方钢管再生混凝土长柱轴心受压性能试验研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1 0期 (总 第 3 1 2期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 0 8 方钢管再生混凝土长柱轴心 受压性能试验研 究 张兆强 ， 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 ： 以长细比为主要变化参数 ， 对 8 个方钢管再生混凝土长柱试件进行了轴心受压单调加载试验。 通过试验 ， 观察了试件受 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 ， 分析 了长细比对试件承载性能的影响， 并讨论了国内现行常见 规范所推荐方法对方钢管再生混凝土长柱轴压承载力计算的适用性。 结果表明： 方钢管再生混凝土长柱轴心受压主要经历了弹 性 、 屈服以及破坏三个阶段 ， 长细比较小试件 ， 主要体现为材料强度破坏 ， 长细 比较大的试件 ， 受二阶效应影响明显， 主要表现为 整体弯曲失稳破坏， 所有试件破坏前均出现了管壁局部屈曲现象 ； 长细比对试件承载力影响较大， 试件承载力随长细比的增加而 逐渐降低 ； 建议采用 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3与 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4 规范进行方钢管再生混凝土轴压长柱的承载力计算。 研究结果可为工 程应用提供参考 。 关键词： 钢管再生混凝土； 长柱； 轴心受压 ； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 0 l 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 2 9 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t ef i l l e d s qu a r e s t e e l t u b u l a r l o n g c ol u mn s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i on ZHAN G Zha o q i a n g 一， ZHA 0 J t mha i ， X U 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， Ch a n g n Un i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Mi a n y ang 6 2 1 0 1 0， C h i n a ) Abs t r a ct ： Co ns i d e r i n g s l e n d e r n e s s r a ti o a s ma i n f a c t o r s ， t h e t e s t s o n 8 r e c y c l e d a g g r e g a t e c on c r e t efil l e d s q u a r e s t e e l t u b u l a r l o n g c o l ul n n s u nd e r a x i a l c o mp r e s s i o n we r e c a r r i e d o u t Th r o u g h t h e t e s t ， the wh o l e l oa d i n g p r o c e s s a n d f a i l u r e mod e we r e o bs e r v e d， th e l o a d d i s p l a c e me n t c u rve s an d l oa ds t r a i n c u r v e s we r e a l s o c a p tur e d Th e i n flu e n c e o f s l e n d e rne s s r a t i o o n the be a rin g c a p a c i t y wa s an a l y z e d And t he a p p l i c a b i l i t y of c a l c u l a t i o n me tho d s r e c o m me n d e d b y c u r r e n t s t an d a r d s t o the s p e c i m e ns we r e d i s c u s s e d Th e r e s u l t s s ho w tha t the s p e c i me n s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n ma i n l y e x p e rie n c e t h r e e s t a g es ， e l a