型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 7 期 2013 年 4 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 7 Apr 2013 型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究 * 薛建阳 1， 崔卫光1， 陈宗平2， 马 辉 1， 高 亮 1 ( 1 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055; 2 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004) 摘要通过 6 个型钢再生混凝土组合柱的静载试验， 对型钢再生混凝土组合柱轴压承载力进行了研究。试验主 要考虑再生粗骨料取代率和长细比两个参数对构件承载力的影响。由试验得出组合柱在轴心荷载下的荷载-位移 曲线， 分析型钢再生混凝土组合柱的破坏机理及再生粗骨料取代率、 长细比对其轴压承载力的影响， 提出型钢再生 混凝土组合柱轴压承载力计算公式。 关键词型钢再生混凝土;取代率;长细比;承载力 中图分类号: TU391， TU392. 5文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 07- 0073- 04 Experimental study on axial compressive behaviors of steel reinforced recycled aggregate concrete composite columns Xue Jianyang1，Cui Weiguang1，Chen Zongping2，Ma Hui1，Gao Liang1 ( 1 College of Civil Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China; 2 College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China) Abstract: According to static experiment of six steel reinforced recycled aggregate concrete composite columns， the axial compression load-bearing capacity was studied Two factors，which were the recycled coarse aggregate replacement rate and slenderness ratio，were taken into consideration Load-displacement curves of composite columns under axial loads were obtained The fracture of composite columns and the influence of recycled coarse aggregate replacement rate and slenderness ratio on axial compression load-bearing capacity were analyzed The formula for axial compression load of steel recycled concrete composite column was also presented Keywords: steel reinforced recycled aggregate concrete;replacement rate;slenderness ratio;load-bearing capacity * 国家自然科学基金( 51178384) ， 住房和城乡建设部科学技术项目 ( 2012-K2- 12) ， 陕 西 省 留 学 人 员 科 技 活 动 择 优 项 目 ( 陕 外 专 发 2010 26 号) ， 陕西省教育厅科研计划项目( 12JK0902) 。 