未掺加钢纤维构件有小幅提高 ， 但当体积掺量超过 2 后 ， 因钢纤 维易结团、 混凝土和易性变差 ， 试件承载力反而出现降低 ， 且钢纤维体积掺量越大 ， 降幅也越大 ； 掺入钢纤维后 ， 试件延性显著改 善 ， 位移延性系数随钢纤维体积掺量的提高而增大； 为使试件同时获得较高的承载力和延性， 建议钢纤维的体积掺量取为1 0 - 1 5 ； C E C S 2 8 ： 2 0 1 2推荐计算式能很好地评定 圆钢管钢纤维再生混凝土短柱的承载力， 建议设计时采用 。 研究结果可为工程应 用提供参考。 关键词：圆钢管钢纤维再生混凝土 ； 轴压性能 ； 试验研究 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 0 5 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n a x i a l c o mp r e s s i o n b e h a v i o r o f s t e e l f i b e r r e i n f or c e d rec y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t ef i l le d c i r c u l a r s t e e l t u b u l a r s h o r t c ol u mn s ZHANG Zh a o q i a n g ， ZHAO J u n ha i ， XU Ya n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X i h n 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， S o u t h w e s t U niv e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a ) Abst r a ct ： Co ns i d e r i n g the v o l u me t r i c c o nt e nt o f s t e e l fib e r a s ma i n f a c t o r s ， the t e s t s o n s t e e l fib e r r e inf o r c e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t efil l e d c i r c ul a r s t e e l tub u l a r s h o r t c o l u mn s u n d e r a x i a l c omp r e s s i o n we r e c a r r i e d o u t By the t e s t s ， the wh o l e l oa d i ng p r o c e s s a nd f a i l u r e mo d e we r e o bs e r v e d t h e l o a dd i s p l a c e me n t c ur v e s an d l o a ds t r a i n c u r v e s we r e a l s o c a p t ur e d Th e i nflu e n c e of v o l u me t r i c c o n t e n t o f s t e e l fib e r o n the me c h a ni c al p r o p e r t y wa s an a l y z e d Th e r e s ult s i n dic a t e tha t the f a i l ure mo de o f all s p e c i me n s i s o b l i q u e s h e ar c o mp r e s s i on f a i l u r e， the s t e e l fib e r v o l u me t r i c c o n t e n t h a s n o i n f l u e n c e o n the f a i l u r e mo de o f s pe c i me ns The s t e e l fi be r v o l u me t r i c c o n- t e n t a l s o h a s n o o b v i o u s e f f e c t on s t r e n g t h e ni n g the b e a r i n g c a p a c i t y o f s p e c i me n s， whe n the s t e e l fibe r v o l um e t r i c c o n t e n t n o t e x c e e d i n g 1 5 ， the b e a r i n g c a p a c i t y o f s p e c i me n s i s s l i g h fl y i mp r o v e d c o mp are d wi th the n o ns t e e l fi b e r o n e s ， wh i l e the s t e e l f i b e r v o l u me