钢管再生混凝土短柱偏压性能实验.pdf

大 庆 石 油 学 院 学 报 J OuRNAL OF DAQI NG PETROLEUM I NS TI TUTE 第 3 5卷 第 5期 2 0 1 1 年 l O月 Vo 1 3 5 No 5 Oc t 2 0 1 1 钢管再生混凝土短柱偏压性能实验 张卫东 ，王振波 ，丁海军 (I 宿迁学院 建筑工程系 ， 江苏 宿迁2 2 3 8 0 0 ； 2 南京工业大学 土木工程学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 9) 摘要 ： 通过 1 5根不同取代率 的钢管再生混凝 土短柱偏 压实验 ， 分析不 同取代率 的钢管再生 混凝土短柱 在偏心荷 载作用下 的宏观变形特征、 荷 载一应变关系 、 破坏模 式和破 坏机理 ， 并 与普通钢管混 凝土 的偏压 性能对 比 结 果表 明： 再 生混凝土取代率是影响钢管再生混凝土偏压承载力 的主要 因素， 在相 同条件下 ， 试件承 载力随着取 代率的增大 而降低 ， 最大下降幅度为 2 0 ； 核心混凝土收缩率随着取代率增大而增大 ， 导致对钢管的支撑作用降低 ， 从而加快钢 管局部屈服 ， 降低极限承载力 关键词 ： 钢管再生混凝土 ；偏压实验 ；取代率 ； 收缩率 中图分类号 ： T U3 5 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 01 8 9 1 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 8 80 4 0 引言 钢管再生混凝土是将再生混凝土灌入钢管 中形成的， 具有钢管混凝土的一系列的优点 ： 一方面核心混 凝土的存在可以增强钢管管壁 的局部稳定性 ； 另一方面钢管使核心混凝土处于三向受力状态 ， 具有套箍作 用 ， 从而使核心混凝土具有比普通混凝土更高的抗压强度和变形能力口 与普通混凝土相 比， 再生混凝 土骨料表面粗糙、 收缩率增大和弹性模量偏低 ， 从而使钢管再生混凝土与钢管普通混凝土柱在力学性能上 存在一定差异 有关钢管再生混凝土力学性能的研究较少 杨有福， Y a n a g i b a s h i K等_ 4 研究不同取代率的方钢管 和圆钢管再生混凝土短柱的轴压性能究 ， 与 K o n n o K和 S a t o Y_ 7 得到相同研究结论 在工程 中， 钢管混 凝土大多处于弯矩和轴力共同作用下， 有关研究更少 ， 从而影响钢管再生混凝 土的发展 笔者分析不 同取 代率 的钢管再生混凝土偏压短柱的力学性能 ， 为钢管再生混凝土研究提供参考 1 实验 1 1 材 料性 能及试 件 再生混凝土的骨料是结构实验室废弃的混凝土立方体试块经过破碎后形成的， 水泥为淮河牌 3 2 5级 普通硅酸盐水泥， 混凝土采用强制式搅拌机拌和， 每种取代率 的再生混凝土各 准备 3 个标准立方体试块 混凝土的抗压强度和弹性模量见表 1 表 1 每 立 方 米再 生 混凝 土 的质 量 配 比及 力学 性 能 z P 水 泥 k g 砂 k g 石子 k g 水 k g 抗压强度 MP a 弹性模量 MP a 2 5 5 01 5 7 5 1 1 6 3 1 6 9 36 0 3 3 1 6 1 4 5 0 5 01 5 7 5 1 1 6 3 1 7 6 35 27 3 1 4 0 8 7 5 5 01 5 7 5 1 1 6 3 1 8 3 33 6 5 3 0 9 4 8 1 0 0 5 01 5 7 5 1 1 6 3 1 8 9 33 3 5 3 0 8 5 9 注 ： z P为再生粗骨料取代率 钢管为直缝 圆钢管， 按照 GB T 2 2 8 2 0 0 2 6 金属拉伸实验方法 ， 通过拉伸实验测得钢材抗拉强度 ( 见表 2 ) 试件一端用厚度为 1 0 mm、 长度为 2 0 0 mm 的方形钢板焊接封固作底板 收稿 日期 ： 2 0 1 1一 O 40 9 ； 审稿人： 张云峰 ； 编辑 ： 任志平 基金项 目： 住建部科学技术项 目( 2 0 0 8 一k l 1 1 ) ； 江苏省教育厅 自然科学项 目( 1 I K J D 5 6 0 0 0 3 ) ； 宿迁市科技局项 目( B 2 0 1 0 0 2 1 ) ； 江苏省 高校“ 青蓝工程” 对象项 目( 苏教师 2 o i 0 1 6 