作者简介: 薛建阳， 教授， 博导， Email: jianyang_xue 163 com。 0引言 随着全球经济发展， 建筑业也在迅速发展， 道路 更新、 旧房拆迁等产生大量的废弃混凝土。目前， 全 世界的建筑中， 混凝土结构仍然处于主导地位。 混凝 土的年产量约 28 亿 m3， 我国的混凝土年产量约占 世界总量的 45% ， 混凝土原材料中骨料占 75% 1。 因此， 为了节约资源， 合理处理建筑垃圾， 许多国家 已经开展了对再生混凝土的研究和应用 2- 4。 目前再生混凝土主要用于路基回填或受力较小 的结构中， 应用层次比较低。Konno 等 5研究了钢 管约束再生混凝土构件的强度和变形能力， 杨有 福 6研究了钢管再生混凝土构件力学性能和设计 方法。但由于钢材耐火性及耐腐蚀性较差且外露于 构件表面， 必须考虑防火及防腐措施 7。 为了更好地推广再生混凝土， 本文提出了型钢 再生混凝土( SRRAC) 。目前国内外对型钢再生混 凝土的研究很少， 王兵等 8对型钢再生混凝土的耐 火性能进行了研究， 但没有研究其承载力。因此本 文对型钢再生混凝土组合柱的承载力进行试验研 究， 得出其承载力计算公式， 为工程设计提供参考。 1试验简介 1. 1 试件设计及制作 试件配钢选用 Q235B 级 I10 型钢， 配钢率 ss为 3. 6% 。纵 筋 采 用 414 钢 筋，配 筋 率 s为 1. 48% ， 箍 筋 配 置 为 6. 5 100，配 箍 率 sv为 0. 57% 。试验共设计了 6 根试件， 主要考虑再生粗 骨料取代率和长细比两个因素对型钢再生混凝土组 合柱轴心受压承载力的影响。其中 SRC15 为对比 试件， 与 SRRAC14 进行对比， 分析型钢再生混凝土 组合柱与普通型钢混凝土组合柱的轴压承载力之间 的关系。试件截面尺寸及配筋见图 1。 在试件骨架的制作过程中， 由于型钢位于钢筋 骨架之中， 浇筑混凝土时型钢的位置不容易保证， 为 此试件 在 制 作 的 过 程 中， 在 型 钢 下 翼 缘 距 两 端 150mm 范围内， 点焊 L50 的角钢来保证浇筑混凝土 的过程中型钢以及钢筋骨架的位置。试件设计参数 见表 1。 建筑结构2013 年 图 1试件截面尺寸及配筋图 试件参数汇总表 1 编号r/% l0/bl0/mm b h/mm SRRAC10 SRRAC11 SRRAC12 SRRAC13 SRRAC14 SRC15 30 30 30 100 70 0 6 9 12 6 6 6 1 200 1 800 2 400 1 200 1 200 1 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 注: r 为再生粗骨料取代率; l0为计算长度; b， h 分别为试件截面 的宽度和高度。 1. 2 配合比设计 以普通混凝土配合比设计方法为基准， 参考 混凝土配合比设计手册 9， 各材料用量见表 2。 试验采用 C40 混凝土， 再生粗骨料来源于广西大学 土木工程学院已做过的抗扭梁试件， 经人工捣碎、 筛 分、 清洗后而得， 原混凝土强度等级为 C30， 粗骨料 为碎石， 如图 2 所示。试验过程中不考虑再生粗骨 料吸水的影响， 再生混凝土的配合比及力学性能见 表 2， 其中水灰比均为 0. 42。天然粗骨料为连续级 配碎石， 与再生粗骨料在同条件下筛分而得， 如图 3 所示。水泥为海螺牌 42. 5R 普通硅酸盐水泥， 砂为 中粗砂， 拌合用水为广西省南宁市自来水。 图 2再生粗骨料 图 3天然粗骨料 1. 3 材性试验 试件中型钢、 纵向钢筋及箍筋材料性能的测试 方法依据混凝土结构试验方法标准 ( GB 50152 92) 进行。试验结果见表 3。 