钢管再生混凝土短柱的力学性能
WRC_T钢管混凝土短柱轴心受压力学性能
收稿日期:2007-12-15基金项目:湖北省建设科技计划项目(K200513)作者简介:杜国锋(1975—),男,博士研究生,主要从事钢-混凝土组合结构研究.文章编号:1671-2021(2008)06-0939-06WRC -T 钢管混凝土短柱轴心受压力学性能杜国锋1,2,徐礼华1,3,温 芳1,徐浩然1(11武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉430072; 21长江大学城市建设学院,湖北荆州434023;31岩土与结构工程安全湖北省重点实验室)摘 要:目的了解WRC -T 钢管混凝土柱的破坏形态、受力和变形性能,考察约束效应系数、长细比、肢长腹比等参数的影响,探讨极限承载力计算方法.方法设计制作20个WRC -T 钢管混凝土短柱试件,通过轴心受压试验,实测试件的荷载-变形曲线和极限承载力,分析各参数对短柱轴心受压力学性能的影响,参考国内外相关规范条文,通过试验数据回归分析,提出WRC -T 钢管混凝土短柱轴心抗压极限承载力的计算模型.结果试件呈剪切型或局部凸曲型破坏,提高约束效应系数可以明显提高试件的极限承载力和后期承载能力.结论WRC -T 钢管混凝土短柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能较好;极限承载力公式计算结果与试验值符合较好;计算公式可供工程设计参考.关键词:钢管混凝土;组合柱;轴心受压;力学性能;短柱中图分类号:TU398+19 文献标志码:A 0 引 言组合焊接T 形或L 形钢管混凝土柱(Weld 2ing Rectangular Composite T -shaped or L -shaped Concrete -Filled Steel Tubular Column ,简称WRC -T 或WRC -L 钢管混凝土柱)是一种新型的异形钢管混凝土柱.异形截面钢管混凝土柱应用于高层住宅建筑能使结构避免肥梁肥柱,避免房间出现棱角,适合建筑平面布局,提高使用面积;也可用作多层地下室逆作法的承重支护结构,节约大量钢支撑,使地下室与地面以上同时施工,大大缩短了工期,提高了工程质量,对异形截面钢管混凝土柱的研究受到专家学者的普遍关注.目前,华南理工大学提出了带约束拉杆的T 形、L 形钢管混凝土柱[1],并进行一系列力学性能试验研究;同济大学进行了T 形、L 形钢管混凝土柱抗震性能研究[2],但国外相关研究资料尚未见报道.近年来,异形截面钢管混凝土柱已成功应用于广州新中国大厦、广州市名汇商城、江门中旅大厦等大型建筑工程中,广州百货大厦新楼和广州名励大厦等大型工程在设计上正在推广应用.然而,异形钢管大多是由多块钢板直接焊接而成,截面几何形状难以准确控制,不便于工厂或现场制作加工,焊缝难以保证质量,约束能力差,影响了其推广应用.为解决上述问题,寻找一种约束力强、施工方便的异形钢管混凝土柱,在总结各种异形钢管混凝土柱工程应用的基础上,提出将两根方形钢管直接焊接形成的WRC -T 或WRC -L 钢管混凝土柱,并对WRC -T 钢管混凝土短柱的力学性能进行试验研究,以期得到这种新型组合柱的破坏形态和极限承载力计算方法.1 试验概况111 试件的设计与制作试验共设计了10组共20个试件(试件截面形式如图1所示),相同型号的试件每组2个,试验实测承载力N s 为2个试件的平均值.试验主要考察管壁厚度t (可以看作约束效应系数2008年11月第24卷第6期 沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science ) Nov. 2008Vol 124,No 16ξ[3]),腹板宽度b、长细比λ等参数对试件力学性能的影响.试件各种参数及实测承载力值见表1.试件混凝土、钢板的材料性质,均按标准试验方法[4-5]实测而得,实测边长150mm混凝土试块立方体抗压强度为49196MPa,钢材力学性能指标详见表2,表2中f y为钢材屈服强度,E s为弹性模量.μs为泊松比,f s为极限抗拉强度. WRC-T钢管混凝土柱由矩形钢管型材焊接而成,即将钢管型材按设计长度截断,再根据T 形截面尺寸将两根钢管组合,通过焊缝连接在一起,并保证两端平整,对应每个试件加工两块厚10mm的方形盖板(尺寸如图1所示),先在空钢管一端将盖板焊上,然后浇灌混凝土,待混凝土养护两周后将端口磨平,在坑洼处填补高强水泥砂浆,最后焊上另一盖板,以期尽可能保证钢管与核心混凝土在试验加载时共同受力.所有构件的上下盖板焊接时要与空钢管几何对中,所有焊缝均按《钢结构设计规范》(G BJ50017-2003)进行设计,并保证焊缝质量.