高 清，周金枝

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱軸壓試驗(yàn)

高 清，周金枝

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

鑒于橡膠混凝土存在強(qiáng)度不足的特性，對(duì)薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱進(jìn)行軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋼管和橡膠顆粒對(duì)于混凝土強(qiáng)度影響的結(jié)論，作為鋼管橡膠混凝土短柱用于工程實(shí)踐的參考。

工程材料； 強(qiáng)度； 方鋼管； 橡膠混凝土

國內(nèi)外的學(xué)者經(jīng)過對(duì)橡膠混凝土的力學(xué)性能做了大量研究[1-3]，普遍認(rèn)為橡膠顆粒加入混凝土中，使混凝土有更好的韌性、抗震及隔聲隔熱性能等，但混凝土強(qiáng)度也會(huì)下降。本文研究橡膠混凝土力學(xué)性能的同時(shí)，將橡膠混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料，著重研究方鋼管橡膠混凝土短柱的力學(xué)性能。將橡膠混凝土灌入鋼管中，有可能提高結(jié)構(gòu)的塑性和抗震性能，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)同樣有著重要意義。

1 薄壁方鋼管橡膠混凝土短柱軸壓試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)制作

作為薄壁構(gòu)件，在確定尺寸時(shí)應(yīng)該考慮鋼管材料寬厚比的范圍。有文獻(xiàn)[4]認(rèn)為Q235薄壁方鋼管混凝土短柱不發(fā)生局部屈服的管壁平均寬厚比限值約為b/t=90。試件高度設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮試驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件和構(gòu)件的安全因素。結(jié)合湖北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件，本實(shí)驗(yàn)的短柱構(gòu)件選用鐘善桐教授推薦的長(zhǎng)邊比，取試件的長(zhǎng)度(L)為截面邊長(zhǎng)(D)的3倍，即L/D=3。共設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，試件尺寸：長(zhǎng)度240 mm，邊長(zhǎng)80 mm，壁厚3 mm。試件的鋼管由Q235無縫方鋼管與鋼板焊接而成，其彈性模量、屈服極限、極限抗拉強(qiáng)度和泊松比分別為2.1×105MPa，235 MPa,310 MPa和0.28。

在鋼管中澆筑自密實(shí)橡膠混凝土，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度按C30設(shè)計(jì)。有研究指出，橡膠混凝土中橡膠顆粒等體積取代砂的最佳摻量為20%[5]。配合比及力學(xué)性能見表1，橡膠摻量20%代表橡膠顆粒等體積取代砂。采用原材料如下：普通硅酸鹽水泥；普通自來水；中砂；粒徑5～25 mm的連續(xù)級(jí)配普通碎石；輪胎橡膠粉，粒徑依次為5目、20目和40目；武漢鍍鋅Q235無縫方鋼管。橡膠粉取代率采用體積取代率，旨在保持膠凝材料、水灰比、粗骨料等不變的情況下等體積取代砂量。水灰比0.45，水206 kg，水泥458 kg，碎石1146 kg，砂590 kg和472 kg，混凝土配合比為m(水泥)∶m(細(xì)集料)∶m(粗集料)∶m(水)=1∶1.288∶2.502∶0.450，立方體抗壓強(qiáng)度由相同條件下成型養(yǎng)護(hù)的立方體試塊測(cè)得。

表1 橡膠混凝土成分及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度普遍小于基準(zhǔn)混凝土；橡膠摻量不變，橡膠顆粒粒徑越小，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度越大。

試驗(yàn)時(shí)，先將焊好的鋼管豎立，然后從頂部灌入橡膠混凝土，經(jīng)震動(dòng)臺(tái)振搗，用砂漿抹平時(shí)保持橡膠混凝土相較于方鋼管微微凸起。再進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)28 d。因?yàn)榛炷琉B(yǎng)護(hù)過程中，混凝土變硬并且混凝土表面會(huì)稍向下凹陷，因此，保持橡膠混凝土表面相較于方鋼管微微凸起，可使橡膠混凝土硬化后剛好與鋼管齊平。

1.2試驗(yàn)方法

鋼管橡膠混凝土構(gòu)件存在如下三種加載方式(圖1)：1)荷載直接作用于核心混凝土上，鋼管不直接承受荷載(圖1左)；2)試件端面齊平，荷載同時(shí)作用于鋼管與核心混凝土上(圖1中)；3)荷載預(yù)先作用于鋼管上，待鋼管被壓至與核心混凝土齊平后與核心混凝土共同承受荷載(圖1右)。

圖 1 鋼管混凝土構(gòu)件的加載形式

1.3試驗(yàn)裝置及加載制度

本實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)為YAW-1000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。加載前，利用打磨機(jī)打磨試件端面至平滑，涂抹礦物油，然后正確擺放實(shí)驗(yàn)試件。該設(shè)備主要測(cè)量試件的力—位移曲線。

