钢骨再生混凝土偏压短柱承载力试验研究.pdf

张卫东 等： 钢骨再 生混凝 土偏压短柱承载力试验研究 钢 骨再 生混凝土偏压短柱承载 力试验研究 张卫东 ， 王振波 ( 1 宿迁学院 江 苏宿迁2 2 3 8 0 0； 2 南京工业大学土木工程学 院 南京2 1 0 O O 9) 【 摘要】 制作了 3个相同含钢率、 不同再生混凝土取代率的钢骨再生混凝土短柱， 通过偏压试验研究， 主 要对其破坏模态、 荷载 一挠度曲线、 荷载 一变形关系曲线和承载力进行全过程分析 ， 揭示 了再生混凝土取代率对 钢骨再生混凝土柱受压性能的影响， 探索了钢骨再生混凝土的承载力计算公式。 【 关键词】 钢骨混凝土； 再生混凝土 ； 取代率 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 2 3 0 3 EXP ER玎江E NT RES EARCH oN THE CAPACI TY oF S T EEL RE聃oRCED RECYCLED CONCRETE S HoRT CoLUM NS S UBJ ECTED To ECCENT RI C Co 仰 RES S I oN ZHANG W e i d o n g ，W ANG Zh e n b o ( 1 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 ，C o l l e g e o f S u q i a n ， J i a n g s u S u q i a n 2 2 3 8 0 0， 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 ，N a n j i n g U n i v o f T e c h ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r e e s t e e I r e i n f o r c e d r e c y c l e d c o n c r e t e s h o r t c o l u mn s w i t h t h e s a n l e s t e e l q u a n t i 哆 a n d t h e d i f f e r e n t r e c y c l e d c o n c r e t e r e p l a c e me n t r a t e a r e ma d e， a n d a r e t e s t e d s u b j e c t e d t o e c c e n t r i c e o m p r e s s i o n Fa i l u r e mo d e s， l o a d d e fle c t i o n c u r v e， l o a d d i s p l a c e me n t c u r v e a n d l o a d c a r r y i ng c a p a c i t y a r e a l l a l y z e d ， r e s u l t s s h o w t ha t r e c y c l e d c o n c r e t e r e pl a c e me n t r a t e i n fl ue n c e s c o mp r e s s i o n r e s i s t a n c e c a p a bi l i t y o f s t e e l r e i nfo r c e d r e c y c l e d c o nc r e t e c o l u mns ，a n d c a l c u l a t i o n f o r mu l a i s s t u di e d Ke y wo r d s： s t e e l r e i nfo r c e d c o n c r e t e；r e i n f o r c e d r e c y c l e d c o nc r e t e；r e p l a c e me n t r a t e 为了进一步考察钢骨再生混凝土在偏心荷载作用下的 力学性能， 按照参考文献 的研究方法 ， 进行不同取代率的 钢骨再生混凝土柱的偏压试验研究， 从而进一步明确取代 率对结构性能的影响。试验结果表明： 钢骨再生混凝土与 相应 钢骨普通混凝 土试件 的侧 向挠度 、 荷 载 一 变 形关 系 曲 线类似， 但钢骨再生混凝土试件的承载力、 刚度和延性均低 于相应钢管普通混凝土试件， 且随着取代率 的增加， 承载 力、 刚度和延性表现出下降的趋势。主要 因为随着取代率 的增加 ， 再生混凝土的强度和弹性模量越来越低， 且均低于 相同配合比的普通混凝土。 1 试验研 究 1 1 原 材料 选择直径 大于 5 c m的颗粒作为再生粗 骨料， 粒 径为 3 1 5 m m。天然粗骨料为天然碎石， 最大粒径为 2 5 mm， 级配 为连续级配。天然河沙的细度模数为 2 6 ， 为中粗砂。