表1 试件参数及承载力实测值试件编号b/mm b1/mm b2/mm h1/mm h2/mm t/mm L/mmλζN s/kN WRC-T-18035351001004450712711382144 WRC-T-28060601001004450713011232225 WRC-T-315025251001004450710711572850 WRC-T-410050501001003450712501982250 WRC-T-510050501001004450712011292388 WRC-T-610050501001005450712211552580 WRC-T-710050501001004350516011302406 WRC-T-810050501001004550818111302385 WRC-T-910050501001004650101411302378 WRC-T-1010050501001004900141411302375表2 钢材的力学性能t/mm钢管型号f y/MPa E s/(105MPa)μs延伸率/%f s/MPa3100×2003141571192012522612411121100×1003061171188012612315392165 4100×100291156210012632512419153 100×20030513511915012542513420155100×1503151251190012492515427175100×802701201191012502418355125 5100×2003061502101012562416383135 100×1003001231193012602510381142图1 试件断面图112 承载力试验试验在武汉大学结构试验中心5000kN压力试验机上进行,见图2.笔者所指的轴心受压是指加载中心为T形试件的组合截面形心,计算时要考虑材料的弹性模量.试验初始阶段采用力控制方式分级加载,每级荷载为预计极限荷载的1/10,持荷时间为2min;当荷载达到预计极限荷载的75%以后改为位移控制加载,每级位移为预计总变形的1/20,持荷时间为2min,荷载值均由940 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第24卷压力传感器读取.在试件的柱头和柱脚间设置4块百分表,分别测定图3所示的试件两个对角边柱头和柱脚间的相对位移,取两组百分表读数的平均值为试件的轴向变形值.为准确地测量试件的应变,在每个试件钢管外壁中截面处沿周长布置纵向和环向电阻应变片共16片,如图4所示,采用静态数据采集系统采集应变数据.图2 试验加载照片图3 百分表布置示意图图4 应变片布置示意图2 试验结果与分析211 试验现象对试件进行一次加载试验,在极限荷载的70%～80%之前,WRC -T 钢管混凝土短柱外观没有明显变化,但试件长边钢管与核心混凝土空鼓现象逐渐增多,范围逐步扩大,反映出钢管与核心混凝土的局部粘结已经破坏,但随着荷载继续增大,核心混凝土纵、横向变形增大,空鼓又逐渐被挤实,约束效应逐渐产生并增强.随着混凝土变形增大,其应力达到圆柱体抗压强度,试件达到极限承载力.在加载过程中,由焊缝连接的两个矩形钢管受力均匀、变形协调,能很好地协同工作,没有出现焊缝开裂现象.212 破坏形态试验发现,WRC -T 钢管混凝土短柱破坏形态有两种,即剪切型破坏和局部凸曲型破坏.WRC -T -1和WRC -T -3钢管混凝土柱,腹板宽度较大,截面回转半径较大,当外荷载加到极限荷载80%左右时,钢管壁上开始出现剪切滑移线,随着外荷增加滑移线由少增多,随后进入破坏阶段,试件典型破坏形态见图5;对于其他试件,腹板宽度相对较小,因此截面回转半径也相对较小,当外荷载达到极限承载力后,混凝土产生局部压碎,柱上、下端约10cm 处长边凸曲,随后试件承载力下降,在试件承载力下降过程中,柱上、下端约10cm 处短边b 也逐渐凸曲,与此同时试件其他部位也多处凸曲,试件典型破坏形态见图6.图5 剪切破坏形态图6 局部凸曲破坏形态213 试验结果分析21311 各参数对试件极限承载力的影响(1)肢长腹比所谓肢长腹比是指,当试件腹板高度h 2、肢厚h 1、肢长(b 1+b 2+b )或腹板宽度b 不变时,肢长与腹板宽度的比值,即a =(b 1+b 2+b )/b.考虑肢长腹比的变化可以更加合理地确定肢长和腹板宽度,为研究WRC -T 钢管混凝土短柱的极限承载力提供参考.为此,设计制作了WRC -T -第24卷杜国锋等:WRC -T 钢管混凝土短柱轴心受压力学性能941 2、WRC -T -3和WRC -T -4试件,并对其荷载-平均纵向应变曲线和极限承载力进行研究,见图7所示,三个试件的肢长、管壁厚度和腹板高度均相同,试件WRC -T -2的肢长腹比为215,试件WRC -T -4的肢长腹比为210,试件WRC -T -3的肢长腹比为1133,从图7可以看出,当肢长等参数相同时,随着肢长腹比的减小,试件极限承载力增大,增加腹板宽度可以显著提高试件的极限承载力.图7 WRC -T -2、3、5试件荷载-平均纵向应变曲线 (2)约束效应系数约束效应系数ζ=f y A s /f ckA c (式中,A s 和A c 分别为钢管和混凝土的总面积,f y 和f ck 分别为钢材的屈服强度和混凝土抗压强度标准值).在不改变试件截面大小和钢材(混凝土)强度等级的情况下,通过改变管壁厚度来改变试件的约束效应系数(3个试件的约束效应系数值见表1所示),设计制作了WRC -T -4、WRC -T -5和WRC -T -6试件,并对其荷载—平均纵向应变曲线和极限承载力进行研究,见图8所示,从图中可以看出,随着约束效应系数增大,试件极限承载力提高,试件荷载—平均纵向应变曲线的下降段更趋平缓;同时也说明提高约束效应系数有利于提高试件的后期承载力.图8 WRC -T -4、5、6试件荷载-平均纵向应变曲线 (3)长细比长细比是界定长、短柱的重要指标,根据柱截面形式的不同,可以用L /b (B 矩形)、L /D (圆形)来定义,其中L 为柱的无支高度或长度;B 为矩形截面短边尺寸;D 为圆形截面的直径.