号 ) 作者简介 ： 张卫东( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 硕士 ， 讲师 ， 主要从事组合结构方面的研究 8 8 第 5期 张卫东等 ： 钢管再生混凝土短柱偏 压性能实验 在浇筑再生混凝土时， 将钢管竖立 ， 从顶部分层灌入， 每次深度约为 1 个钢管直径 ， 并利用插入式振捣 棒进行振捣 试件养护方法为标准养护 7 d后凿去混凝土表面浮浆 ， 用高强环氧砂浆将混凝土表面与钢 管表面抹平 ， 硬化后将试件表面打磨平整； 然后焊上钢板 ， 保证加载初期钢管与核心混凝土能共 同受力 试 件基 本 数据见 表 2 表 2 试 件基 本数 据 试 件编号 ( D X t X LI m m ) L D 钢 抗 喜 注 ： D 为钢 管 外 径 ； t 为钢 管 壁 厚 ； L为 钢 管 长 度 ； 试 件 初 始偏 心 率 为 0 1 9 ； Z P一5 0 表 不 取 代 率 为 5 0 1 2 加 载装 置与 过程 采用 最大 加载 能力 为 5 0 0 t 的电液伺 服压 力实 验机 进行加 载 试件 两端 采 用 铰支 座 ， 通过 设 置辊 轴控 制试件的弯曲方向 为了准确测量试件的变形 ， 在每个试件中截面外钢管 4个方向的表面处贴纵 、 横各 4 片应变 片， 同时在试件 弯曲平面 内沿柱高设置 3个 位移计 ， 以测量试 件在加载过程 中的侧 向挠度变 化 4 - 1 o 实验采用分级加载制度 在达到预估极限荷载的 7 5 前， 每级荷载为预估极限荷载的 1 1 5 I 1 0 ， 每 级荷载持续时间约为 2 rai n ； 接近破坏荷载时改为慢速连续加载， 直至实验结束 2 结果分析 2 1 破 坏过 程 代表性试件的荷载( N) 与中点侧 向变形( 厂 ) 的关系曲线见 图 1 由图 1可 以看 出， 加载初期钢骨再生 混凝土试件的侧向挠曲变形较小， 随着荷载的施加 ， 试件 的侧向挠曲变形逐渐增大 当荷载接近极限荷载 时 ， 侧向变形增长速度快于荷载的增长速度； 达到极限荷载后， 试件承载力的下降速度和变形随取代率 的 增大而增大 试件破坏时中部伴有局部鼓曲发生， 取代率越大， 局部屈曲出现越早 ， 鼓 曲现象越严重 卸载 过程 中 ， 试件具 有 回弹现 象 与普通钢管混凝土偏压构件的荷载与挠度 曲线对比， 钢管再生混凝土偏心受压构件受力过程与钢管 普通混凝土构件相似， 可以将构件的受力过程分为弹性阶段、 弹塑性阶段和破坏 阶段 在长细比和偏心率等参数不变的条件下 ， 弹性极 限荷载随核心部分再生混凝 土粗骨料取代率( Z P ) 的 增加而降低， 钢管再生混凝土构件弹性极限承载力约为普通钢管混凝土构件的 7 8 ， 钢管再生混凝土构 件 的弹性 阶段 时 间明显短 于普 通钢 管混凝 土构 件 破 坏 阶段 随 着取 代率 增 大 ， 荷 载下 降 越快 ， 且 侧 向变 形 增 大越迅 速 2 2破 坏形态 偏压 试件 荷载 ( N) 与纵 向应 变 ( e ) 关 系 曲线见 图 2 由图 2可 以看 出 ： 普 通钢 管混凝 土试 件与 钢管再 生 混凝土试件的荷载一应变 曲线是有一定区别的 普通钢管混凝土试件在加载初期 ， 7号应变开始先为负值 8g O 0 O O O O O O O O O 0 0 0 O O O O O O O O O O O O O O O O O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ；i； 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 1 l；1 1 1 i 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 一 一 一 大庆石油学院学报 第 3 5卷2 0 1 1 年 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 Z 耋 o 0 1 0 0 0 5 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 Z l 5 0 0 乏 1 0 0 0 5 0 0 4 6 8 1 O 0 2 t i n l n ( a ) Z P 一 0 2 5 0 0 2 0 0 0 至 o 0 