阿里甫江·夏木西，譚錟

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引 言

有效利用建筑垃圾中的廢棄骨料，不僅可以減少對環(huán)境的破壞，同時也可以減少資源浪費，但再生混凝土在實際應用時由于粗骨料上的裂縫、新舊砂漿結(jié)合面黏結(jié)力薄弱等原因，相較普通混凝土存在強度降低、彈性模量降低、脆性大等缺點[1]．短柱是長徑比（L/D）低于4的構(gòu)件，在實際工程中應用較多，其強度大，破壞主要表現(xiàn)為強度破壞，在破壞前有明顯裂縫，而研究再生混凝土在短柱結(jié)構(gòu)中的應用有利于實現(xiàn)建筑垃圾的大規(guī)模再利用．因此，Konno等[2]利用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（Concrete-Filled Steel Tube,CFST）來改善再生混凝土的力學性能，組成鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)（Recycled Aggregate Concrete-Filled Steel Tube,RACFST），通過對CFST試件和RACFST試件進行對比軸壓試驗，發(fā)現(xiàn)再生骨料的脆性得到較大延緩，延性有較大提升．

肖建莊等[3]對0～100%不同取代率下的RACFST進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著取代率的增加，RACFST的承載力逐漸下降，脆性不斷增大．周瓊瑤[4]對10種取代率和4種壁厚條件下的鋼管再生混凝土疊合柱進行了研究，發(fā)現(xiàn)取代率的增加與承載力的減少存在線性關(guān)系，而壁厚增加會增大套箍系數(shù)．王剛[5]對3種取代率和2種壁厚的RACFST試件進行了軸壓實驗，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚增加，試件的承載力有較大提高，而取代率對承載力的影響不如壁厚，且壁厚增加對側(cè)向剛度和軸向剛度都產(chǎn)生有利影響．Mohanraj等[6]研究了方圓截面徑厚比等參數(shù)對RACFST的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在25%取代率下構(gòu)件強度反而比CFST的高，徑厚比相同的方形試件強度略大于圓形試件，且徑厚比越小，試件承載力越大．Xu等[7]在前人實驗研究的基礎(chǔ)上利用實驗數(shù)據(jù)建立了有限元模型，通過有限元方法研究了5種鋼管壁厚和4種取代率條件下的RACFST力學性能，發(fā)現(xiàn)取代率對承載力影響較小，但對試件的延性影響較大．Yang等[8]對之前學者所做的方圓鋼管試件的實驗研究進行了總結(jié)，給出了承載力計算公式與包括破壞模式和剛度研究的分析結(jié)論．Tam等[9]對不同的RACFST內(nèi)部摻和料進行了研究，同樣驗證了隨著取代率的增加、承載力有所降低，尤其是加入膨脹劑后，承載力下降更為明顯．Nour等[10]采用遺傳算法，收納了之前學者的實驗數(shù)據(jù)，建立了包括各項RACFST參數(shù)在內(nèi)的承載力預測模型，并發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚對承載力結(jié)果影響較大．

綜上，較多學者針對取代率和鋼管壁厚進行了研究，并分別得到取代率增加會導致試件力學性能下降和壁厚增加會提升力學性能的結(jié)論，但專門針對100%取代率條件下的鋼管再生混凝土鋼管壁厚的研究不多．目前，現(xiàn)行《鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（T/CECS 625―2019）》（簡稱2019規(guī)程）[11]對C50以下再生混凝土取代率設計推薦70%以下．本文將鋼管壁厚作為參數(shù)，分別對CFST和再生粗骨料取代率為100%的RACFST試件進行了軸壓試驗，對比了兩者的各項力學性能，研究了鋼管壁厚對RACFST受力性能的影響規(guī)律，旨在明確100%取代率情況下國內(nèi)承載力計算方法的適用性．

1 試驗概況

1.1 試件設計依據(jù)

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50936―2014）》（簡稱2014規(guī)范）[12]和建材市場材料的現(xiàn)有情況，共設計了20根圓形試件，分別為10根CFST試件和10根RACFST試件，每種試件分為5種壁厚，分別為t=2.3 mm、t=3.0 mm、t=3.5 mm、t=4.0 mm、t=4.5 mm，每一類試件分為兩組，一組作為對照，分別將其命名為XCFt、XRCFt，X代表圓形截面，同時對再生混凝土和普通混凝土各增加3個素混凝土柱試件，分別將其命名為XC、XRAC．在澆筑混凝土時，每攪拌澆筑一組試件，也澆筑3個立方體試塊和1個圓柱體試塊．普通混凝土和再生混凝土目標試配強度均為40 MPa，即C40和RC40．使用天山水泥廠生產(chǎn)的425水泥，按照100%取代率粗骨料來設計．