但对于异形柱来讲,上述定义难以实现,因此在总结相关文献的基础上,提出用L /i 来定义试件长细比,其中,L 为柱的计算长度,i 为截面的回转半径,按照文献[6]中的公式计算,取最小值,见式(1).i =E s Is +012E c I cE s A s +012E c A c,(1)式中:E s 、E c 为钢材和混凝土的弹性模量;A s 、A c 为钢材和混凝土的面积;I s 、I c 为钢材和混凝土截面惯性矩.为研究WRC -T 钢管混凝土短柱L /i 的限值,设计制作了WRC -T -5、WRC -T -7、WRC -T -8、WRC -T -9和WRC -T -10试件,并对其荷载-平均纵向应变曲线和极限承载力进行研究,见图9所示.同时,以长细比最小的WRC -T -5试件为基础,绘制相对长细比e (e 为各试件长细比与WRC -T -5试件长细比的比值)与试件相对极限承载力n 的关系曲线,见图10所示.图9 WRC -T -7、8、9、10试件荷载-平均纵向应变曲线图10 试件相对长细比与相对极限承载力关系曲线942 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第24卷 从图9和图10可以看出,随着相对长细比的增大,试件极限承载力略有减小,但减小幅度在2%以内,试件荷载—平均纵向应变曲线的趋势一致,说明长细比在516～1414范围内的试件均可以认为是WRC-T钢管混凝土短柱.3 轴心受压极限承载力计算目前,国内外有关钢管混凝土结构的设计规范或规程主要有文献[6]～[10]、DBJ13-51-2003和CECS159:2004(2004)等,分别采用拟钢理论、拟混凝土理论、统一理论和叠加理论进行计算,但都未涉及异形钢管混凝土结构的设计计算方法.试验研究表明,提出的WRC-T钢管混凝土柱协同工作性能较好,其极限承载力可以视为两个组成部分极限承载力的叠加,因此,采用文献[6]、文献[8]和文献[10]中的计算公式对试件的大柱和小柱进行计算,将计算结果求和,并与笔者的试验值进行比较,结果见表3.从表3中可以看出,按文献[8]中公式计算的结果与笔者的试验结果比较接近.表3 承载力试验值与规范计算值比较试件编号试验值N s/kN按文献[6]计算N u/kN N u/N s按文献[8]计算N u/kN N u/N s按文献[10]计算N u/kN N u/N sWRC-T-12144124001581717018014680168 WRC-T-22225141101631954018816620175 WRC-T-32850161001562228017819110167 WRC-T-42250132301591831018115470169 WRC-T-52388146001612021018517230172 WRC-T-62580161801622240018719240175 在分析各国规范计算理论的基础上,笔者以文献[8]中的计算公式为参考,采用叠加理论计算试件的极限承载力.综合考虑钢材和混凝土强度等级,提出WRC-T钢管混凝土短柱极限承载力的计算公式,见式(2).并根据式(2)对WRC-T-1至WRC-T-6进行计算,将所得结果与试验结果进行对比,见表4.从表4中数据可以看出,式(2)计算结果与试验结果相似,当υ为0125时,两者之比的平均值为0190,均方差为01032;当υ为0145时,两者之比的平均值为0197,均方差为01033.式(2)可供工程设计参考.N u=f y A s+(1+υ)f ck A c,(2)式中:f y为试件各组合钢管的钢材屈服强度;A s 为试件各组合钢管的钢材截面面积;f ck为试件各组合部分混凝土的轴心抗压强度标准值;A c为试件各组合部分混凝土的截面面积;υ为核心混凝土抗压强度提高系数,取值为0125～0145,该系数受约束效应系数ζ的影响较大,当ζ≤1115时宜取小值,具体变化规律有待深入研究.表4 承载力试验值与式(2)计算值比较试件编号试验值N s/kN按式(2)计算υ=0125N u/N s按式(2)计算υ=0145N u/N sWRC-T-121441813018519450191 WRC-T-222252058019222230199 WRC-T-328502599019128070198 WRC-T-422502018019022020198 WRC-T-523882202019223800199 WRC-T-6258024180194255101984 结 论(1)在整个加载过程中,组成WRC-T钢管混凝土短柱的两个矩形钢管均匀受力,变形协调,能很好地协同工作,没有出现焊缝开裂现象.试件有剪切形和局部凸曲形两种破坏形态.长细比在第24卷杜国锋等:WRC-T钢管混凝土短柱轴心受压力学性能9431414以内时,试件的极限承载力相差最大值在2%以内,可以视为短柱.(2)影响WRC -T 钢管混凝土短柱力学性能的各参数中,约束效应系数对极限承载力影响最大,约束效应增强,试件的极限承载力提高,后期承载能力增强.当试件肢长、肢厚和腹板高度相同时,肢长腹比减小,试件极限承载力增大,实际工程中应尽量使腹板宽度取最大值.(3)在分析各国规范和各种计算理论的基础上,提出WRC -T 钢管混凝土短柱极限承载力计算公式,公式形式简单,可为工程设计参考.参考文献:[1] 龙跃凌,蔡健.带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱轴压性能的试验研究[J ].