水泥 采用宿迁淮河牌 P 0 3 2 5水泥 ， 搅拌水为饮用 自来水。 为了研究取代率对钢骨再生混凝土柱的力学性能影 响 ， 配置三组粗 骨料 ， 取 代率 分 别为 O ， 5 0 ， 1 0 0 ， 具 体配合比见表 1 。不同取代率的再生混凝土、 钢骨 、 钢筋的 相关力学性能参数见表2， 试件物理参数见表 3 。 基金项 目 住房与城乡建设 部科学技术项 目( 2 0 0 8一k l 一】 1 ) 表 1 混凝土配合比一览表 1 2 试件设计 本设计从再生混凝土掺入量出发 ， 研究在偏心荷载作 用下钢骨再生混凝土 的极 限承载力 、 破 坏形态 、 应力 应变关 系和荷载变形曲线等， 制作 3根试件。 1 3 试 验加载形式 本试验在结 构实 验 室的 5 0 0 0 k N的微 机控 制压 力 试验 机上进行的， 竖向偏心荷载通过焊接与试件端部的圆辊传 递 给试 件 ， 试件两端 可视 为铰支 座 ， 按 照标准试 验方 法先进 行试 压。为了准 确测 量试 件 的变形 和应 变 ， 在每个 试 件 的 端 部、 1 4 、 1 2 、 3 4截 面沿 转轴 方 向在 型 钢 、 纵筋 和混 凝土 上 布设 纵向电阻应变片 。 采用分级单调加载。每级加载值按估算极限荷载 的 1 1 01 1 5 ， 每 级 荷载 保 持 2 m i n后 开始 记 载 每 点 的应 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 O期 ( 总第 1 4 8期 ) 变， 当达到极限荷载 N 的 8 0 一9 0 时， 采用连续慢速加 载， 直至试件完全破坏， 并 自动记录荷载 一变形曲线。 表 2 混凝土和钢骨、 钢筋 实测 力学性能指标 2 试验结果 与分析 2 1 试验破坏过程比较 从三根不同取代率的钢骨再生混凝土柱试件的偏心受 压试验现象可看出， 三根试件从加载到破坏大致经过三个 阶段， 即未裂阶段、 带裂缝工作阶段和破坏阶段。它们的受 力特点主要不同之处为： 随着再生混凝土的取代率的增大 开裂荷载、 屈服荷载和极限承载力依次降低， 但降低幅度很 小； 其侧向挠度越来越大 ， 主要 由于再生混凝土强度较低； 其延性越来越差， 主要是 由于混凝土与钢骨之间的粘结力 越来越差； 钢骨混凝土柱的破坏形态越来越严重。 相同之处： 三者的破坏形态比较相似 ， 具有大偏压柱 的破坏特征； 柱子中间出现裂缝接近水平， 伴有混凝土开 裂的声音 ， 随着荷载增大， 受拉区裂缝不断向受压区延伸， 出现新的裂缝， 受压区高度减小； 接近极限承载力 ， 受压 区混凝土部分被压碎， 发出较大压碎声， 产生较大的弯曲变 形， 受拉区裂缝约 4 m m左右； 达到极限承载力， 混凝土被 压碎 ， 承载力下降 ， 卸 载时产生 较大的变形 ， 二 阶效应明显 ； 凿开试件发现受拉区钢骨已经屈服， 受压区钢骨屈服但 没出现局部屈曲， 表明外包混凝土可防止钢骨出现屈曲。 2 2 钢骨荷载 一 应变曲线 图1为钢骨再生混凝土柱钢骨的全过程荷载 应变曲 线， 三者的荷载 一应变曲线形态比较接近。图 l 表明： 在加 馏 0 l 0 0 2 0 o 3 0 04 O O 5 0 0 荷载,t i N + P X 0 0 柱抗压 一 P X 0 0 柱抗拉一 P X 5 0 柱抗压 一 P x5 o 抗拉 + P x l o o 抗压 一 P xl o o 抗拉 图1 钢骨荷载一 应变 曲线 载初期， 荷载 和应变基本上保 持线 性关系 ； 当荷载达到 3 5 0 k N时， 三曲线出现拐点， 荷载 一应变关系转为非线性 ， 施 加相同的荷载但钢骨应变随着再生混凝土取代率的提高而 增加， 主要由于取代率提高导致混凝土的强度和钢骨与混 凝土之间的粘结力降低， 钢骨承受更多的荷载 ； 荷载施加到 3 8 0 k N后 ， 钢骨均有明显的拐点， 应变的增长速度明显快于 荷载增加速度， 且随着取代率的增加 ， 钢骨变形越大； 加载 后期， 由荷载 一 应变可知钢骨基本上已经屈服， 充分发挥了 其力学性能。 2 3 混凝土荷载 一 应变曲线 图2为钢骨再生混凝土柱混凝土的全过程荷载 一应变 曲线。图2表明： 在加载初期 ， 荷载 一应变曲线形态比较接 近， 基本上保持线性关系； 当荷载达到 2 2 0 k N时， 三曲线开 始出现分叉 ， 施加相同的荷载但混凝土应变随着再生混凝 土取代率的提高而增加， 主要 由于随着再生混凝土取代率 提高混凝土弹性模量越低， 也解释了 P X 1 0 0开裂荷载较小 的原因； 荷载继续施加到 4 0 0 k N时， P X S 0和 P X 1 0 0混凝土 出现比较明显的拐点， 表明此时其混凝土已经部分压碎退 出工作， 荷载主要 由钢骨承担 ； 荷载继续施加到 4 9 0 k N时， 混凝土应变值较大， 且荷载 一应变曲线出现拐点， 表明普通 混凝土被压碎也退出工作。 