s t i c s t a g e， y i e l d s t a g e an d f a i l u r e s t a g e Sp e c i me ns wi th s ma l l e r s l e n d e r n e s s r a t i o a r e be h a v i n g mo s t l y a s t h e i n t e n s i t y f a i l u r e， wh i l e the o n e s wi th r e l a t i v e l y l a r g e s l e n d e rne s s r a t i o are be h a v i n g mo s t l y a s the o v e r a l l be n d i n g i n s t a bi l i t y f a i l u r e， b e c a us e t h e y ar e s i g n i fic a n t l y a f f e c t e d b y t h e s e c o n d o r d e r e f f e c t s Th e l o c a lb u c k l i n g o f the s t e e l tube ha v e a p p e are d a t a l 1 s p e c i me n s b e f o r e f a i l u r e Sl e n d e rne s s r a t i o h a s g r e a t e f f e c t o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y of s p e c i me n s Whe n t h e s l e n d e r ne s s r a t i o i n c r e a s e s， t h e b e a tin g c a p a c i t y wi l l d e c r e a s e Th e t e c h n i c a l s pe c i fic a t i o n DBJ 1 3512 0 0 3 a nd CECS1 5 9： 2 0 0 4 are r e c o mm e nd e d f o r c a l c u l a t i n g the b e a r i n g c a pa c i t y 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 fil l e d s q u are s t e e l t u bu l ar l o n g c o l u mns a n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n Th e r e s u l t s c a n b e us 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： r e c y c l e d a gg r e g a t e c o n c r e t efil l e d s t e e l t u b e； l o n g c o l u mn s； ax i a l l o a d； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 0 引言 近年来， 随着我国经济持续快速发展， 城镇化建设不 断推进 ， 对既有建筑的拆除 、 改造 和升级大量进行 ， 由此 产 生 了大量 的建筑垃圾 ， 其 中废弃混凝 土所 占比例最 大， 给 生态环境造成了越来越严重的污染 。 如何科学有效地处 理 这些建筑垃圾尤其是废弃混凝土， 成为关系可持续发展需 要解决的重要课题 。 基于钢管普 通混凝土工作原理 ， 将再 生混凝土灌入钢管形成的钢管再生混凝土技术 ， 利用钢 管 对再生? 昆 凝土的约束作用， 使再生混凝土的强度和变形性 能得到改善 ， 可提高再 生混凝土 的利用层 级和效率 ， 具有 很好 的推广应用价值 。 目前 ， 对于钢管再生混凝 土的研究 已成为热点。 杨 有 福等 ， 陈宗平等 ， 邱慈长 等 相继 开展 了钢管再 生混凝土短柱轴压性能的试验和数值模拟工作。 研究结果 表明： 钢管再生混凝土轴压短柱与普 通钢管混凝土轴压 短 柱的受力过程和破坏模式相似 ， 具有 良好 的承载能力和变 形性能。肖建庄等 ， K o n n o ， K等 研究 了钢管约束再 生 混凝土构件 的强度 和变形能力 。 吴波 等 还 开展 了采 用大块状 、 大节段再生骨料形成的钢管再生混合构件轴压 和抗剪性能 的试验研究工作 。 上述成果为进一步推进钢管 再生混凝土 的研究与应 用奠定 了 良好基础。 但 总体来讲 ， 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 一叭一1 3 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 ) 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对钢管再生混凝土的研究还处于起步阶段 ， 对长柱构件的 研究还较少 ， 而工程实践 中 ， 作 为竖 向主要承重构件 的柱 多以长柱出现。 