华南理工大学学报,2006,34(11):87-92.[2] 王丹,吕西林.T 形、L 形钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J ].建筑结构学报,2005,26(4):39-45.[3] 韩林海.钢管混凝土结构理论与实践[M ].北京:科学出版社,2004.[4] 中华人民共和国建设部G B/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国计划出版社,2002.[5] 中华人民共和国建设部G B/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,2002.[6] ACI 318-99.Building code requirements for struc 2tural concrete and commentary[S].Detroit :American Concrete Institute ,U.S.A.,1999.[7] AISC.U.S.A 1999Load and resistance factor designspecification for structural steel buildings ,2nd ed[S].Chicago :AISC ,1999.[8] AI J.Recommendations for design and construction ofconcrete filled steel tubular structures[S].Tokyo :Ar 2chitectural Institute of Japan ,1997.[9] BS5400.Concrete and com posite bridges [S ].Lon 2don :British Standard Institute.U.K ,1979.[10] British Standards Institution.Design of compositesteel and concrete structures ,Part1.1:G eneral rules and rules for buildings.DD ENV 1994-1-1:1994[S].London :British Standards Institution ,1994.Experiment of WRC -T Concrete Filled Steel Tubular Short Columns Mechanical Property under Axial CompressionDU Guof eng1,2,X U L ihua1,3,W EN Fang 1,X U Haoran1(1.School of Civil Engineering ,Wuhan University ,Wuhan China ,430072;2.School of Urban Construction ,Y an gtze Universi 2ty ,Jingzhou China ,434023;3.Hubei K ey Laboratory of the Security of G eotechnical &Structural Engineering ,Wuhan China ,430072)Abstract :In order to know the destruction form ,mechanical and distortion property ,we consider several in 2fluence factors include the constraint factor ,ratio of length to diameter and ratio of length to 2sternum of member ,and discuss the formula for the ultimate bearing capacity.20WRC 2T concrete 2filled steel tube short columns were designed and manufactured.Axial compression test was carried out ,the load 2deformation relationship curves and ultimate bearing capacity were tested and the effect of each influence factor impact the pressure mechanic properties of this kind short column was analyzed.In this paper ,based on the conclu 2sion of domestic and foreign codes ,the formula for the axial compression bearing capacity of WRC 2T con 2crete 2filled steel tubular columns was deduced through the regression analysis of experimental data.The fail 2ure modes were shear failure and