t r i c c o n t e n t e x c e e ding 2， the b e a r i n g c a p a c i t y o f s p e c i me n s i s d e c r e a s e d c o mp a r e d wi th the n o ns t e e l fib e r o ne s ， be c a u s e the s t e e l f i be r c a n e a s i l y b e g o t t o g e the r ， an d ma k e the wo r k a b i l i t y o f c o n c r e t e wo r s e ， the mo r e the s t e e l fi b e r a d d e d ， the g r e a t e r be a r i n g c a p a c i ty d e c l i n e Th e d u c ti l i t y o f s pe c i me n s i s s i g n i fic a n t l y i mp r o v e d wh e n the s t e e l fi be r i s a d d e d， the dis p l a c e me n t d u c til i t y c o e ffic i e n t i n c r e a s e s wi th the s t e e l fi b e r v o l u me tr i c c o n t e n t I n o r d e r t o o b t a i n the h i g h b e a r i n g c a p a c i t y and d u c ti l i ty， i t i s r e c o mme n d e d t o t a k e the s t e e l fi b e r v o l u me t r i c c o n t e n t b e t we e n1 0 -1 5 ； the b e a r i n g c a p a c i ty o f s p e c i me n s c a l c u l a t e d b ythe s t a n d ardCE CS 2 8： 2 0 1 2wa sf o u n di n g o o d a gr e e me n t wi t h the e x pe rime nt a l r e s u l t s ， wh i c h wa s r e c omme n d e d t o u s e i n s t r u c t u r al de s i g n Th e r e s u l t s c a n b e u s e f u l r e f e r e n c e t o e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n Key wor ds： s t e e l fib e r r e i n f o r c e d r e c y c l e d a g gr e g a t e c on c r e t ef i l l e d c irc u l ar s t e e l tub e s ； a x i al c omp r e s s i o n b e h a v i o r ； e x p e r i me n t a l r e s e arc h 0 引 言 钢管再生混凝土是借鉴钢管普通混凝土 的工作机理 ， 将再生混凝土灌入钢管 中形成 ， 是钢管混凝土的一种推广 应用， 其利用钢管和再生混凝土在受力过程中的相互作用 使再生混凝土的强度和变形得到改善， 有利于提高再生混 凝土的应用层次和效率， 对促进废弃资源的再利用和环境 保护具有重要意义。 国内外学者 已对钢管再生混凝土纯弯性能 ， 长短柱试 件的轴压 、 偏压性能 ， 滞回性能 ， 界面黏结性能 ， 高温、 酸雨 和冻融环境下性能 ， 以及抗火性能等开展了大量 的研究工 作 ， 文献 1 1 、 1 2 还分别对钢管地聚物再生混凝土 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 0 8 基金项目： 国家自然基金资助项目( 5 1 3 0 8 4 7 9 ) ； 四川省教育厅资助项 目( 1 3 Z B 0 1 7 9 ) 5 短柱 和中空夹层钢管再生混凝土短柱 的轴压性 能进行 了 研究 。 研究结果表明 ， 钢管再生混凝土构件 与钢 管普通 混 凝土构件的力学性能相似 ， 但钢管再生混凝土短柱承载力 比相应的钢管普通混凝土有所降低， 核心再生混凝土性能 对整个 构 件 的性 能尤 其是 延 性 有着 显 著 的影 响。 文献 1 3 、 1 4 通过研究发现 ， 向钢管混凝土 中掺加钢纤维 可 较好地改善构件的性能( 特别是延性) 。 因此 ， 本试验借鉴 上述思路 ， 拟向再生混凝土 中掺加钢纤维形成钢管钢纤维 再生混凝土构件 ， 并通过试验研究其轴压性能 ， 分析钢 纤 维掺量对其性能的影响 ， 以进一步改善和提高钢管再生混 凝土构件的整体性能 ， 为工程应用提供参考。 