1.2 材料準備

1.2.1鋼材

鋼管選用新疆八一鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的Q355B鋼.由鑫鼎激光金屬制品有限公司按照外直徑D=165 mm、長度H=500 mm用激光進行切割，確保斷面平整、光滑．

1.2.2 再生骨料

通過查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)[13?14]，粗骨料來源對于再生混凝土凝結(jié)之后的最終強度存在影響，但是影響的誤差范圍不大，能夠保證達到RC40的設計強度，同時強度偏差的范圍非常小[13]．因此，本文選用試驗室廢棄的混凝土作為再生骨料來源，用顎式破碎機進行破碎，破碎的過程中將鋼筋等較大的雜質(zhì)剔除，得到大小不一的混凝土碎塊，再使用旋振篩對混凝土進行篩分，區(qū)分出粒徑5～25 mm之間的粗骨料．

1.3 材性試驗

1.3.1鋼材

使用WEY-600萬能試驗機進行鋼材的拉伸試驗，根據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法（GB/T 228.1―2010）》[15]所得試驗數(shù)據(jù)如表1和圖1所示．

表1 鋼材材料數(shù)據(jù)

圖1 鋼材材料試驗結(jié)果

1.3.2 混凝土

使用微機控制電液伺服萬能試驗機WAW-1000級進行立方體與圓柱體材料試驗，設備精度等級為一級，詳細數(shù)據(jù)見表2．

表2 混凝土材料數(shù)據(jù)

1.4 應變片測點與加載方式

圓鋼管在高度等分的位置分別繞周長等距設置4個橫向應變片，與橫向應變片對應的垂直方向設置4個豎向應變片，共8個應變片如圖2所示．軸心加載試驗在YJW10000微機控制液壓伺服壓力機上進行.鋼管變形由應變箱采集，采用位移加載，圓鋼管加載極限為35 mm，加載速度為4 mm/min．為避免加載時偏心受壓，在試件上鋪設細砂，用鋼墊板抹平后進行覆蓋．試驗加載裝置如圖3所示，每次加載完成后，清理干凈加載臺和墊板上的細砂，避免底部墊板由于細砂存在影響下一個試件、導致偏心受壓．

圖2 應變片測點

圖3 加載裝置

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞模式

如圖4～7所示，薄壁試件的破壞形式為剪切破壞，試件中部伴隨有腰部鼓曲．將外部鋼管切開后，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加，核心混凝土完整度逐漸提高，證明鋼管壁厚的增加會提高試件的變形能力，減少脆性破壞，而再生骨料的摻入會明顯增加試件的脆性．與XCFt相比，XRCFt內(nèi)部裂縫寬度更大，切開后更易斷裂成多段塊體；當XCFt壁厚小于3.5 mm時，試件沿45?線（剪切滑移線）較為明顯，而當壁厚大于等于3.5 mm時，混凝土剪切滑移線逐漸模糊，整體塑性破壞增強，內(nèi)部混凝土的完整度隨壁厚的增加而逐漸提高，表現(xiàn)為延性破壞的特征；當XRCFt壁厚小于4.0 mm時，仍然沿45?線有較大裂縫，證明XRCFt混凝土在承受側(cè)向應力時更容易形成斷裂面，內(nèi)部混凝土形成延性破壞特征，需要更大的鋼管壁厚．因此，當壁厚大于3.5 mm、對應套箍系數(shù)為1.22時，試件整體破壞模式較安全．

圖4 XCFt試件破壞模式

圖5 XCFt試件剖面圖

圖7 XRCFt試件剖面圖

2.2 荷載-位移曲線分析

XCFt試件與XRCFt試件荷載-位移曲線對比如圖8（a～e）所示，所有試件遵循著彈性階段-彈塑性階段-下降段的基本規(guī)律．XCFt試件在各個壁厚條件下，下降段承載力都高于XRCFt試件，說明XRCFt試件的脆性受到再生骨料的影響要大于XCFt試件，但當鋼管壁厚大于3.5 mm時，XRCFt試件的下降段開始變得平緩，說明壁厚增加能有效減小脆性．由圖8（f）可知，相同混凝土條件下，XCFt試件的上升階段彈性模量隨著鋼管壁厚的增加有增加的情況，但也較為接近；XRCFt試件上升段也存在隨著壁厚增加、彈性模量略微上升的趨勢，但差異并不是很大．因此，當鋼管壁厚大于3.5 mm、即套箍系數(shù)大于1.22時，試件較為安全．