the local buckling failure ,the ultimate bearing capacity and later bearing capacity can be heightened obviously by increasing the constraint factor.The WRC 2T concrete 2filled steel tube short column which is composed of two rectangular steel tube columns can just work together very well and mechanical property is steady.The calculated results by the formula coincide with the experimental re 2sults so well that the formula can be valuable to the engineering design.K ey w ords :concrete 2filled steel tube ;composite column ;axial compression ;mechanical property ;short col 2umn944 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第24卷。
浅谈钢管再生混凝土
大规模新建期的房屋大多建于二战以后，标准低，质量差.随着经济的发展，人们对于居住要求的提高一级土地资源的稀缺，大量房屋被拆除，由此产生大量的废旧混凝土.另一方面，强烈自然灾害尤其是强烈地震，造成大量房屋倒塌，由此也产生了大量废弃混凝土。
这些废旧的混凝土不仅带来占地问题，而且产生环境污染问题。
回收利用这些废旧混凝土已成为学术界和工程界关注的热点问题之一。
有关学者提出了再生混凝土技术，实现了废旧混凝土的有效利用，减轻了环境污染问题，同时减轻了由于开采矿石带来的环境破坏问题，节约了天然矿产资源。
但是由于再生混凝土的强度，弹性模量等性能相对普通混凝土均有所降低，在一定程度上制约了再生混凝土在工程中运用和推广。
为了弥补再生混凝土存在的缺陷，有学者提出将再生混凝土填入到钢管中。
利用钢管与再生混凝土的相互作用，弥补了各自性能上的不足，形成一种新的结构形式-------钢管再生混凝土。
一方面再生混凝土可以增强钢管壁的稳定性。
一方面钢管的约束效应作用弥补了再生混凝土的力学性能，耐久性能，变形性能较低的缺陷。
这种新型的组合结构形式为废弃混凝土再利用体用了一种新的途径为了是这种新的结构形式能够运用于实际工程，国内外学则进行了深入的研究，取得了一定成果。
国内外关于钢管再生混凝土力学性能的研究起步较晚，国外在这一方面研究还很少见报道。
在国内，福州大学较早开始进行这方面的研究工作，进行了一系列相关实验研究和理论研究，取得了一定成果。
随后，其他高校也相继开展了各个有关再生混凝土力学性能方面的研究。
再生骨料的物理性能再生骨料孔隙率高且密度小，这有利于减轻结构构件自重,因其孔隙率大,还具有消音和保温的优点。
再生骨料的颗粒棱角多,表面粗糙,成份中包含着相当数量的硬化水泥砂浆,砂浆体中水泥石本身孔隙率较大,且在破碎过程中其内部往往会产生大量具有一定尺寸的裂纹,因此与天然骨料相比,再生骨料的吸水率和吸水速率大得多.吸水率高则必然导致失水后混凝土干缩增大,徐变增大,因此配制再生混凝土时,应综合考虑骨料、水泥品种、配合比、养护方法和条件,减小再生混凝土的收缩.再生骨料的工作性能一般认为,在用水量相同的情况下,与基体混凝土相比,再生混凝土的坍落度减小,流动性变差,但粘聚性和保水性增强.如果原混凝土强度越低,新拌再生混凝土和易性越差[2].主要原因是再生骨料表面粗糙,孔隙多,吸水率大,使得再生混凝土流动性差,坍落度变小.同时,由于骨料表面粗糙,增大了再生混凝土拌合物的摩擦阻力,使再生混凝土的保水性和粘聚性增强。
钢管再生混凝土轴压短柱受力性能有限元分析
元分析模型 ， 模拟试验实测荷载 一轴 向应变 曲线 ， 验证有 限元 分析模 型的有效 性。 以再 生混凝土强 度 、 钢管壁厚 、 钢材强度及再生粗骨料取代率为参数 ， 设计 ５ 个 钢管再 生混凝 土轴压短 柱进行 分析 ， 建 模时 考虑 了钢管对核心再生混凝 土的约束 作用 ， 分析各参数对试件荷 载 一轴向应变 曲线 的影响 。研究表 明 ： 随再生混凝土强度 的提高 ， 钢管壁厚 的增加 ， 钢 材强 度 的增 大 ， 能有效增 强钢管再 生混凝 土短柱 的极 限 承载力和变形能力 。 关键词 ： 钢 管再 生混凝土 ； 短柱 ； 轴压 ； Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ； 极限承载力
ｃ ｏ ｌ ｕ ｍ ｎ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ａ ｘ ｉ ｌ ａ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ，ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｒｅ ａ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｌ ａ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ｏ ｎ