1 试 验概 况 1 1 试件 的设计与制作 试验共设计了 1 1 个 圆钢管钢纤维再 生混凝土短柱试 件和 2个圆钢管再生混凝土短柱试件 ， 主要考察参数为钢 纤维体积掺量， 具体为 0 5 、 1 、 1 5 、 2 、 2 5 、 3 。 钢 管采用直缝钢管 ， 根据标准试验方法测得 的钢材强度指标 见表 1 。 内填 再 生 混 凝 土 原 材 料 为 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ( P O 3 2 5 R ) 、 普通 中砂 ， 粗骨料 由天然骨料和再生 粗骨 料 ( 由服役 3 0多年后的钢筋混凝土梁经人工破碎后获取 ) 组成 ， 粒径均为 5 2 5 m m。 再 生混凝 土配合 比为 ， 水泥： 砂： 粗骨 料： 水 =4 5 3 ： 5 6 0 ： 1 1 9 2： 1 9 5 ， 其 中再 生 粗 骨 料 8 9 4 k g ， 取代率为 7 5 ， 采用 自然养护法养护。 钢纤维采用 波形钢纤维 ， 尺寸为 0 7 m m 0 7 m m X 3 5 mm。 钢管底部 焊接尺寸为1 5 0 m m1 5 0 mm1 0 h i m 的厚钢板 ， 混凝土 自顶部灌入 ， 在振 动台上分 2层振捣密 实， 待混凝 土硬化 后 ， 用打磨机将构件顶端打磨平整。 试件参数如表 2所示。 表 1 钢材的力学性能 表 2 试件参数及部分试验结果 1 2 加载装置及 加载方式 试验采用 5 0 0 0 k N微机控制液压伺服压力试验机进 行加载 ， 加载装置如 图 1 所示。 轴 向压缩位移 由试验机 上 安装 的位移计适 时采集 。 为弄清试件在受力过程 中的变形 情况 ， 在各试件中部位置分别粘贴纵 向和横 向应变片 。 试 件采用力控制加载 ， 在小于 7 0 预计极 限荷载 时， 每级荷 载为预计极限荷载 的 1 1 0 ； 超过此范 围后 ， 每级荷载为 预 计极限荷载的 1 1 5 ， 每级加载稳 载 2 m i n ； 临近破坏 时， 连 续缓慢加载 ， 当试 件 承载力 降低至极 限承载 力 8 0 以下 时 ， 试验停止。 2 试验现象及破坏形态 试验得到了较好地 控制。 刚开始加 载时， 所有试件 表 面均无明显变化 ， 纵向变形很小 ， 试件处于弹性状态 。 当加 载到极限荷载的 8 0 9 0 左右 时， 钢 管壁上开始 出现掉 锈现象。 荷载继续增加 ， 试件的上端部 、 中部和底部的钢 管 壁局部鼓 起 ， 接近极 限荷 载时 ， 局部鼓 起 增大 ( 达 到 3 8 mm) 并扩展形成了多条呈螺线形的鼓 曲线 ， 并伴随有 响 6 声 ， 最后试件因钢管约束失效纵向变形过大而呈斜剪压破 坏 。 钢管剥离 后 ， 内部 混凝 土 的典 型破 坏状 态如 图 2所 示 。 从 图 2 可看出， 钢管鼓 曲处混凝土有脱落和破碎现象 ， 端面和其他部位混凝土无明显裂纹 ， 试件混凝土整体完 整 性较好， 主要是由于钢管对核心再生混凝土的约束作用， 使其强度和塑性得到提高。 全部试件破坏形态如图 3所 示 ， 从图 3可看出， 所有试件 的破坏形态相似 ， 显示钢纤维 的掺量对其破坏形态并无明显影响。 图 1 试验加载装置与现场 试件屈服时对应 的位移 。 各试件的延性系数见表 2 。 从表 2可以看 出： ( 1 ) 掺加钢纤维后 的试件位移延性系数较未掺加试件 显著提高， 最小提高约2 6 5 ， 最大提高达2 1 4 3 ； ( 2 ) 位移延性 系数 随着钢纤 维体积掺量 的增加 而增 大， 且当钢纤维体积掺量超过 1 5 后， 增幅变大； ( 3 ) 结合前述 3 1 节中的分析可知， 掺加钢纤维对试 件延性的影响较对试件承载力的影响更为明显 ， 为使试件 同时获得较高的承载力和延性， 建议钢纤维的体积掺量取 为 1 0 1 5 。 3 4 极 限承 载力计算 文献 1 5 通过计算 比较， 发现蔡绍怀 推荐计算式 能较好地评定 圆形钢管再生混凝土短柱的承载力 ， 计算 中 仅需考虑混凝土抗压强度和套箍系数两个因素， 而无需考 虑再生骨料取代率 ， 目前该计算式 已被 C E C S 2 8 ： 2 0 1 2 ( 钢 管混凝土结构技术规程 H 采纳 。 因此 ， 本试验亦采 用该 计算式来进行 圆钢管钢纤维再生混凝土短柱 的极 限承载 力试算 。 Uu = A G 厂 lrc k ( 1 + + 0 ) ( 2 ) 式 中： A 钢管内核心再生混凝土的横截面面积 ； 钢纤维再生混凝土轴心抗压强度标准值， ， fc k 0 6 7 f e k ， fc 钢纤维再生混凝土立方体抗压强度标准值； 套箍指标 ， 0 ： A S y A k ； A 钢管横截面面积 ； ， v 钢材屈服强度 。 计算结果 见表 2 ， 计算平 均误 差 为 0 0 1 5 ， 标 准差 为 0 0 0 9 ， 计算值与试验值吻合较好 ， 说 明该计算式仍能很好 地评定 圆钢管钢纤维再生混凝土短柱的轴压极 限承载力 。 由于钢纤维对试件承载力 的增强作用并不明显 ， 工程实践 中， 可以直接取相应 的基体 再生混凝土强度值 ， 但钢纤 维体积掺量不宜超过 2 ， 因为超过 2 后 ， 混凝土 质量难 以保证 ， 钢纤维易结 团、 使混凝土和易性变差 ， 试件承载力 易出现降低。 4 结 论 ( 1 ) 圆钢管钢纤维再生混凝土短柱的轴向受压破坏形 态呈斜剪压破坏 ， 钢纤维 的掺 量对其 破坏形 态无 明显影 响 。 ( 2 ) 钢纤维的掺入对圆钢管再生混凝土短柱受压承载 力的增强作用并不 明显 ， 当钢纤 维体积 掺量不 超过 1 5 时 ， 试件承载力有一定的小 幅提高， 但当体积掺量超过 2 后 ， 因钢纤维易结团、 混凝土和易性变差 ， 试件 承载力较未 添加钢纤维 的构 件反而 出现降低 ， 且 钢纤 维体积 掺量越 大 ， 降幅也越大 。 ( 3 ) 掺入钢纤维后 ， 试件延性得到显著改善 ， 试件位移 延性系数随钢纤维体积掺量的提高而增大， 为使试件同时 获得较高 的承 载力和延性 ， 建 议钢纤 维 的体 积掺 量取为 1 01 5 。 R ( 4 ) C E C S 2 8 ： 2 0 1 2 ( ( 钢管混凝土结构技术规程 推荐 计算式能很好地评定 圆钢管钢纤 维再生混凝土短柱 的承 载力 ， 计算时核心钢纤维再生混凝土强度可取相应 的基体 再生混凝土强度值。 参考文献： 1 K O N N O K， S A T O Y， K A K U T A Y， e t a 1 P r o p e r t y o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o l u mn e n c a s e d b y s t e e l t u b e s u b j e c t e d t o a x i a l c o rn p r e s s i o n J T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n C o n c r e t e I n s ti t u t e ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 3 1 2 3 8 2 杨有福 钢管再生混凝土构件受力机理研究 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 7 1 2 1- 3 肖 建庄， 杨洁， 黄一杰， 等 钢管约束再生混凝土轴压试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 9 2 9 8 r 4 邱慈长 ， 王清远， 石宵爽 ， 等 薄壁钢管再生混凝土轴压试验研 究 J 试验力学 ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 1 ) ： 9 1 5 E 5 张向冈， 陈宗平， 薛建阳 ， 等 钢管再生混凝土轴压长柱试验研 究及力学I性能分析 J 建筑结构学报， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 1 2 2 0 r 6 黄一杰， 肖建庄 冈 管再生混凝土柱抗震性能与损伤评价 J 同济大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 3 ) ： 3 3 0 3 3 5 r 7 陈宗平， 徐金俊 ， 郑华海 钢 一再生混凝土界面黏结机制及强 度计算方 法 J 应 用基础 与工 程科学 学报 ， 2 0 1 4 ， 2 2 ( 2 ) ： 3 5 03 6 3 8 陈宗平， 徐金俊 ， 薛建阳 取代率对钢管再生混凝土短柱轴压 性能退化的影响分析r J 试验力学 ， 2 0 1 4 ， 2 9 ( 2 ) ： 2 0 7 2 1 4 9 3刘轶翔， 查晓雄 钢管再生； 昆 凝土柱承载力及抗火性能研究 J 建 筑钢结构进展 ， 2 0 1 2 ， 1 4 ( 3 ) ： 4 8 5 2 1 0 鲁军凯， 查晓雄 冈 管再生混凝土的抗冻耐久性研究 J 建筑 钢结构进展， 2 0 1 2 ， 1 4 ( 3 ) ： 5 3 5 9 1 1 石宵爽， 王清远， 龙涛， 等 冈 管地聚物再生混凝土短柱轴压荷 载下的试验研究 J 工程力学， 2 0 1 4 ， 3 1 ( 增刊) ： 6 5 7 2 1 2 董江峰， 袁书成， 侯敏， 等 中空夹层钢管再生混凝土短柱受压 性能分析r J 建筑材料学报 ， 2 0 1 4 ， 1 7 ( 4 ) ： 6 2 7 6 3 3 1 3 卢亦焱， 陈娟， 李杉 钢管钢纤维高强混凝土短桂轴心受压试 验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 6 6 1 7 2 1 4 陈娟， 卢亦焱 冈 管钢纤维混凝土结构的性能研究 J 四川建 筑科学研究， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 1 ) ： 6 7 6 9 1 5 陈娟， 曾磊 冈 管再生混凝土短柱轴压力学性能试验 J 兰州 理工大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 3 ) ： 1 1 2 1 1 6 1 6 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 H0 3 1 7 中国工程建设协会标准 钢管混凝土结构技术规程： C E C S 2 8 ： 2 0 1 2 s 北京 ： 中国计划出版社， 2 0 1 2 第一作者： 联 系地址 ： 联系电话 ： 张兆强( 1 9 8 1一) ， 男， 博士研究生， 副教授， 研究方 向 为钢 一 混凝土组合结构。 绵阳市涪城区青龙大道中段 5 9 号( 6 2 1 0 1 0 ) 1 3 45 8 0 2 4 3 9 0