再生混凝土配合比及抗压强度表 2 编号 用量 /m3 水泥 /kg 水 /kg 砂 /kg 天然粗 骨料 /kg 再生粗 骨料 /kg 抗压强度 frcu /( N/mm2) SRRAC10 SRRAC11 SRRAC12 SRRAC13 SRRAC14 SRC15 0. 06 0. 09 0. 12 0. 06 0. 06 0. 06 29. 28 43. 92 53. 68 29. 28 29. 28 29. 28 12. 3 18. 45 22. 55 12. 3 12. 3 12. 3 32. 76 49. 14 60. 06 32. 76 32. 76 32. 76 48. 762 73. 143 89. 397 0 20. 9 69. 66 20. 898 31. 347 38. 313 69. 66 40. 76 0 45. 4 45. 4 45. 4 49. 0 48. 7 47. 2 钢材性能试验结果表 3 规格 屈服强度 fy/( N /mm2) 极限强度 fu/( N /mm2) 弹性模量 Es/( N /mm2) I10 型钢312. 20 391. 502. 44 105 14 钢筋 385. 32556. 862. 06 105 6. 5 钢筋340. 36472. 89 1. 4 加载制度及测试内容 试验在广西大学结构实验室液压式压力试验机 YE- 10000F 上完成， 加载时荷载通过压力试验机上 下两块端板传递。采用混合控制的加载方式， 即在 试件达到开裂荷载前以预计极限荷载的 1 /10 作为 荷载增量进行加载， 接近开裂荷载时， 取预计极限荷 载的 1 /20 作为荷载增量; 试件达到极限承载力后以 纵向位移 0. 2mm 作为位移增量， 直至荷载值降低为 最大荷载的 75% 左右时， 终止试验。测试内容主要 包括: 1) 试件的轴向荷载; 2) 通过在试件的顶部及 底部分别布置一个百分表来测试试件在荷载作用下 的纵向变形量; 3) 通过在试件中部钢筋、 型钢及混 凝土布置应变片来测试试件在各级荷载下钢筋、 型 钢及混凝土的纵向应变。 2主要试验结果 2. 1 试件受力破坏过程及破坏形态分析 从开始加载到破坏， 6 个试件在轴心压力作用 下， 试件的破坏过程相似， 即: 加载初期， 荷载较小， 型钢、 钢筋与再生混凝土的应力、 应变一致， 呈线性 变化， 能较好地协同工作。随着荷载的增大， 试件的 应力、 应变不再呈线性关系， 沿试件端部再生混凝土 的保护层首先出现裂缝并向试件中部延伸， 纵向钢 筋、 型钢相继受压屈服; 随着荷载的进一步增大， 距 试件端部 300mm 范围截面中部也出现纵向裂缝。 试件进入此阶段的快慢程度与试件的长细比有关， 相对长细比较大的试件， 较快进入此阶段， 而相对长 细比较小的试件， 则进入此阶段较晚。荷载继续增 大， 试件端部附近再生混凝土保护层剥落， 距试件端 部 300mm 范围处的纵向裂缝迅速发展， 把再生混凝 土分成若干小柱条， 再生混凝土被压碎、 剥落， 达到 极限压抗压强度， 纵向钢筋、 型钢也均达到屈服强 度， 试件达到极限荷载。从混凝土的破坏形态来看， 47 第 43 卷 第 7 期薛建阳， 等 型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究 破坏后再生混凝土颗粒比普通混凝土要小且颗粒间 的粘结较弱， 型钢与钢筋表面所粘结的再生混凝土 也明显比普通混凝土要少。继续加载， 此时荷载减 小， 纵向位移持续增大， 直到荷载降至极限荷载的 75% 左右时， 停止加载。型钢再生混凝土组合柱的 最终破坏形态如图 4 所示。 图 4部分试件的最终破坏形态 由试验得出的各个试件的承载力对比分析可 得， 长细比对型钢再生混凝土组合柱在轴心荷载作 用下的破坏过程、 破坏形态及极限承载力影响很大， 长细比较大的试件， 裂缝出现较早， 而极限承载力却 较小， 相对长细比较小的试件， 裂缝出现较迟， 开裂 荷载及极限荷载都较大， 但 6 根试件均未发生失稳 破坏。随着再生粗骨料取代率的增大， 型钢再生混 凝土组合柱的极限承载能力呈现出波动性变化， 与 裂缝的开展情况关系不大。