方钢管再生混凝土的界面力学行为研究.pdf

第 4 6卷第 1 期 2 0 1 5年 1月 、 ， o l J 4 6 No 1 J a n 2 0 1 5 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y t 6 5 方钢管再生混凝土的界面力学行为研究 李卫宁 ，徐金俊 2 ，陈宗平 2 ( 1 广西交通职业技术学院，5 3 0 0 2 3 ，南宁；2 广西大学 土木建筑工程学院，5 3 0 0 0 4 ，南宁 ) 摘要：通过以再生粗骨料取代率为变化参数 ( 0 ，2 5 ，5 0 ，7 5 和 1 0 0 )，进行方钢管再生混 凝土试件的推出试验，研究其界面粘结作用行为。结果表明，加载端和 自由端的荷载 一滑移曲线相似，但 加载端的初始滑移发展相对较早 ；荷载上升段的钢管纵向应变以负指数函数分布；下降时则呈线性分布，取 代率为 5 0 时，方钢管再生混凝土界面耗能能力为最大。 关键 词 ：方钢管再生混凝土 ；粘结 ；强度 中图分类号 ：T U 3 9 8 9 文献标志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 0 6 5 - 0 3 RES EARCH ON THE I NTERF ACE M ECHANI CAL ACTI ON BET 、WE EN S QUARE S TE EL T UB E AND RECYCLED AGGREGATE CONCRETE L I We i - n i n g ，X U J i n - j u n ，C H E N Z o n g p i n g ( 1 G u a n g x i V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f Co mmu n i c a t i o n s ，5 3 0 0 2 3 ，Na r mi n g ，C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g and Ar c h i t e c t u r e ，Gu ang x i U n i v e r s i t y，5 3 0 0 0 4 ，Na uni n g，Ch i n a ) Abs t r a c t ： Re c y c l e d a g g r e ga t e c o nc r e t e f i l l e d s q u a r e s t e e l t ub e s ho r t c o l u mn s we r e pu s h e d o u t t o r e s e a r c h t he i r i n t e r f a c e bo n d m e c h a ni c a l a c t i o n wi t h t he pa r a m e t e r o f r e c y c l e d c oa r s e a gg r e g a t e r e p l a c e me n t r a t e ( 0 ， 2 5 ， 5 0 ， 7 5 a n d 1 0 O )T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e we r e s o me s i mi l a r i t i e s o f Lo a d s l i p s b e t we e n l o a d i n g e n d a n d f r e e e n d ，b u t t h e i n i t i a l s l i p o f l o a d i n g e n d d e v e l o p e d f a s t e r t h a n t h a t a t t h e f r e e e n d L o n g i t u d i n a l s t r a i n o f s t e e l t u b e i n t h e l o a d r i s i n g p e r i o d wa s e x p r e s s i n g a n e g a t i v e e x p o ne n t i a l di s t r i b u t i o n，wh i l e i t wa s a l i n e a r d i s t r i b u t i o n i n t h e l o a d d e c l i n e p e r i o d W h e n r e p l a c e me n t r a t e i s 5 0 ，t h e i n t e r f a c e e n e r g y d i s s i p a t i o n o f RACFS ST i s t h e l a r g e s t Ke y wo r ds ： RACFS S T；bo n d；s t r e n g t h 再生混凝土主要是将废弃建筑垃圾以再生粗骨 料或细骨料的形式循环利用的混凝土，对于保护生 态环境极为有利， 符合建筑产业可持续发展的要求。 