方钢管约速的包容型再生混凝土柱由压试验研究(建筑)

周桂香^1,2，蒋凤昌^1,2

（1．泰州职业技术学院，江苏泰州225300；2．江苏省第一建筑安装股份有限公司博士后科研工作站，江苏泰州225300）

[摘要]为了加快综合应用包容型再生混凝土，掌握方钢管约束的包容型再生混凝土柱轴压承载力性能，设计了11根试验柱进行轴压承载力试验，考虑的主要因素包括旧料混凝土掺入率、旧料混凝土强度、膨胀剂掺入量和钢筋配置情况。采用叠加法、VonMises屈服条件和试验拟合法，推导构件的承载力计算公式。试验表明，在试件中掺入同强度的旧料，掺入率可达50%，承载力下降10%以内；掺入较低强度的旧料，掺入率为30%，承载力下降不超过15%；膨胀剂掺入量达水泥用量10%时，试件承载力提升较明显；试件中配置纵向钢筋，可以有效提高构件承载力。方钢管约束的包容型再生混凝土柱具有良好的轴压承载力，工程应用前景良好；所提出的公式计算结果与试验结果吻合较好，可为工程应用提供有益的参考。 [关键词]方钢管约束；包容型再生混凝土柱；轴压承载力；试验；实用计算公式

[中图分类号]    TU398⁺．9   

0  引言

    在建筑废弃物中，废旧混凝土的比重很大，高效综合开发利用废旧混凝土能产生良好的社会效益和经济效益。采用简化处理废旧混凝土的工艺，直接将破碎的旧料拌制到新混凝土中，能够以较低成本生产包容型再生混凝土。此类新型再生建筑材料的推广应用有利于建筑业的可持续发展。

    为改善包容型再生混凝土的轴压受力性能，可将包容型再生混凝土灌人钢管中形成钢管混凝土柱。由于钢管的约束作用，可使包容型再生混凝土处于三向受压状态，有效减轻包容型再生混凝土因孔隙率较大、吸水率较大、骨料内部因破碎产生微裂缝等缺陷而对承载力产生的负面影响。

    由于方钢管柱易于与墙、梁等构件连接处理，在建筑工程中应用较多，故而研究方钢管约束的包容型再生混凝土柱承载力性能亦具有现实意义。本文进行了11根方钢管-包容型再生混凝土柱的轴压试验，并且依据理论分析和试验数据拟合，提出此类构件的承载力计算公式，进一步推动废旧混凝土在钢管-包容型再生混凝土构件中应用。

1  轴压试验

1.1  材料试验

    本次试验制备的包容型再生混凝土依据旧料混凝土的掺人率和旧料强度可划分为五类，进行立方体试块抗压试验，材料试验结果详见表1。依据旧料掺入率的不同，设计包容型再生混凝土的配合比，详见表2。对方钢管上所取板材和方钢管内配置的纵向钢筋进行拉伸试验，试验结果详见表3。

1.2  试件设计

    试验主要考虑旧料混凝土掺人率、旧料混凝土强度、膨胀剂掺入量和钢筋配置四个影响因素，设计11根方钢管-包容型再生混凝土柱，其中包括2根试验对比柱，具体参数详见表4。试验柱的形状详见图1，高宽比取3，试件钢管的两端面均应机床上通过机械加工磨平，并且严格控制其长度、平整度和垂直度，确保两端面与方钢管轴线垂直。为防止试件浇筑时漏浆．预先将钢管底部用塑料薄膜封底，包容型再生混凝土从钢管顶部灌入，分层浇筑，人工振捣，混凝土终凝前抹平柱端。

1.3  加载装置与加载制度

    方钢管-包容型再生混凝土柱的轴压承载力试验在泰州市混凝土结构加固与修复工程技术中心完成。试验加载装置（见图2）为江苏一建博士后工作站研发设计的SST-500自平衡加载系统，主要设备与仪器包括：分离式液压千斤顶( 5000kN)、荷载传感器( 5000kN)、球铰支座、数据采集仪、位移计等。试验测点布置主要包括：沿试件纵向对称布置位移计，测量试件整体轴向变形；在试件跨中部位的4个侧面呈T形布置应变片，分别测试钢管壁的纵向变形和环向变形。

    试验加载制度采用速度控制。为提高试验效率，系统加载速率采用变速加载：在轴压荷载达到名义承载力60%之前，加载速率为0.05 mm/s；超过名义承载力60%时，加载速率减小，调整为0.01 mm/s。当试验荷载下降至极限荷载的70%或试件的纵向变形达到30mm时，停止试验加载。

2  试验结果与分析

2.1试件破坏特征

    试验观察发现，所有方钢管-包容型再生混凝土柱的破坏都属于塑性破坏，并且后期承载力良好。试验加载初期，试件处于弹性阶段，钢管壁上未见变化；当外界荷载增加至极限荷载的60%时，钢管壁上出现轻微的铁锈脱落，局部方格网渐变为棱形，即局部开始出现剪切滑移线。随着外荷载的继续增加，试件跨中某部位开始向外凸出，试件进入塑性阶段；壁上的滑移线增多，逐渐布满管壁，钢管表面环向应变片数据急剧增大，有些应变片脱落，试件开始进入破坏阶段。随着加载，呈现2～3圈的多折腰鼓状屈曲（见图3），试件破坏时钢管截面凸曲的顺序：由管壁边长中部向角部延伸，最终形成完整的圆圈。