因此 ， 本试验拟通过试验研究方钢 管再生 混凝土长柱的轴压性能 ， 并探讨长细 比等因素对承载能力 以及变形的影响 ， 以期为工程应用提供参考。 1试 验 概 况 1 1 试验材料及其基本性 能测试 试验采用 的材料为方形直缝焊接钢管、 中联牌普通硅 酸盐水泥( P O 3 2 5 R) 、 普通 中砂 、 城 市 自来 水 、 粗 骨料 ( 包含再生粗骨料和天然骨料两种 ) ， 均采 用连续级配 ， 最 大粒径 2 5 m m， 其中再生粗骨料 由服役 3 0余年后 的钢筋 量见表 1 。 钢材和再 生混凝 土 的基本 性能试验方法 ， 分别 依据 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 金属 材 料 室温 拉伸 试 验方 法 、 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方 法标准 进行 ， 主要性 能指标见表 2 。 1 2 试件设计 与制作 试验共设计 了 8 个试件 ， 主要考虑 因素为长细 比 A， A 的变化范围为 2 0 7 4 8 3 1 4 。 试件按照设计好 的长度加工 好后 ， 在一端焊上边 长为 1 5 0 m m， 厚度 为 1 0 mm 的正方 形钢板作为底板 ， 底板 与空方钢管须几何对 中， 并保 证焊 缝质量 。 混凝土从另外一端 ( 顶部 ) 进行浇筑 ， 在振动 台上 分 2 层振捣密实。 浇筑 时端部混凝土 面应稍 高于钢管面 ， 待养护完毕后 ， 用打磨机将 其打磨 至与钢管端面齐平 。 试 混凝土梁经机械破碎 、 筛 分后获得。 再生混凝 土的组分含 件参数见表 3 。 表 1 每立方米再生混凝土组分含量 试件编号 试件尺寸( B t L ) mm y 长细比A 套箍系数 0 承载力 N u k N 注： A= 2 。 B， L 。 为计算高度 ， 本研究取 L ， 0 = A J y A J c ， A 、 A 分别为钢管截面积以及核心混凝土截面积。 1 3 加 载装置及测量 方式 试验在西南科技大学结构与力学试验中心进行 ， 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 。 荷载通 过置于试件顶端正中的钢垫板施加到试件上 ， 轴 向位移 由 试验机 白 带 的位移计适时采集 。 试件 中部的轴 向及环 向的 应变 由静态应变仪 D N 3 8 1 5 采集 ， 试验装置及测点布置见 图 1 。 试件采用分 级加载 ， 在小 于 6 0 预计极 限荷 载的范 围内， 每级荷载为预计极 限荷载 的 1 1 0 ； 当加载超 过此范 围后 ， 每级 荷载 为 预计 极 限荷 载 的 1 1 5 ， 每级 荷 载持 荷 2 mi n ， 临近破坏时缓慢连续加载 ， 当试件承载力下降至极 限荷载 的 8 5 H 停止加载。 加载现场见图 2 。 30 图 1 加载装置及测点布置图 图 2加载 现场 2 试验现 象及破坏形态 全部试件的受力过程基本相似 。 在加载初期 ， 试件表 面均无 明显变化 ， 试件处于弹性阶段。 当荷 载增大到极 限 荷载的 8 0 9 0 时 ， 钢管 出现掉锈现象 。 加载超过极 限荷 载 9 0 后 ， 试件上部靠近端部 附近和 中部的钢管壁 出现局 部鼓起 ， 随着荷载的继续增加 ， 局部鼓起增 大并扩展形成 了多条明显的鼓曲线 ， 随后试件竖 向变形快 速增大 ， 荷载 迅速下降， 试件宣告破坏 。 C H Z I C H Z 3三个试件 ， 由于长 细 比相对 较小 ， 受二 阶效 应影 响不 明显 ， 侧 向挠 度 很小 ( C H Z 1 、 C H Z 2 几乎没有 侧 向挠度 ) ， 试 件破坏 时 ， 钢管壁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 鼓 曲线较多 ， 核心再生混凝土 出现被压 碎 ， 试件表现 出较 多的材料强度破坏 ； 而对 于 C HZ A C HZ 8五个试件 ， 由于 长细 比相对较大 ， 受二阶效应影 响明显 ， 端部 屈 曲相对 较 轻 ， 巾部挠度过大 ， 试件主要体现为整体弯曲失稳破坏 。 试 件破坏形态如图 3所示。 ( a ) 局部属曲 ( b ) 整体失稳 f c ) 破坏合 照 图 3 试 件破 坏 状态 3试验 结果分析 3 1 荷载 一位移 曲线 各试件荷载 一 轴 向位移关系曲线如图 4所示。 从图中 可以看出 ， 在加载初期 ， 各试件处于弹性 阶段 ， 其荷载 一位 移曲线基本呈线性变化 。 随着荷 载的增加 ， 醢线出现拐点 ， 此时构件屈服 ， 钢管出现局部屈曲 ， 随后进入破坏 阶段 ， 表 明试件均经历 了弹性 、 屈 服和破 坏三个阶段 ， 这与前述 现 象基本一致 。 C H Z I C H Z 3三个试件 的曲线还出现 了明显 的尖点 ， 而后曲线迅速下 降， 主要 是 由于试件达到极 限承 载力后 ， 靠近端部钢管 已几 乎完全屈服 ， 混凝土被压 碎所 敛。 