l 【 ) ( 】o 5 0 0 ( ) 2 4 6 8 f mm ( b ) Z P 2 5 2 5 0 0 2 0 0 0 互 o 0 l(1 (】 o 5 0 0 4 6 8 l 0 0 f m m ( d ) Z P 一 7 5 2 5 0 0 2 0 0 0 至 5 o o l【 】 ( o 5 0 0 4 6 8 | n l n l ( c ) Zp - 5 0 图 1 试件 N _ _厂关系 曲线 2 4 6 8 f m m ( e ) ZP _l 0 O ( 受压) ， 然后为正值( 受拉) ， 所有再生混凝土构件的 7号应变从开始加载到试件的破坏阶段始终为正值 核心 部分 的再 生混凝 土在 养护 过程 中纵 向和横 向的收缩 变 形大 ， 导 致核 心 部分 再 生混 凝 土 与钢 管 内壁分 离 ， 它们之间形成较大的缝 隙， 使得构件横截面刚度降低 ， 从而使钢管再生混凝土构件在荷载初期犹如空 钢管构件一样 ， 远离偏心的一侧始终处于受拉状态 对 于普通钢管混凝土构件 ， 由于混凝土与钢管 内壁的 粘结作用 ， 构件整体性好 ， 横截面刚度较大， 加载初期承受压力 ! +5 号应变 +7 号应变 2 5 1 5 0 5 O 5 1 5 2 5 e 1 0 ( a ) Z P 一 0 9 O 1 +5 号 应 5 0 0 1 +7 号应 5 5 0 - _ 一 号应 变 I +7 号 应变 o l I I 1 5 1 O 一 0 5 0 0 5 1 O 一1 O E 1 0 2 ( b ) ZP 一 2 5 000 广 5 o o 1 -() l _ 5 一 O 5 O O 5 e 1 0 ( c ) ZP - 5 0 - _ - +5 号应变 +7 号应变 I 1 0 5 0 5 1 5 2 5 2 5 1 5 0 5 0 5 1 5 2 5 s l O s l O ( d ) Z P 一 7 5 ( e ) Z P 一 1 0 0 图 2 试件 e关系 曲线 第 5期 张卫东等 ： 钢管再生混凝 土短柱偏压性能实验 在弹性阶段， 不 同再生混凝土取代率 的钢管再生混凝土偏压试件曲线基本重合 ， 均为直线 ， 但钢管再 生混凝土偏压试件曲线 比普通试件短 ， 对应的荷载为普通试件 的 7 0 8 O 当试件荷载达到比例极限 时 ， 曲线不再保持线性关系， 应变增长速度高于荷载增长速度 ， 表明试件进入弹塑性变形阶段 在同级荷载 作用下 ， 再生混凝土构件 中部钢管壁上的纵向应变要大于普通混凝土构件 的， 曲线直线段的斜率随再生粗 骨料取代率的增加而变小 3 取代 率对试件承载力 的影响 实验 中共有 5组具有相同截 面参数 ，每组为 3个 相同取代 率 的试件 ， 取代 率 分别 为 0 ， 2 5 ， 5 0 ， 7 5 ， 1 0 0 9 ， 6 偏压试件的承载力 ( N) 与取代率 ( 田 ) 的关 系曲线见图 3 由图 3可以看 出， 取代率对试件承载力 有较大影响 ， 表现为承载力随取代率 的增大而逐渐下 降 当取代率低于 2 5 时 ， 偏压试件承载力与普通试件 相 比下降较为迅速 ； 随着取代率 的进一步增加 ， 承载力 下降速度较为缓 慢； 当再生混凝 土的取代率为 1 0 0 时 ， 偏压 承载 力下 降系数 最大 不超过 2 0 图3 试件 _ 关系曲线 核 心混凝 土 和钢管 以轴 压刚度 之 比承受纵 向压 力 ， 同时钢管借助 内填混凝土的支撑作用 ， 增强钢管壁的几何稳定性 ， 延缓钢管局部屈曲_ l 随取代率提高 ， 钢管再生混凝土短柱偏压承载力下降原 因主要有 ： ( 1 ) 再生混凝土的强度、 弹性模量、 刚度低于普通混凝土， 导致钢管承受更大的荷载 ， 较快达到屈服强度 ( 2 ) 再生骨料含有一部分老水泥砂 浆 ， 其表面孑 L 隙特征和吸水特性等与天然骨料存在很大差异 ， 导致中低强度的再生混凝土的干缩率比普通 混凝土的大得多， 且随着取代率 的增大而增大 1 ， 进而核心混凝土与钢管之 问缝隙越来越大， 不能有效支 撑钢管壁 ， 引起钢管提前发生局部屈 曲， 降低钢管的刚度 ， 进而降低钢管再生混凝土柱的偏压承载力 4 结论 ( 1 ) 钢管再生混凝土构件的偏压破坏形态与普通钢管混凝土构件相似 ， 经历弹性 、 弹塑性、 破坏阶段 ( 2 ) 钢管再生混凝土构件的荷载一应变曲线的弹性阶段时间比普通构件的短， 在相同应变下钢管再生 