现有研究表明：再生粗骨料中的微裂纹和原始水泥 基体作为影响再生混凝土力学性能和耐久性能的两 大因素，是限制再生混凝土应用的根源。钢管混凝 土作为钢 混凝土组合结构的一种形式，因其具有高 承载能力和良好抗震性能的优点，已在国内外得到 越来越广泛的应用。从本质上讲，利用外包的钢管 可有效克服再生混凝土的部分缺陷、实现再生混凝 土的扩大应用 t ,z l ；实际结构中，钢管与混凝土间的 粘结力是保证结构核心区有效传力的基础，其意义 不亚于单个构件承载能 力。本文着眼于方钢管再生 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 8 1 3 基金项 目：“ 八桂学者 ” 建设工程专项经费资助；广西自然科学基 金项 目资助 ( 2 0 l 2 G x N s F A A0 5 3 2 0 3 )；广西科技攻关项 目资助 ( 桂科攻 1 2 1 1 8 0 2 3 3 )；广西理工科学实验 中心重点项 目资助 ( L GZ X2 0 1 1 0 2) 作者简介：陈宗平 ( 1 9 7 5 一 )，男，广西玉林人，博士，教授，博士 生导师 ，e _ ma i l ：z p c h e n g x u e d u c n 混凝土之间的粘结作用行为，通过试验研究其粘结 强度，为今后的工程设计提供技术参考。 1 试验概况 1 1 试件材料 所用再生粗骨料源 自废弃混凝土构件 ( 使用年 限达 5 0 年之久 )， 按标准方法经过人工破碎、筛分、 清洗及晾干等处理后备用 ；天然与再生粗骨料粒径 均控制在 5 0 3 1 5 m m之间。再生粗骨料取代率共分 为 5 种 ：即 0 ，2 5 ，5 0 ，7 5 和 1 0 0 ，配合比 见表 1 。文中再生粗骨料取代率定为 0 的再生混凝 土为普通混凝土，并以此作为强度设计的基准配合 比。方钢管采用直缝钢管，按标准试验方法对其力 学眭能指标进行测试， 所得实测结果见表 2 。 表 1 混凝土设计配合 比 k g m 建筑技术 第 4 6卷第 1 期 表 2 方钢管的力学性能指标MP a 钢管型号 屈服强度 极限强度 弹陛模量 E l 2 Omm x 1 2 0 F il m 3 0 3 2 7 3 9 4 O 9 1 9 2 6 l 0 方钢管 1 2 试件设计及制作 为考察再生粗骨料取代率对方钢管与再生混凝 土接触界面组合力学行为的影响，设计并制作 5 个 方钢管试件 ，相关参数 见表 3 。试件制作时 ，在方钢 管一端预 留一段空钢管 ，命名为 自由端 ；另一端 则 保证混凝土与方钢管截面齐平，命名为加载端。依据 标准试验方法预留边长为 1 5 0 m m的混凝土立方体试 件 ，实测立方体抗压强度 见表 3 ，其中试件 1 因 仪表打滑未能采集后期应变分布。 表 3 方钢管再 生混凝土试件设计参数 试件编号 1 2 3 4 5 几何尺寸 B x B mm 2 0 x 1 2 O 粗骨料取代率 O 2 5 5 0 7 5 l 0 0 混凝土强度等级 C 5 0 实测强度 MP a 5 8 5 O 5 9 2 0 5 7 6 0 5 6 8 0 5 5 5 0 界面埋置长度 L J mm 2 6 0 实删粘结强度 MP a O 7 2 0 7 4 0 8 2 O 8 8 1 3 加载装置与加载制度 采用 R MT - 2 0 1 试验机进行试件 的推 出试验 ，按 位移 控制的加载制度进行加载 。加载时 ，在加载 端 混凝土面与试验机压力板之间设一边长略小于方钢 管内边长的钢板，从而将试件内的混凝土柱推出方 钢管 。 2 试 验结果及分析 2 1 荷载 滑移曲线 通过试验设备自动采集的试件加载端和 自由端 荷载 滑移曲线如图 1 所示。由图 1 可知，方钢管再 生混凝土荷载 一 滑移曲线具有以下特点。 ( 1 )试件的荷载 滑移 曲线主要呈现为无滑移 阶段 、起滑后的荷载上升段、峰值点、下降段、再 次上升段、第二次到达峰值点和下降段等，且第二 次峰值点较第一次峰值点小。 ( 2 ) 试件加载端的初始滑移比自由端发展得早， 在达到最大荷载时，自由端才出现初始滑移。 9 0 8 O 7 0 6 0 至 5 0 4 0 控 3 0 2 0 1 0 滑移 S mm 图 1 荷载 一 滑移曲线 2 2 应变分布 图 2 为试件 5 在推出荷载作用下，其荷载达峰 值前和过峰值后，方钢管钢管壁竖向应变沿核心混 凝土埋置长度方向上的分布情况，其中各曲线表示 在不同荷载等级下 、不同埋置长度上的应变值 。 2 钥 管外壁纵向应变分布规律 ( a )上升段； ( b )下降段 通过观察图 2( a ) 可知，试件沿界面埋置长度 的钢材应变在加载初期主要呈现出指数函数形式 ， 因此通过拟合后得到表达式如下： ,f fs ， x=ES ,m axe ( 1 ) 如 如 册 一 一 足 她界钕 渤 s蓦 瑚 度 距 如 如 一 0 0 4 4 一 尽 她器椒 2 0 1 5年 1月 李卫宁，等 ： 方钢管再生混凝土 的界面力学行为研究 6 7 式中： s 为试件沿埋置长度方向上，在方钢管 表面某一位置处的钢材应变；s 为在试件 自由端 处，方钢管管壁的最大钢材应变；k 为拟合系数。 