0 一 l o o O 髫一 2 0 0 0 - 3 0 0 0 - 4 OO O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 O O 5 0 0 荷载 k N P x o o 抗压一 P X 5 0 -抗压一 P X1 0 0 抗压 图2 混凝士荷载一 应变曲线 张卫 东等 ： 钢骨再生混凝土偏压短柱承载力试验研 究 l 1 篷 。 1 l 1 坦 PX5 0 1 目 1 I 槌 PXH 侧 向挠度 ra m 侧向挠度 ram 侧 向挠度， m m 一 初始状态一 2 0 k N 一 1 4 0 k N一 2 6 0 k N一 3 8 0 k N 4 5 0 k N一 极限状态 图3 荷载一 侧向挠度曲线 2 4 荷载 一侧向挠度曲线 图3为钢骨再生混凝土柱的荷载挠度曲线。三图对比 表明 ： 施加较小荷载 ( 2 0 k N) 时试件 就产 生了挠度 ， 随着 荷载 加大 ， 挠度曲线呈对称的抛物线分布； 当荷载施加到 3 8 0 k N 时， 三根柱子的挠度依旧接近 ， P X 0 0、 P X S 0 、 P X1 0 0三柱挠度 依次为 6 0 、 6 0 8和6 1 5 m m， 表明该阶段再生混凝土对钢骨 混凝土柱侧向刚度影响较小 ； 当荷载施加到4 5 0 k N时， 三柱 挠度依次为 8 7 、 9 6和 1 0 5 mm， 表 明该阶段 随着取 代 率的 提高钢骨混凝土柱的抗侧向刚度降低； 当达到各 自极 限荷 载 时 ， P X 0 0挠 度 为 1 3 4 m mm， P X S 0和 P X 1 0 0柱 挠 度 为 1 1 7 mm和 1 1 8 mm， 表明普通混凝土与钢骨粘结性能和延 性优于钢骨再生混凝土柱 ， 但 P X S 0和 P X 1 0 0最终挠度接 近， 主要是由于再生混凝土强度较低开裂早已退出工作。 2 5 承载力 分析 通过钢骨再 生混 凝 土柱 的偏 压试 验可 知 ， 与普 通 钢 骨 混凝土偏压柱的破坏过程相似， 又由于混凝土对型钢 的约 束， 型钢受拉区屈服受压 区屈服但没有出现整体或局部屈 曲现象。为了验证我国 型钢钢筋混凝土组合结构技术规 程 ( 以下简称“ 规范” ) 偏心受压柱的正截面强度计算公 式对钢骨再生混凝土柱的适用性 ， 套用规范计算公式， 即： N=| x 1 A I l A t d 一 盯 A| ， e = ( h 0 一 2 ) + ， A 。 ( h 。 一口 ) + ， 。 A f ( h 0 一口 )+ J】I f ( 1 ) 按公式( 1 ) 计算结果如表 4所示， 其中相关参数见表 2 、 表 3 。 表 4 极 限承载 力试验 值与理论值 比较 由表 4可知 ， 相同混凝 土抗 压强度 、 不 同再 生混 凝 土取 代率的钢骨再生混凝 土柱偏压极限承载力与理论 计 算 值 相 差较小 ， 故钢骨再生混凝土柱轴压承载力计算公式可按 目 前规范公式进行计算 ， 但取代率较高时须做适当修正。 3结语 ( 1 ) 钢骨再生混凝土柱受力过程中具有明显的弹性、 开裂、 屈服和破坏四个受力特点。钢骨再生混凝土柱与普 通钢骨混凝土柱偏心受压机理基本相同用于实际工程 中是 可行 的。 ( 2 ) 钢骨再生混凝土柱的开裂荷载和极限承载力略 小于普通钢骨混凝土柱 ， 且再生混凝土取代率越多， 承载力 降低的越多。 ( 3 ) 采用 目前现行规范计算钢骨再生混凝土柱的偏 心受压承载力是可行的， 但取代率较高时须做适当的修正。 如何修正， 还需进一步研究 。 ( 4 ) 本文只完成了一种来源再生混凝土粗骨料的钢 骨再生混凝土柱偏 心 受压 性 能试验 研 究 ， 而不 同来 源再 生 混凝土粗骨料对钢骨再生混凝土柱偏压性能的影响， 有待 进一步研究 。 参 考文献 1 刘数华， 冷发光 再生混凝土技术 M 北京 ： 中国建材工业出 版社 ， 2 0 0 7 2 许淑芳 ， 于厨 ， 姜维 山 ， 孙学模 ， 朱 志诚 双 向偏心受压 S R C柱 的试验及 承载 力研 究 J 西安 建 筑科 技 大学 学报 ，1 9 9 6 ， ( 4 ) 3 胡敏萍 不同取代率再生粗骨料混凝土的力学性能 J 混凝 土 ， 2 0 0 7， ( 2 ) ： 5 25 4 4 张军 再生混凝土柱轴心受压性能试 验 D 上 海 ： 同济大学 ， 2 0 0 7 5 J G J 1 3 8-2 0 0 1 ， 型钢混凝 土组合结构技术规程 s 6 E L - T a w i l S ， D e i e r l e i n G G S tr e n g t h a n d d u c t i l i t y o f c o n c r e t e c n c a s e d c o m p o s i t e d c o l u m n s J A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n o- n e e r i n g ， 1 9 9 9， 1 2 5 ( 9) ： 1 0 0 91 0 1 9 收稿 日期 2 0 1 0 0 8一 O 2 作者简介 张卫东( 1 9 8 1 一) ， 男， 江苏南通人， 硕士， 讲师， 从事组合结构的研究 。