混凝土构件的承载力低于普通钢管混凝土构件 ； 在相 同荷载作用下 ， 钢管再生混凝土构件的变形大于普通 钢管混凝土构件的 ， 刚度低于普通钢管混凝土构件的 ( 3 ) 钢管再生混凝土偏压构件的实测极限荷载随再生粗骨料取代率的增加而降低 ， 取代率为 1 0 0 时 降幅约为 2 0 随着取代率的增大， 再生混凝土强度 、 弹性模量降低和收缩率增大 ， 说明取代率是影响试 件 承载力 的 主要 因素 参考文献 ： 1 蔡 绍怀 现代钢管混凝土结构E M3 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3 E 2 3 钟善铜钢管混凝土统一理论研究与应用E M3 北京 ： 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 6 3 刘 数华， 冷发光再生混凝 土技术 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 E 4 3 杨有福 ， 韩林海 钢管再生混凝 土结构工作机理的若干关键问题研究 E C 首届全 国再 生混凝土研究与应用学 术交流会论文集 2 0 0 8 0 7 01 E s Y a n g Y o u f u ，Ha n L i n h a i E x p e r i me n t a l b e h a v i o r o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h，2 0 0 6， 6 2 ( 1 2 )： 1 3 1 0 1 3 2 4 6 Y a n a g i b a s h i K， Yo n e z a wa T， Ar a k a w a K，e t a 1 A n e w c o n c r e t e r e c y c l i n g t e c h n i q u e f o r c o a r s e a g g r e g a t e r e g e n e r a t i o n p r o e e s s fC o n c r e t e t e c h n o l o g y f o r a S u s t a i n a b l e D e v e l o p m e n t i n t h e 2 1 s t c e n t u r y C L o n d o n a n d N e w Y o r k ： 5 1 1 5 2 2 ( 下转第 9 6页) 大庆石油学院学报 第 3 5卷2 0 1 1年 5 结束语 教学仿真平台将 1 0余种 E DA工具及外部设备集成、 优化， 满足不 同种类课程需要 ； 教学 内容丰富 ， 满足不同层次学生学习要求 ； 对实验设备和条件不足的课程 ， 通过平 台提供 的仿真学习 ， 可以提高学生 高 专业知识水平 、 锻炼动手能力 、 培养创新性思维能力； 通过网络访问平台进行远程教学实践 ， 节省实验室空 间， 方便教学任务实施 ， 应用效果较好 参考文献 1 宋正 国， 刁秀丽 虚拟实验教学环境研究现状及趋 势探悉 J 现代教育技术 ， 2 0 0 9 ， 1 9 ( 1 2 ) ： 1 1 5 1 1 7 2 王紫婷 ， 吴蓉 ， 张彩珍 ， 等 E DA技术与应 用 M 兰州 ： 兰州大学 出版社 ， 2 0 0 3 3 崔栋 ， 郭永新 ， 车琳琳 E DA仿真技术在模拟 电子技术教学的应用 J 中国科技信息 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 O 8 2 0 9 4 姚建红 ， 陶 国彬 ， 赵玉峰， 等 一种数字化扩频接收机的 F P GA实现 J 大庆石油学院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 2 ) ： 7 9 8 1 5 谢沅清 模拟电子线路 M 西安： 电子科技大学 出版社 ， 1 9 9 4 6 Ro n a l d J T， Ne a l S W，Gr e g o r y L MDig i t a l S y s t e m： P r i n c i p l e s a n d Ap p l i c a t i o n s M Ne w J e r s e y ： P r e n t i c e Ha l l ， 2 