钢管再生混凝土短柱的力学性能

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摘要:再生混凝土应用于组合结构中,弥补再生混凝土结构性能的不足,还具有十分重要的保护环境的意义。因为再生混凝土的结构性能与普通混凝土结构性能相比略有降低,阻碍了再生混凝土在结构工程中应用。本文探讨了再生混凝土在钢管混凝土结构中应用的可能性。结果表明,再生混凝土应用于钢管混凝土结构中是完全可行的,这为再生混凝土应用于结构工程中提供了广阔的前景。

关键词:再生混凝土;钢管再生混凝土结构;钢管混凝土结构;

0 引言

随着全球可持续发展战略的提出,各国都在研究和开发可再生能源,以达到保护环境、节约天然资源等目的。废弃混凝土块经破碎、清洗和分级后,按一定的比例与级配混和形成再生骨料,部分或全部代替天然砂子或石子等配置而成的新混凝土称之为再生骨料混凝土(简称再生混凝土)[1]。再生混凝土是一种绿色混凝土,符合可持续发展战略。因此,对废弃混凝土再生利用的研究已成为许多国家的前沿课题。国内研究人员也已经对再生混凝土骨料和再生混凝土的力学特性进行了深入的研究[2]。钢管再生混凝土结构可促进再生混凝土在土木建筑结构中的应用和发展,为废弃混凝土资源化提供一条有效的途径。并研究提高再生混凝土的工作性能,使其满足在实际工程中推广应用的相关要求,以及对钢管再生混凝土短柱的轴心受压力学性能进行分析比较,力求对以后钢管再生混凝土规范的推出提出一些数据参考

1、钢管再生混凝土的发展状况

再生混凝土在我国的发展时间的限制,钢管再生混凝土的研究发展在目前来看极其的有限。杨有福等[3]在《钢管再生混凝土轴压短柱力学性能初探》采用直焊缝圆钢管再生混凝土进行了研究。结论表明:1)钢管再生混凝土与钢管混凝土轴压短柱的荷载一变形关系曲线相类似,纤维模型法同样适用于钢管再生混凝土。2)钢管再生混凝土的强度承载力低于钢管混凝土的强度承载力,并且随着骨料取代率的增加而有降低的趋势,这主要是因为随着骨料取代率的增加,再生混凝土的强度逐渐低于普通混凝土。本文主要对无缝钢管再生混凝土轴压短柱的力学性能进行了进一步的研究。

福州大学的杨有福[4]在确定钢材与核心再生混凝土本构关系模型的基础上,采用数值方法对钢管再生混凝土轴心受压、纯弯曲和压弯构件的荷载-变形全过程关系曲线进行模拟,对此类构件的力学性能进行研究,理论分析结果与试验结果非常吻合。最后在参数分析结果的基础上,提出钢管再生混凝土压弯构件承载力的简化计算公式。为了考察钢管再生混凝土构件在一次加载下的静力性能,课题组完成了56个试件的试验研究,同时进行了钢管普通混凝土试件的对比试验。研究结果表明,钢管再生混凝土试件与相应钢管普通混凝土试件的荷载-变形关系曲线类似;但钢管再生混凝土试件的承载力和刚度均低于相应钢管普通混凝土试件。这主要是因为再生混凝土的强度和弹性模量均低于相同配合比的普通混凝土。

本课题组的试验结果表明,将再生混凝土灌入钢管,可有效改善再生混凝土的力学性能,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于平缓,延性和耗能能力有较大的提高,但是随着再生粗骨料取代率的提高,仍存在弹性模量逐渐降低,峰值应变增大的特点。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、纯弯构件和压弯构件的荷载-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,并提出了钢管再生混凝土轴压短柱、纯弯构件和压弯构件承载力的简化计算公式,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。

2、钢管混凝土及钢管再生混凝土的基本概念

钢管混凝土即为将混凝土灌注入钢管,形成的具有再生混凝土三向受力结构。钢管混凝土除了具有一般套箍混凝土的强度高、质量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外,还具有以下一些在施工工艺方面的独特优点:

1.钢管本身就是侧压模板,因而浇混凝土时,可省去支模板;

2.钢管本身就是钢筋,兼有纵向钢筋和横向钢筋的功能;

3.钢管本身又是劲性承重骨架,在施工阶段它可起劲性钢骨架的作用。

钢管混凝土也是在高层建筑和大跨度桥梁中应用高强混凝土的一种最有效和最经济的结构形式。其原因有以下几个方面:

1.钢管对核心混凝土的套箍作用,能有效的克服高强混凝土的脆性;

2.钢管内无钢筋骨架,便于浇灌高强混凝土,而且因有钢管分隔,与管外楼盖梁板结构的普通混凝土互不干扰,无交错浇灌的麻烦;

3.钢管外面无混凝土保护层,能充分发挥高强混凝土的承载能力。

钢管再生混凝土即为将再生混凝土灌注入钢管,形成的具有再生混凝土三向受力的钢管混凝土[5]。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善。同时,由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲,保证其材料性能的充分发挥。

3、钢管混凝土柱的特性

钢管混凝土柱是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的钢-混凝土组合构件。钢管混凝土柱可以充分发挥钢管与混凝土两种材料的优势,对混凝土来讲,混凝土受到钢管横向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,在受压状态下容易局部或整体失稳而不能充分发挥其强度,填入混凝土后,大大增强了钢管壁的稳定性,使其强度潜力可得到充分利用。因此钢管混凝土柱具有强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优点[6]。由于钢管能对混凝土提供连续的约束,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脆性大、延性差的弱点,使高强混凝土的工程应用得以实现,经济效果得以充分发挥。

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。

(2)再生混凝土在钢管中的应用弥补了再生混凝土结构性能上的不足,使二者都能充分的发挥潜力。同时又有利于环保,在生态方面也有很大的意义。

(3)为再生混凝土在结构上的应用提供了广阔的空间。再生钢管混凝土短柱的研究很有必要,还有许多工作需要进一步展开。

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, 2007

[2] 肖建庄,李佳彬,兰阳.再生混凝土技术研究最新进展与评述.混凝土, 2003(10): 17-20

[3] 吴凤英,杨有福 钢管再生混凝土轴压短柱力学性能初探 福州大学学报(自然科学版),Vol.33 Supp.Oct.2005

[4] 杨有福. 钢管再生混凝土构件荷载-变形关系的理论分析[J].工业建筑,2007,37(12):1-6.

[5] 韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践.第二版.北京:科学出版社, 2007

[6] 韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术.北京:中国建筑工业出版社, 2004