首先進(jìn)行軟件調(diào)試，調(diào)試完成后將試件置于壓縮實(shí)驗(yàn)裝置上。施加荷載前先設(shè)置為位移控制，以便加載初期能夠進(jìn)行調(diào)整使得試件能夠均勻受力。當(dāng)力值項(xiàng)顯示數(shù)字時(shí)調(diào)整為力控制，能夠完整地觀察試件從加載到破壞的全過程?？刂扑俾蕬?yīng)參照相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范。試驗(yàn)過程中若出現(xiàn)1)核心區(qū)混凝土被壓碎，2)側(cè)移量達(dá)到試件高度的1/5，3)方鋼管受壓屈服或局部屈曲變形，4)薄壁鋼板焊接處發(fā)生破壞，則停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程中首先通過軟件采用速率為0.125 mm/s的位移控制加載，待加載到力值項(xiàng)顯現(xiàn)數(shù)值后調(diào)整為速率為0.513 kN/s的力控制。在加載初期，試件沒有明顯變化，力—位移曲線先為水平直線段，之后轉(zhuǎn)為斜直線；當(dāng)加載到100 kN后曲線斜率逐漸降低，試件壓縮明顯；荷載逐步增加到320 kN后試件被壓縮到發(fā)出“噼噼”壓裂的響聲，曲線緩慢增長(zhǎng)；繼續(xù)加載后，試件端部裂縫增加并整體下移，鋼管邊緣連接處斷裂并外屈，橡膠混凝土破壞成片狀。敲擊鋼管空鼓位置，響聲沉悶。試件的破壞形態(tài)見圖2。

圖 2 試件破壞形態(tài)

2.2承載力分析

試件的承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)合表中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

1)若不考慮方鋼管與橡膠混凝土兩者間的關(guān)系，則方鋼管與橡膠混凝土的承載力之和為：N=fyAs+fcAc=217.14 kN+65.2 kN=282.34 kN與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差21.6%，雖然在承載力計(jì)算的過程中方鋼管和橡膠混凝土的承載力計(jì)算都是在考慮折減系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但是兩者之間的差距仍比較明顯。所以，本次實(shí)驗(yàn)中方鋼管和橡膠混凝土之間存在相應(yīng)的約束作用，且不可忽略。

2)相較前面橡膠混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼管橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度大大增加；鋼管橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度是摻同種橡膠的橡膠混凝土的兩倍多。

3)鋼管橡膠混凝土短柱的承載力相較鋼管混凝土要小得多，差不多只是鋼管橡膠混凝土的一半左右。

表2 試件參數(shù)及力學(xué)性能

圖 3 荷載-位移曲線

2.3延性分析

定義鋼管橡膠混凝土短柱的延性系數(shù)為

(1)

式中：Δ85%為承載力下降到85%所對(duì)應(yīng)的位移；Δμ為峰值荷載所對(duì)應(yīng)的位移[6]。

由表3可知，橡膠顆粒以20%等體積取代砂的鋼管橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度相比鋼管混凝土的有所下降，但相比C30基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度有很大提高，能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。

表3 試件力學(xué)性能及延性系數(shù)

由式(1)所計(jì)算出的延性系數(shù)見表3，鋼管橡膠混凝土的延性系數(shù)值分別為1.21和1.18，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的延性系數(shù)值分別為1.32和1.30。可見，鋼管橡膠混凝土短柱的位移延性系數(shù)隨著橡膠顆粒的摻加而增大，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的位移延性系數(shù)相比鋼管混凝土提高了10%左右。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了橡膠混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊立方體抗壓強(qiáng)度和方鋼管橡膠混凝土短柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究與理論研究，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上得出如下結(jié)論。

1)方鋼管和橡膠混凝土之間存在相應(yīng)的約束作用，且不可忽略。

2)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度普遍小于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度；相同橡膠摻量，橡膠顆粒粒徑越小，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度越大。

3)橡膠顆粒以20%等體積取代砂，鋼管橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn)混凝土大大增加；同樣地橡膠摻量以及粒徑，鋼管橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度是橡膠混凝土的兩倍多。

4)鋼管橡膠混凝土短柱的位移延性系數(shù)由于橡膠顆粒的摻入而增大，以20%等體積橡膠顆粒取代砂的鋼管橡膠混凝土的位移延性系數(shù)相比鋼管混凝土提高了10%左右。

[1] Haibo Zhang, Gou M, Liu X, et al. Effect of rubber particle modification on properties of rubberized concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition), 2014, 29(4):763-768.

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[責(zé)任編校：張巖芳]

AxialCompressionTestofSquareThin-walledSteelTubularColumns

GAO Qing, ZHOU Jinzhi

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

In view of the lack of strength of rubber concrete, the results show that the effect of steel pipe and rubber particles on the strength of concrete is obtained. The results are as follows: Engineering practice reference.The rubber concrete has been found and used as a new type of engineering materials, because of its good ductility, toughness and seismic performance. In order to make up for the characteristics of low strength of rubber concrete, the test of axial compressive behavior of square thin-walled steel tubular columns was carried out. And the effect of the steel tube and rubber on the failure of the columns was studied to obtain the influence of steel and rubber particles on the concrete strength, which will be the reference for the engineering practice.

engineering materials; strength; square steel tube; rubber concrete

2016-10-27

高 清(1991-)， 男， 湖北松滋人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)

1003-4684(2017)05-0016-03

TU502

A