    为了掌握试件破坏后钢管内部混凝土的破坏情况，用手提式切割机将钢管剖开，观察试件钢管内的破坏形态。内部混凝土顺着钢管变形趋势也形成明显的鼓曲状态，但表皮光滑完整，并未粉碎松散。这说明混凝土已遭破坏，但受钢管的约束，又被模压成多折腰鼓形。用小铁锤轻轻一击，也就应声而破碎（见图4）。

2.2轴压试验结果

    采用数据采集仪获得试验主要数据，列于表5。

    为了便于归纳试验曲线的普遍规律，将曲线正则化处理，从而获得无量纲的应力-应变曲线（见图5）。

2.3分析影响因素

    1)旧料混凝土掺入率

    为研究旧料掺人率对构件承载力的影响，设计新浇混凝土为C30，旧料亦为C30，掺入率分别为0%、30%和50%。试验结果如图6所示。当掺入30%时，屈服荷载由2252kN降至2178kN，下降3.3%；当掺入50%时，屈服荷载由2252kN降至2078kN，下降7.7%。由此可见，在混凝土中掺入同强度旧料混凝土，方钢管-包容型再生混凝土柱的屈服承载力随着旧料掺入量增加而呈下降趋势，下降幅度可在10%以内。

在新拌混凝土中分别掺入30%的C20、C30和C40旧料，制作试件。如图7所示，三种试件分别与对比试件相比：①当旧料强度为C40时，试件屈服荷载由2481kN降至2474kN，下降0.3%；②当旧料强度为C30时，试件屈服荷载由2481kN降至2457kN，下降1%；③当旧料强度为C20时，试件屈服荷载由2481kN降至2168kN，下降12.6%。由本组试验结果可见，在混凝土中掺入旧料混凝土为C40和C30时，柱的屈服承载力略有下降，降幅约在5%以内；旧料强度为C20时，试件承载力下降幅度皆超过10%，但在15%以内。

  2)旧料混凝土强度

  在膨胀剂掺入量、纵向钢筋配置和旧料掺入率皆相同的前提条件下，仅改变旧料混凝土的强度，即

    3)膨胀剂掺入量

    如图8所示，在同样掺入30%的C30旧料前提下，试验分别掺入水泥重量的0%、5%和10%膨胀剂。方钢管．包容型再生混凝土柱试件中：当掺人5%膨胀剂时，屈服荷载由2178kN增加至2213 k N，提高1.6%；当掺入10%膨胀剂时，屈服荷载由2178kN增加至2274kN，提高4.4%。试验表明：膨胀剂的掺入，能够增加构件承载力，但是，当掺量为水泥用量的5%时，承载力提高不够明显；当掺量达10%时，承载力可以提高较多，增加幅度接近5%。

    4)钢筋配置

    其他条件相同的前提下，在方钢管-包容型再生混凝土柱中配置纵向钢筋，试件屈服承载力的变化情况详见表6。试验结果表明，试验柱中配置纵向钢筋后，承载力的增加量与所配纵筋名义承载力基本接近。

3  轴压理论分析

3.1公式推导

1)方钢管-包容型再生混凝土的极限承载力N

2)再由试件受力（见图9）平衡和简化的

3)由试验数据回归，表达式中的待定参数，并结合《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)所给的公式形式，可以获得方钢管一包容型再生混凝土柱承载力实用计算公式：

    4)当配置纵向钢筋时，方钢管-包容型再生混凝土柱的承载力计算公式可表达为：3.2公式验证

    为验证所推导公式的适用性，将11根试验柱的实测屈服荷载试验值与公式计算结果进行比较（见表7）。可以看出，公式计算结果与试验实测结果的比值在0. 914~0.995之间，比值的平均值为0. 965，标准差为0.028。公式计算结果与试验结果吻合较好，说明本文所提供的实用公式可以用于方钢管-包容型再生混凝土柱的承载力计算，并且计算结果较试验实测值小些，具有一定的安全储备。

4  结语

    通过对11根试验柱的轴压承载力试验研究与理论分析，可获得以下主要结论：

    1)在方钢管约束的情况下，包容型再生混凝土柱具有良好的轴压承载力。包容型再生混凝土中所掺入同强度的旧料混凝土，旧料掺入率可达50%，试验柱的屈服承载力略有下降，降幅可在10%以内；掺入较低强度的旧料时，旧料掺入率为30%，试件承载力下降稍大，但不超过15%。试验表明此类包容型再生混凝土构件具有良好的应用前景。

    2)在增加方钢管-包容型再生混凝土柱承载力措施方面，膨胀剂掺入量达水泥用量10%时，效果才稍明显，承载力增加值接近5%；配置纵向钢筋可有效提高试件承载力，增加量与纵筋名义承载力基本接近。

    3)基于试验研究和理论推导，考虑旧料混凝土掺入率、旧料混凝土强度、膨胀剂掺入量和钢筋配置等影响因素，提出方钢管-包容型再生混凝土柱承载力实用计算公式，可为工程应用提供有益的参考。