、 而 C H Z A C H Z 8 试件则较为平缓 ， 主要 是由于该几个 试件长细 比相对较 大， 受 二阶段 效应影响 ， 中部 发生了缓 慢且较 明显的侧 向弯曲， 而端部屈 曲相对较轻 ， 构件达到 极限承载力之前出现 了较 长的流幅。 由图还可看 出， 长细 比对试件承载力有 较大影响 ， 随着长细 比的增 大 ， 承载力 逐渐降低 ， C H Z 8与 C H Z 1 相比降低达 2 4 。 3 2 荷 载 一轴 向应 变关 系曲线 试验轴向应变数据 由在试件 中部粘贴 的轴 向应变片 测得 ， 全部试件 的衙载 一轴 向应变关系 曲线如 图 5所示。 由于试件达到 极限承 载力 以后 ， 承载力 整体来 讲下 降较 快 ， 应变采集相对较慢 ， 难以与下降段承载力一一对应。 因 此 ， 仪列 出从开始加载到极限承载力期 间的应变数据 ( 其 中， C H Z 2试件加载 中， 由于应变仪断电导致后续应变数据 未能采集 ) 。 从网中可 以看 出， 当荷载较小 时， 应变 随荷载 的增大基本呈线性增加。 试件达到极 限承载力时， 钢管应 变在 0 0 0 1 5 0 0 0 3 1范围变化 ， 表明钢管均 已屈服 ， 且长 细比相对较 大， 达到极 限承 载力时 ， 钢管的应变也 卡 1 对较 大 ， 主要是由于长细比越大 ， 受二阶效应影响越大 ， 导致试 件中部挠度越大 ， 钢管屈 曲也越明显 。 Z 嬗 o 2 4 6 8 l o l 2 l 4 位移 mm 图4试件荷载 一 位移关系曲线 一 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 o 0 2 0 0 0 1 5 0 0一 l 0 0 0 5 0 0 0 应变 图5 试件荷载 一轴向应变关系曲线 3 3 荷 载 一环 向应 变关 系曲线 通过 在试件 中部粘 贴的环 向应变片 ， 得 到各试件 荷 载 一 环 向应变关系曲线如 图 6所示。 从 图中可以看出 ， 当 荷载较小时 ， 曲线呈现出线性变化。 当荷载增加到极 限承 载力的 8 0 左右时 ， 试件开始进入 弹塑性 阶段 ， 曲线 呈非 线性变化 。 当荷载继续增大 ， 达到试件极限承载力时 ， 中部 钢管环 向应变达到 0 0 0 1 6 。 Z 迄 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 o o 1 o o o1 2 0 01 4 0 01 6 o 0 麻 变 u 图 6试件 荷载 一环 向应 变关 系曲线 4 承载 力计算 目前 ， 国内学者对钢管混凝 土 已开展 大量研 究工作 ， 取得 了 许 多 丰 富 的 成 果 ， 形 成 了 相 关 规 范 ， 主 要 有 CE CS 1 5 9： 2 0 0 4 “ 、DBJ 1 3 51 - 2 0 0 3 、GJ B 4l 4 2 2 0 0 0 1 4 等 。 本研究基于试验数据 ， 利用上述规范推荐 的承 载力计算方法 ， 计 算各试件 的极 限承载力 ， 并 与实测结果 进行对 比分析 ， 结果见表 4 5 。 1 Z ZZ Z H H H H C C C C ： Z Z Z Z H H H H C C C C Z Z Z Z H H H H C C C C ： Z Z Z Z H H H H C C C C O 0 0 O O 0 0 O0 O 0 O 0 0 ：2 如 如 加”m z 铎窀 Z Z Z Z H H H H C C C C ZZZ Z H H H H C C C C 如如 如如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 计算结果与试验结果比较 表 5 试件对比结果统计 由表 4 5可看出 ， 运用规范 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4计算得到 的承载力均小于实测值， 且相差较大， 设计计算过于保守； 而采用 D B J 1 3 5 1 _2 O 0 3 、 G J B 4 1 4 2 -2 0 0 0规范 推荐计 算式计算结果与实测值吻合较好 ， 因此， 建议工程实践中 采用规 范 D B J l 3 5 1 _2 0 0 3 、 G J B 4 1 4 2 -2 0 0 0来 进行方 钢管再生混凝土轴压长柱 的承载力设计计算 。 5 结 论 ( 1 ) 方钢管再 生混凝土 长柱轴 心受压 主要 经历 了弹 性、 屈服以及破坏三个阶段 ， 长细比较小试件， 主要体现为 材料强度破坏 ， 长细 比较大的试件 ， 受二阶效应影响 明显 ， 主要表现为整体弯 曲失稳破坏 ， 全部试件在破坏之前均出 现 了管壁的局部屈 曲现象。 ( 2 ) 长细 比对试件 的承载力有较大影 响 ， 试件 承载力 随着长细比的增加而逐渐降低。 ( 3 ) 通 过 国 内常见几 个 规范 的对 比分析 ， 发 现利 用 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3与 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4规范计算结果与试 验数据吻合较好 ， 建议在设计时采用 。 