这主要是由于再生粗骨 料吸水的原因， 导致再生混凝土的实际水灰比减小， 再生混凝土的抗压强度增加， 从而提高了型钢再生 混凝土组合柱的轴心受压承载能力。试件破坏后可 以发现， 再生粗骨料取代率越大， 再生混凝土破坏区 域的颗粒越细小、 越酥。通过再生混凝土剥落后外 露的钢筋还发现， 再生粗骨料取代率越小， 钢筋上粘 结的再生混凝土越多， 反之越小。由此可得， 再生混 凝土骨料与骨料之间的粘结力及骨料与钢筋、 型钢 之间的粘结力都比普通型钢混凝土的小， 且随着再 生粗骨料取代率的增加， 粘结力呈递减趋势。主要 原因是再生粗骨料是通过将废弃的混凝土经过粉碎 后得到的， 使再生粗骨料表面附着一部分旧的水泥 浆， 其粘结力比新水泥浆粘结力低造成的。 2. 2 SRRAC 柱受力特点分析 试验得到的每根试件从开始加载到加载结束全 过程的荷载-纵向位移曲线如图 5 所示。由图 5 可 以看出， 6 根组合柱的荷载-纵向位曲线相似， 在荷 载达到极限荷载之前， 荷载-纵向位移曲线基本上呈 线性变化， 荷载与纵向位移同步增加。当组合柱达 到极限荷载后， 曲线下降， 此时， 随着纵向位移的增 加， 荷载逐渐减小。对试验结果分析还可得到型钢 再生混凝土轴压柱极限承载力随再生粗骨料及长细 比的变化曲线， 如图 6、 图 7 所示。 图 5荷载-纵向位移曲线 由图 6 可知， 在长细比不变的情况下， 型钢再生 混凝土组合柱的轴心受压承载力随着再生粗骨料取 代率的增加有一定的波动， 但变化幅度不大。在不 考虑再生粗骨料吸水的情况下， 再生混凝土的抗压 强度随再生粗骨料取代率的增加而增大。由图 7 可 知， 在再生粗骨料取代率相同时， 型钢再生混凝土轴 压柱极限承载力随着长细比的减小逐渐降低。 图 6取代率与荷载 关系曲线 图 7长细比与荷载 关系曲线 3组合柱的承载力分析 由于型钢再生混凝土组合柱的破坏形态和普通 型钢混凝土组合柱相似， 且达到极限荷载时， 钢筋和 型钢均进入屈服状态。可参照普通型钢混凝土组合 结构承载力计算方法 10， 按叠加法来计算型钢再生 混凝土组合柱的轴心受压承载力。 3. 1 基本假定 1) 型钢再生混凝土组合柱在达到极限承载力 之前一直符合平截面假定; 2) 在计算中不考虑钢 筋、 型钢与再生混凝土之间滑移的影响; 3) 不考虑 试件扭转对承载力的影响。 3. 2 承载力计算 型钢再生混凝土轴压柱承载力采用叠加法进行 计算， 即分别计算截面内型钢、 钢筋再生混凝土所能 承担的轴向力， 然后将二者累加， 即得试件最后的极 限承载力。其中型钢所承担的轴向压力可表示为: Nss= fsAss( 1) 钢筋再生混凝土所承担的轴向压力为: Nrc= fyAs+ fcAc( 2) 57 建筑结构2013 年 故型钢再生混凝土轴心受压构件的承载力计算公式 如下: N = Nss+ Nrc= fsAss+ fyAs+ fcAc( 3) 式( 3) 仅适用于长细比较小的型钢再生混凝土 轴压柱。试验表明， 对于长细比较大的型钢再生混 凝土轴压柱， 由各种偶然因素造成的初始偏心距对 轴向受压承载力的影响不可忽略。加载后， 由于初 始偏心距的存在， 导致构件产生附加弯矩及侧向挠 度， 而侧向挠度又进一步增大了荷载的偏心距， 使型 钢再生混凝土轴心受压柱的承载力低于式( 3) 的计 算结果。为此， 在计算长细比较大的型钢再生混凝 土轴压柱的承载力时， 将按式( 3) 计算所得的承载 力乘以稳定系数 来考虑承载力的降低， 则计算公 式表达如下: N = ( Nss+ Nrc) = ( fsAss+ fyAs+ fcAc)( 4) 式中: Ass为型钢截面面积; As为受压钢筋截面面积; Ac为混凝土净截面面积; fs为型钢屈服强度; fy为钢 筋屈服强度; fc为再生混凝土轴心抗压强度; 为稳 定系数， 可按混凝土结构设计规范 ( GB 50010 2010) 确定。 将试验数据代入以上公式后可以求出型钢再生 混凝土组合柱的轴心受压承载力。组合柱轴压承载 力试验值与计算值的比较见表 4。 