ｇ ａ ｔ ｅ．Ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ｏ ｎ ｃ ｏ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｗｈ ｅ ｎ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｐ ｒａ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｎ ｈｅ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ — ｘｉ ａ ｌ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｓ ｌｓ ａ ｏ ｄｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ．Ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｕ ｌ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｅ
圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱的受力性能分析
＝ （ １ 一 ｐ ， ＋ 巨＋ ２ 一 ） ０ － ｐ ） ｐ Ｑ Ｅ ，
公式中： Ｑ 【 （ １ — １ 一 ２ ｖ ， ） ｎ ｐ ＋ （ ２ 一 ｖ Ｉ ～ Ｐ＋ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ＋ ） 】 一 ， ＝
中，钢管纵向峰值应力高于屈服应力。
（ ２） 弹 塑性 变 形 阶段 受 力分 析
也 随 之提 高 ，如 图 ｄ 所示 。
相 同的纵 向应力 ，据此可建立二者的同心圆柱计 算模 型及定
义 其 单 位 长 度 的钢 管 混 凝 土 短 柱 的 纵 向应 变 力 学模 式 ，并 以 此 为 基 础 进 行 分 析 ，构 成 了 一 个 弹 性 力 学 轴 对 称 的 广 义 平 面 。 此时 引， Ｘ ． Ａ ｉ ｒ ｙ 函 数 ， 即 可 获 得 一 个 相 对 通 解 的 函 数 公 式 ，而 将 各种 条 件 进 行 理 想 化 后 ，可 以得 到 轴 压 短柱 弹 性 阶 段 的组 合应 力一 应 变 关 系公 式 ： ＝Ｅ Ｌ
随着 载荷增加 ，其性能将从弹性应力状态变为弹塑性相 结合的改变模 式，核 心轻骨料的泊松 比随着增 加 ，钢管 与核
心 轻 骨 料 之 间 的应 力从 原 有 的拉 应 力 变 为 相 互 的压 应 力 。钢 管 与 骨 料 相 接触 的钢 管 内部 会 出现 屈 服 的 情 况 ，并 以 某 一个 点 开 始 拓 展 ，形成 一个 环 形 的塑 性 变 形 区 域 。 但 是 由于 钢 管 壁 较 薄 ，因 此 钢 管 内外 会 同 时屈 服 ，对 于 钢 管 的 应 力 分 析 不
式中 Ｅ ｓ ｃ 也就是 组合弹性模量 ，此时对于圆钢轻 骨料混 凝 土 的弹性 应 力 可利 用 下 面 的公 式 进行 分 析 ：
钢管再生混凝土柱力学性能研究进展
●
柚 关键词 ：钢 管混凝 土 ；再生混凝土 ；力 学性 能
．
＝ ｓ ｉ
之 材
中图分类号 ：Ｔ Ｕ ５ ２ ８ ． ５ ９
文献标志码 ：Ｂ
文章编号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ ｌ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５— ０ ０ ７ ３— ０ ３
０ 前
言
为缓解石 料开采 和废弃 混凝 土对 环境 和社会 带来 的压 力 ，世界各 国都 已相 继 开 始 了再 生混 凝 土 的开 发和 应 用 ，
陈 娟 ，凌 金龙 ，彭 胜 ，李 兵
（ 长 江 大学城 市 建设 学 院 ，湖 北 荆 州
摘 要 ：再生混 凝土 的应 用研 究对保 护环 境和 节 约资
４ ３ ４ ２ ０ ３ ）
件或化学物的侵蚀 …。
将废弃混凝土应 用于 钢管混 凝 土结构 ， 目前主 要有 两
源具有 重大意义 ，本 文 围绕 国 内外钢 管再 生混 凝 土结构 的
土柱的力 学性 能与普 通钢 管混 凝 土柱类似 ，再 生骨料 对钢 管再生混凝土柱 的 力学性 能影 响不 大。最后 结合 钢 管再 生
口
一
土灌人钢 管内 ；其 二为 钢管再 生混合 构件 ，即将废 弃混 凝土构件 去除保护 层 、纵筋 、箍筋之 后 的核心部 分整 体或
分段 （ 块 ）放入钢管 内部 ，然后在 二者 之间浇筑 新混 凝土
２ 静 力性 能
２ ． １ 轴 压 短 柱
再生混凝土 的开发 和利 用既 能有效 改 善天然 资 源紧缺 的 问 题 ，又能妥善解 决废 弃混 凝土 的堆 放 问题 ，有效 的促进 了
社会 的可持续发 展 。由于再生 骨料 与天 然骨 料相 比存 在 的
再生混凝土的基本力学性能
再生混凝土的基本力学性能在国内外大量分析对比研究的基础上，对再生商品混凝土的基本力学性能进行了详细的综述与分析。