比较图 2 ( a ) 和 ( b) ， 发现 当外荷载逐级提高后 ， 沿试件埋置长度方向上钢材的应变分布情况由曲线 形态向直线形态发展。因此，本文认为方钢管与再 生混凝土界面达到临界粘结破坏时，界面粘结应力 沿埋置长度已变得均匀，即 ( ) = ；因此，方钢管 的应变为： r L e ，L e f 、， ) c j r ( ， 式中：r ( )为方钢管与再生混凝土的界面粘结 应力；E s 为方钢管弹f生 模量；c 为方钢管横截面内边 周长； t 为方钢管壁厚度； a = a L 。 ( tE ) ， 6 = 一 ( ) 。 2 3 粘结应力 由于粘结力的传递须经过一段距离，由此导致 加载端和自由端在方钢管壁上的应变值不同，因此 产生钢管的应变梯度。通过力学平衡条件，可获取 试件沿界面长度方向的粘结应力分布规律 ： f = As d o s x ： a s E s警 ( 3 ) C d C d 式 中： 为方钢管横截面积 ；d x d x ， 出 x 分 别为沿埋长方向的方钢管截面正应力增量和正应变 增量 。 由式 ( 3 ) 可知，方钢管再生混凝土的粘结应力 是其纵向应变随位置变化的一阶微分。如前所述，加 载初期方钢管应变分布近似负指数函数，表明粘结应 力按负指数增长；加载末期的应变表现为线性分布， 可见此时的粘结应力沿界面埋长内均匀分布。 为明确方钢管与再生混凝土的粘结强度能否满 足已有规范规定的设计要求，现就各国关于矩形钢 管混凝土粘结设计强度的要求进行探讨。日 本规范 和我 国规范 4 】 规定矩形钢管混凝土的设计值分别为 0 2 2 5 MP a 和 O 1 5 MP a ；而英国规范 51 和欧洲规范规定 设计值均为 0 4 MP a ， 本文试验实测值均大于规范值， 因此可按照规范要求进行相关设计。 2 4 界面耗能能力 两材 料组合界面之间 的粘 结破坏 本质上是外力 对其做功进而导致能量的吸收和消耗。能耗的累积 是衡量方钢管与再生混凝土粘结作用逐步失效的重 要指标 ，可用耗能系数 卵 来表示： = S o P s , ( 4) 式中： s为过极限荷载 和最终滑移的直 线与纵横两坐标轴包围的矩形面积 ( 图 3 )；S O A R S 为荷载 一 滑移曲线与横坐标轴包围的面积 。 P 0 图 3 耗能面 积模 型 表 4 为试件的耗能系数分布情况，由表4 可知， 在再生粗骨料取代率达到 5 0 时，试件的粘结耗能 最大；而取代率为 O 时，试件的耗能能力总体比剩 余取代率下的试件强 。 表 4 粘结耗能系数 试 件 编 号I 1 2 3 l 4 l 5 耗 能 系 数l O 7 9 0 7 4 0 8 8 l 0 7 6 l 一 3 试 验结论 ( 1 )方钢管再生混凝土试件的加载端荷载 一 滑 移曲线和自由端荷载 滑移曲线具有相似性，但前者 的初始滑移比后者发展得早。 ( 2 )荷载上升时，方钢管纵向应变沿试件埋置 长度方向按指数函数分布；而荷载下降时，其应变 曲线按线性分布。 ( 3 )与相关设计规范相比，方钢管与再生混凝 土实测界面粘结强度大于规范设计要求。 ( 4 )取代率为 5 0 时，方钢管再生混凝土界 面耗能能力最大。 参考文献 1 】 吴波 ， 赵新字 ， 张金锁 薄壁圆钢管再生混合中长柱的轴压与偏 压试验研究 【 J 土木工程学报 ， 2 0 1 2 ， 4 5( 5 )： 6 5 7 7 2 】 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 3 】 AI J R e c o mme n d a t i o n s f 0 r d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e D Ar c h i t e c t u r a l I n s t i t u t e o f J a p a n ( A I J)， To k y o ：1 9 9 7 【 4 D B J 1 3 6 1 2 0 0 4 ，钢 一 混凝土 昆 合结构技术规程 【 s 】 5 】 BS 5 4 0 0 2 5 ： 2 0 0 5 S t e e l c o n c r e t e a n d c o mp o s i t e b r i d g e s P a r t 5 ： C o d e o f P r a c t i c e f o r t h e De s i g n o f Co mp o s i t e B fid g e s S B r i t i s h S t and a r d I n s t i t u f e ， 2 0 0 5 【 6 】 钟晓华，彭祖武 垃圾填埋场灌注桩施工处理技术 J 建筑技术， 2 0 1 3 ，4 4 f 2 ) ： 1 2 1 1 2 5