0 0 7 7 Wa k e r l y J F Di g i t a l D e s i g n P r i n c i p l e s &P r a c t i s e M Ne w J e r s e y ： P r e n t i c e Ha l l ， 2 0 0 1 8 A h e r a C o r p o r a t i o n I n t r o d u c t i o n t o Qu a r t u s l I M C a l i f o r n i a ：Al t e r a C o r p o r a t i o n ，2 0 0 4 9 李洪伟 ， 袁斯华 基于 Qu a r t u s 1I的 F P G A C P L D设计 M 北京 ： 电子工业出版社， 2 0 0 6 1 0 S t e p h e n B，Z v o n k o VF u n d a me n t a l s o f D i g i t a l L o g i c wi t h VHDL De s i g n M Ne w Yo r k ：Mc Gr a w Hi l l Hi g h e r E d u c a t i o n ，2 0 0 5 1 1 赵 明富 E DA技术基础 M 北京 ： 北京大学出版社 ， 2 0 0 7 ( 上接 第 9 1页) 7 Ko n n o K， S a t o Y，Ue d o T，e t a 1 Me c h a n i c a l 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 u n d e r l a t e r a l c o n fi n e me n t J T r a n s a c t i o n o f t h e J a p a n Co nc r e t e I n s t i t u t e，1 9 8 8 ( 2 0 )： 2 8 7 29 2 8 Ko n n o K， S a t o Y，Ue d a T，e t a 1 Me c h a n i c a l 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 u n d e r l a t e r a l c o n fi n e me n t J Tr a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n Co nc r e t e I n s t i t u t e，1 9 9 8， 2 0 ( 3 )： 2 8 7 2 9 2 9 Wu F e n g y i n g ， Ya n g Yo u f u P r e l i mi n a r y r e s e a r c h o n b e h a v i o r s o f r e c y c l e d c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l s t u b c o l u mn s J J o u r n a l o f F u z h o u U ni v e r s i t y：Na t u r a l S c i e n c e，2 0 0 5， 3 3 ( S u pp ) ： 3 0 5 3 0 8 白那 ， 张文福 ， 金世玉 。 等 3种典 型加载路径下的双向压弯方钢管混凝土短柱相关曲线 J 大庆石油学院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 3 ) ： 6 6 7 0 An s e n H，B o e g h T C E l a s t i c i t y a n d d r y i n g s h r i n k a g e O f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J AC I J o u r n a l ，1 9 8 5 ， 8 2 ( 5 ) ： 6 4 8 6 5 2 崔正龙 ， 大芳贺羲喜 ， 北迁政文 ， 等 再生混凝土 耐久性的实验研 究 ( 1 lI ) ： 再生混凝 土的干燥 收缩实验 J 科 学技术 与工程， 2 0 0 6 ， 6 ( 2 3 ) ： 4 8 01 4 8 0 5 9 6