主要包括再生商品混凝土的强度特征（抗压强度及其变异特性、抗拉与抗折强度以及粘结强度）、再生商品混凝土的变形特征（弹性模量、应力- 应变曲线、收缩与徐变）以及再生商品混凝土结构性能（结构构件的基本受力性能）。
研究表明，再生商品混凝土的基本力学性能与普通商品混凝土存在一定的差异。
最后基于再生商品混凝土在实际工程的推广应用，提出了关于再生商品混凝土基本力学性能应该进一步研究的有关问题。
1 再生商品混凝土的强度特征1.1 抗压强度基于对早期研究成果的综述分析，Nixon发现与普通商品混凝土相比，再生商品混凝土的抗压强度降低，降低幅度最高可达20%。
后来，B．C．S． J的试验也得出了类似的结论，其试验结果表明，再生商品混凝土的抗压强度比普通商品混凝土低14%～32%。
Wesche和Schulz综合分析了Buck， Malhotra 以及Frondistou - Yannas等人的试验结果，发现再生商品混凝土的抗压强度较普通商品混凝土降低约10%。
Ravindrarajah等的试验发现再生商品混凝土的抗压强度较普通商品混凝土降低8%～24%。
Gerardo 的试验则发现再生商品混凝土的抗压强度约为普通商品混凝土的95%甚至更多。
Hansen对1945～1985年其间世界范围内关于再生商品混凝土抗压强度的研究进行了全面分析，发现再生商品混凝土的抗压强度大致比普通商品混凝土降低5%～24%。
Ramamurthy发现再生商品混凝土的抗压强度较普通商品混凝土低，降低的范围为15% ～42%。
Mandal和Gup ta的试验发现再生商品混凝土各龄期的抗压强度均低于普通商品混凝土，平均降低幅度为15%。
他们认为，再生商品混凝土抗压强度的主要原因是由于再生骨料与新旧砂浆之间存在的较为薄弱的粘结区域，不宜用于配制结构商品混凝土。
方钢管再生混凝土轴压短柱受力性能分析
方钢管再生混凝土轴压短柱受力性能分析发布时间：2021-03-04T09:08:21.400Z 来源：《建筑实践》2020年11月31期作者：许伟，周晓凤，张婷，翁瑞，陈杨[导读] 利用ABAQUS有限元软件建立方钢管再生混凝土短柱力学模型许伟，周晓凤，张婷，翁瑞，陈杨沈阳建筑大学，土木工程学院，沈阳110168摘要：利用ABAQUS有限元软件建立方钢管再生混凝土短柱力学模型，与试验进行对比分析，通过模型分析构件在各阶段的受力变形特点。
结果表明：该模型能够较好的模拟构件的力学性能，其受力过程大致分为：弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段、平缓阶段。
关键词：方钢管再生混凝土短柱；有限元软件；合理性。
目前，随着我国经济快速发展，被拆除、重建的建筑物也随之增加，就此产生了大量的建筑垃圾。
因此，我们应该合理利用建筑垃圾，将建筑垃圾配制成再生混凝土应用于建筑工程当中，不但解决建筑垃圾给人们生活环境带来的困扰，而且也使建筑垃圾得到了循环利用。
再生混凝土组分复杂，脆性大，因而早期易开裂[1]。
为了改善再生混凝土的特性，学者们提出了“钢管再生混凝土”。
钢管对混凝土的约束使混凝土的抗压强度大大提高，同时，混凝土对钢管起到支撑作用，提高了钢管的局部稳定[2]，二者巧妙结合实现了“1+1>2”。
1模型建立本文采用文献[3]中的试验数据，建立方钢管再生混凝土短柱力学模型。
1.1单元选取本文核心再生混凝土、端板和钢管均采用八节点线性减缩积分的三维实体单元。
1.2界面接触核心再生混凝土和端板只有法向接触作用，设置为“硬”接触。
钢管和核心再生混凝土的法向作用方向设置为“硬”接触，切向作用方向采用库伦摩擦模型，根据参考文献[4]，本文摩擦系数取0.6。
1.3加载荷载本文采用的是位移加载，即在U3方向施加位移大小为20mm。
2模型验证及模拟结果分析2.1有限元分析结果与试验结果的对比如图1可知，试件模拟荷载-位移曲线和试验荷载-位移曲线走势相吻合。
钢管再生混凝土柱力学性能研究进展
钢管再生混凝土柱力学性能研究进展当前，我国城镇化进程加快，既有建筑的更替和新建结构的增长，导致大量的建筑材料耗费。
为实现可持续发展，再生混凝土技术应用而生，废弃混凝土的回收利用减少了建筑固废排放量和天然资源消耗，为资源环境循环利用提供了新思路，成为目前学者们的研究热点[1]。
由于再生骨料自身的缺陷，使得再生混凝土的力学和耐久性能不同程度的降低，限制了再生混凝土在工程中的应用[2]。
将再生混凝土引入到钢管混凝土中，使构件同时具备了钢管和再生混凝土2 种材料的特性，既保留了钢管混凝土高承载力和抗震能力，又能有效利用建筑废弃物、节能环保，具有良好的推广应用前景[3]。
钢管再生混凝土的研究起步较晚，钢管再生混凝土柱力学性能的研究尚处于理论层面，实际工程应用还相对较少[4−6]。
钢管再生混凝土的研究主要集中在柱的力学性能和抗震方面。
试验研究多以再生骨料取代率、再生混凝土强度、钢管形状、钢管组合构造形式、柱型类别、长细比、含钢率和荷载比等作为参变量，对其破坏形态、力学性能和变形能力等进行分析。
本文将针对性的归纳总结钢管再生混凝土柱的力学性能、改变外部环境下的工作性能和抗震性能。
在试验示范的跟踪过程中，云天化产品示范田的冬枣长势旺盛，中期表现出挂果多，果实品相好，树体健壮；采收期冬枣色泽好，果形均匀，畸形果少，口感佳。
示范田亩增产82.4kg，亩增收10075.2元，给农户带来的一定的经济效益。
通过试验示范，云天化“滴灌二铵”和“大量元素水溶肥”系列肥料得到了种植户的认可。