参 考文 献 ： 1 杨有福 冈 管再生混凝土构件力学性能和设计方法若干问题 的探讨I- J 工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 5 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 E 3 陈宗平， 柯晓军 ， 薛建阳， 等 冈 管约束再生混凝土的受力机理 及强度计算 J 土木工程学报 ， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 2 ) ： 7 0 7 7 1- 4 陈宗平 ， 张士前， 王妮 ， 等 钢管再生混凝土轴压短柱受力性能 的试验与理论分析I- J 工程力学， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 0 7 1 1 4 5 李军涛， 陈宗平， 刘峰 冈 管再生混凝土轴压性能试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 1 2 ， ( 7 ) ： 1 3 1 8 6 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F J 试验力学， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 1 ) ： 91 5 7 肖建庄， 杨洁， 黄一杰， 等 冈 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 8 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 m n 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 m p r e s s i o n r 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 t i tu t e ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 3 1 2 3 8 9 吴波， 刘琼祥 ， 刘伟 ， 等 钢管再生混合构件初探 J 工程抗震 与加固改造， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 2 0 1 2 4 1 0 吴波， 刘琼祥 ， 刘伟， 等 钢管再生混合短柱的轴压性能试验 J 土 木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 2 ) ： 3 2 3 8 1 1 吴波， 许酯， 刘琼祥， 等 薄壁钢管再生混合柱的抗剪性能试验 J 土木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 9 ) ： 1 2 2 1 1 2 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4 ， 矩形钢管混凝土结构技术规程 s 北京 ： 中 国计划出版社 ， 2 0 0 4 1 3 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3 ， 钢管混凝土结构技术规程 s 北京 ： 中国 建筑工业出版社， 2 0 0 3 1 4 G J B 4 1 4 2 -2 0 0 0 ， 战时军港 岛 早强型组合结构技术规程 s 北 京 ： 中国人民解放军总后勤部 ， 2 0 0 0 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。 四川省绵阳市涪城区青龙大道中段 5 9号 西南科技大 学土木工程与建筑学院( 6 2 1 0 1 0 ) 1 3 4 5 8 0 2 4 3 9 0 ； ) ： 0； 0 t 0； t 西安开展建筑工地和预拌混凝土、 砂浆、 企业扬尘治理百 日专项整治活动 1 0月 8日， 陕西省西安市未央区治污减霾办下发了 未央区建筑工地和预拌混凝土 、 砂浆企业扬尘治理百 日专项整 治活动工作方案 ， 决定从即日起至 1 2月3 1日， 围绕全区建筑工地和预拌混凝土、 砂浆企业扬尘治理工作， 由区建设和 住房保障局牵头 ， 由各街道办 ( 管委会 ) 、 区城改办 、 区城管执法局 、 区市容园林局具体负责所属工地的管理。 全区各类建筑工地必须按照“ 6个百分之百 ” 的要求 ， 真正实现规范化 、 精细化 、 经常化管理。每个工地必须做到街办 ( 管委会 ) 领导包抓 、 监管责任 明确 ， 所属街办( 管委会 ) 每天至少检查 一次 ， 并做好检查记 录。凡上级通报 、 督办整改 、 媒 体曝光的建筑工地 ， 应立即停工整改， 经西安市治污减霾办或市建委验收后复工 。对拒不停工整改的依法予以查处。 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m