组合柱轴压承载力试验值与计算值的比较表 4 试件编号试验值 /kN理论值 /kN试验值 /理论值 SRRAC10 SRRAC11 SRRAC12 SRRAC13 SRRAC14 SRC15 1 775 1 700 1 640 1 775 1 680 1 685 1 677 1 660 1 593 1 721 1 668 1 631 1. 06 1. 02 1. 03 1. 03 1. 01 1. 03 表 4 中试验值与理论值之比的平均值为 1. 03， 均方差为 0. 017， 变异系数为 0. 016。可见， 采用式 ( 4) 计算所得的承载力与试验值吻合较好， 说明本 文所给的型钢再生混凝土柱轴心受压承载力计算公 式满足计算要求。 从型钢再生混凝土柱轴压试验研究可知， 型钢 再生混凝土柱的受力破坏类型与普通型钢混凝土柱 是相类似的， 这主要是因为在保证再生混凝土强度 前提下， 型钢再生混凝土柱能够满足承载力的要求。 随着再生粗骨料取代率的变化， 构件的承载力变化 并不是很大且规律不是明显， 因此通过合理配合比 设计的再生混凝土完全能够满足结构或构件的使用 要求。型钢再生混凝土柱承载力随长细比的增大而 降低， 这一规律与普通型钢混凝土是一致的。 4结论 研究了 3 种长细比及 4 种再生粗骨料取代率的 型钢再生混凝土组合柱在静载下的轴压受力性能， 并对轴压承载力试验结果与计算值进行比较， 得出 以下结论: ( 1) 型钢再生混凝土组合结构是一种新型的结 构形式， 在受力特点、 破坏机制以及计算方法上均与 普通型钢混凝土组合结构相似; 型钢再生混凝土组 合柱轴心受压承载力， 可按本文提出的计算方法进 行计算， 且计算结果与试验结果比较吻合。 ( 2) 由试验发现， 随着再生粗骨料取代率的增 加， 型钢再生混凝土组合柱的轴心受压承载力有一 定波动， 但变化幅度不大; 随着柱长细比的增加， 型 钢再生混凝土组合柱的轴心受压承载力逐渐下降， 且变化幅度相对较大。 ( 3) 根据型钢再生混凝土组合柱的破坏过程及 最终破坏形态分析可得， 在型钢再生混凝土组合结 构中型钢与再生混凝土以及再生混凝土颗粒之间的 粘结作用都比普通型钢混凝土组合结构稍差。因 此， 对如何增强粘结性能还有待于进一步研究。 参考文献 1 TULAY ESINAstudyregardingtheenvironmental impact analysisofthebuildingmaterialsproduction processJ Building and Environment，2007， 42 ( 11) : 3860- 3871 2 肖建庄， 孙振平， 李佳彬， 等 废弃混凝土破碎及再生 工艺研究J 建筑技术， 2005， 36( 2) : 141- 144 3 刘数华， 阎培渝 再生粗骨料混凝土的力学性能J 武汉大学学报: 工学版， 2010， 43( 1) : 85- 88 4 肖建庄， 李佳彬， 孙振平， 等 再生混凝土的抗压强度 研究J 同济大学学报: 自然科学版，2004， 32( 12) : 1558- 1561 5 KONNO K，SATO Y，KAKUTA Y，et alProperty of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression JTransactions of the Japan Concrete Institute，1997，19 ( 2) :231- 238 6 杨有福 钢管再生混凝土构件力学性能和设计方法若 干问题的探讨J 工业建筑， 2006， 36( 11) : 1- 10 7 薛建阳 组合结构设计原理M 北京: 中国建筑工业 出版社， 2010 8 王兵， 朱平华 钢骨再生混凝土的耐火性能研究J 新型建筑材料， 2009， 36 ( 12) : 23- 27 9 李立权 混凝土配合比设计手册M 广州: 华南理工 大学出版社， 1999 10 杨勇， 庄云， 郭子雄， 等 型钢混凝土柱承载能力主要 规程计算方法比较J 工业建筑， 2007， 37( 5) : 82- 88 67