1 再生混凝土物理及力学性能用废弃混凝土破碎加工而成的再生集料，由粒径大小分为再生粗骨料(5～31.5 mm)和再生细骨料(0.5～5 mm)，由于旧砂浆、表面裂纹和杂质的存在，使得再生混凝土弹性模量小于普通混凝土，而干缩和徐变变形大于普通混凝土[7]。
且再生骨料随机性和变异性较大，致使其具有孔隙率大、吸水率高、密度小、压碎指标值高等缺陷，老砂浆和界面过渡区是再生混凝土的主要薄弱环节[8]。
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土 ， 且 因有钢 管分 隔， 而 与管 外楼 盖梁板 结 构 的普通混凝 土互不干扰 ， 交错浇 灌的麻烦； 无 ３钢 管外面 无混 凝土保 护层． 充 分发挥 ｌ ． 能 高强混凝 土的承载能 力。
的优 势 ， 对混 凝 土 来讲 ， 凝土 受到钢 管横 向 混 约束而 处于 三向受 压状态 ， 从而使管 内混凝 土 有更 高的抗 压强 度和变 形能 力。 对钢 管来讲 ， 由于 钢管 壁 较 薄 ， 受 压状 态 下容 易局 部 或 在 整 体失稳而 不能充 分发挥其 强度， 入混凝 土 填 后 ， 大增 强了钢 管 壁的 稳 定性 ， 其强度 潜 大 使 力可得到 充分利 用。 因此钢 管混凝 土柱具 有强 度 高、 量轻 、 重 塑性 好、 耐疲 劳、 耐冲击 等优 点 【１由于钢 管能 对混 凝土提 供连 续的 约束 ， ６。 且 钢 管具 有很 大的抗 剪和 抗扭能 力， 故可 以有 效 地 克服 高强混 凝 土瞻性 大 、 性差 的弱点 ， 延 使 高强混 凝土 的工程 应用得 以实现 ， 经济效果 得
｜ 技 回程 术Leabharlann 钢管再生混凝土短柱的力学性能
苏明 王鹏里 吕青 山 沈 阳建 筑大学
钢 管再 生混 凝 土 即为将 再生 混 凝 土灌 注 果与试验 结果非 常吻 合。 最后在 参数 分析结 果 形成的 具有 再生混 凝土 三向受 力的钢 的基础 上 ， 出钢管 再生 混凝 土 压弯构 件承载 入钢 管， 提 ５ 钢管 混凝土 利用钢管 和混凝土 两 】 力的简化 计算 公式 。 为了考察 钢管 再生 混凝 土 管混 凝土 【ｏ 即钢 管对 混 构件 在 一 加 载下的 静力性 能 ， 题 组完 成了 种材 料在 受力过程 中的相互 作用， 次 课 凝 ５ 个试件 的试 验研 究 ， ６ 同时进 行了钢 管 普通 混 － 土的约束作用使混凝土处 于复杂应 力状态 之 从而 使混 凝土 的强 度得 以提高 ， 塑性 和 韧 凝土 试件 的对 比试 验 。 研究 结果 表 明 ， 管 再 下， 钢 由于混凝 土 的存在 可 生混凝 土试件与相 应钢管普通 混凝土试件 的荷 性性 能 大 为改善 同时， 载一 变形关 系曲线类似 ， 但钢管 再生混 凝土试件 Ｉ 以避 免或 延缓钢 管 发生局部 屈曲， 证其材 料 保 的承载 力和 刚度均低干相应钢 管普通混 凝土试 性能 的充分发挥。 件。 这主要是 因为再 生混凝 土的 强度和弹性 模 ３ 钢 管混凝 土柱 的特性 ． ｌ量均 低于相 同配合 比的普 通混 凝 土。 钢 管 混凝 土 柱是 将混 凝 土注 入封 闭 的薄 本课 题组 的试 验结果 表 明， 将再 生混凝 土 壁钢管 内形成 的钢 一 凝 土组 合构 件。 混 钢管 混 灌入钢管， 可有效 改善再 生混 凝土的力学 性能， 凝 土柱 可以 充分 发挥 钢 管与混 凝 土两 种 材料 同时 由于 钢 管和再 生混 凝 土之 间的组合 作用 ， 使得钢 管再 生混 凝土构 件的下 降段趋 干平缓 ， 延性 和耗能 能 力有较大 的提 高 ， 随 着再 生 但是 粗骨料 取代率 的提 高 ， 存在 弹性模 量 逐渐 降 仍 低 ， 值应 变增 大 的特点 。 峰 在确 定钢 材 和核 心 再生混凝 土的应力 应 变关 系模 型的基础上 ， 采 用纤维模型法和 有限元法对钢 管再生混凝 土轴 压短 柱、 弯构 件和 压弯构 件 的荷载 一 纯 变形 关 ！ 系曲线进行 了计算分析。 总体上， 两种 数值方 法 的计算结 果均 与试验 结果吻 合较好 。 采用纤 维 模 型法 对钢 管 再生 混 凝土 压 弯构 件 的力学 指 标进 行 了大规 模 的参 数分 析， 提 出了钢管 再 并 生混 凝土轴 压短 柱、 弯构件 和压弯构 件承载 纯 力的简化计 算 公式 ， 公式 的计算 结果 与试 验结 果均 吻合较好， 且总体偏于安 全。 本文的研究成 果可为有关 工程实践提供 参考。
以充分发挥。
４． 结论 ： （） １钢管 再 生混 凝 土构件 的力学性 能 和钢 管混凝 土构 件的力学性能 有很多相 似之处。
（ 再生混 凝土在钢管中的应用弥补了再生 ２ ） ２ 钢 管混 凝土 及钢管 再生 混凝 土的 基本 ． Ｉ 概念 混凝 土结构 性能上 的不足， 二者都 能充分的 使 钢管混 凝土即为将 混凝 土灌注 入钢管 ， 形 发挥 潜 力。同时又有 利于 环保 ， 生态 方面也 在 成的具 有再生混 凝土 三 向受力结 构。 管混凝 有很大的意义 。 钢 土除 了 具有一般套箍混凝土的强度高、 质量轻、 ｌ （） ３ 为再生混凝 土在结 构上的应用提供了 塑性 好、 耐疲 劳、 耐冲击等优 越的力学性 能外， 。 广阔的 空间。 生钢管混 凝 土短柱的 研究很 有 再 还具 有以下一 些在施工 工艺方 面的独特 优点 ： 必要． 有许 多工作需要进一步展开。 还 Ｉ １钢管本 身就是 侧压模 板 ， ． 因而 浇混 凝土