圖8 試件的荷載-位移曲線

2.3 荷載-應變曲線分析

如圖9所示，從上升段看，隨著鋼管壁厚的增加，XCFt試件和XRCFt試件的縱向應變有所減緩，剛度相對變大．引入屈強比[16]（試件屈服強度與峰值荷載的比值），XCFt、XRCFt試件達到鋼管屈服應變時，XCFt試件的屈服荷載分別達到峰值荷載的92.1%、88.9%、86.8%、80.0%、80.9%，而XRCFt試件的屈服荷載則達到峰值荷載的94.5%、89.2%、90.4%、86.7%、85.4%．可以說明壁厚增加能增加試件的承載力儲備，提高試件的可靠度；XRCFt試件整體屈強比高于XCFt，脆性更大，可靠度低．XCFt試件在壁厚小于等于3.0 mm時塑性階段表現(xiàn)為塑性軟化，而當壁厚大于3.0 mm時表現(xiàn)為塑性硬化；XRCFt試件則在壁厚小于等于3.5 mm時塑性階段表現(xiàn)為塑性軟化，當壁厚大于3.5 mm時表現(xiàn)為塑性硬化；因此，推薦對應套箍系數(shù)為1.22．

圖9 試件荷載-應變曲線

2.4 剛度退化

剛度是描述試件抵抗變形的指標，為了分析試件在軸壓情況下剛度退化的情況，引入了剛度指標．本文剛度系數(shù)采用試件的應力應變曲線上各個點的割線模量．如圖10所示，XCFt隨著壁厚的增加，彈性階段剛度逐漸增加，但進入彈塑性階段時，2.3 mm壁厚的剛度下降較快，而3.0 mm相比2.3 mm有明顯緩和，剛度下降減緩；3.5 mm時下降段有所加快，但仍緩于2.3 mm；4.0 mm時又有所減緩，而4.5 mm時下降段又有所加快．XRCFt試件則在3.0～4.0 mm處有較明顯的緩和，在4.5 mm處下降速度又快于這一階段壁厚的試件，說明壁厚的增加對剛度并不會一直提升，在3.0～4.0 mm之間存在一個剛度提升峰值．因此，當壁厚在3.0～4.0 mm之間、即套箍系數(shù)在1.04～1.41之間時，為較優(yōu)剛度區(qū)間．

圖10 剛度退化曲線

2.5 韌性分析

斷裂韌性是材料抵抗裂紋持續(xù)增加的性質(zhì)，通常用物體斷裂前吸收能量的多少來衡量物體韌性的好壞，Husem等[17]用應力應變曲線的包絡面積作為斷裂韌性因子（χ）來衡量鋼管混凝土的單位體積抵抗變形的能量．表達式如下：

式中：δf為破壞位移，N為荷載，δ為位移，εf為破壞應變（取值為50 000μm/m），D為直徑或邊長，H為高度，σ和ε分別為應力和應變．試件根據(jù)材料試驗和鋼管的軸壓試驗，取破壞位移δf=25 mm．如圖11所示，通過計算韌性因子，發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加，試件的斷裂韌性不斷增大，XCFt試件的斷裂韌性系數(shù)相比XRCFt試件按壁厚從小到大分別提高了5.8%、10.0%、8.8%、7.9%、3.3%，在t=3.0 mm時達到峰值，之后持續(xù)下降，隨壁厚增加，試件應變能增加的效率越來越緩慢．因此，壁厚在3.0～4.0 mm之間時，韌性較好，對應套箍系數(shù)為1.07～1.41．

圖11 斷裂韌性示意圖

2.6 延性分析

圓形試件由于下降段荷載-位移曲線多數(shù)無法達到85%峰值荷載的荷載值，而3倍峰值位移處位移過大，因此采用下式進行計算：

式中：Eu為峰值荷載處的荷載-位移曲線包絡面積，Ey為試件屈服時的曲線包絡面積（即能量）．圖12為5種壁厚的延性率曲線，隨著鋼管壁厚的增加，延性率系數(shù)不斷增加，說明試件的延性隨著鋼管壁厚的增加在逐步增大；不同壁厚的XCFt試件的延性始終大于XRCFt試件的延性，并且呈現(xiàn)平行趨勢，說明XRCFt試件中由于加入再生混凝土，導致試件的延性降低．通過計算比值可以發(fā)現(xiàn)，XRCFt試件延性系數(shù)分別達到XCFt試件的75.4%、64.9%、46.0%、52.0%、61.2%，原因是薄壁時鋼管套箍效應弱，兩者因此較為接近，但隨著壁厚增加，再生混凝土的缺陷凸顯，延性提升緩慢；而達到較大壁厚時，如3.5 mm左右，側(cè)向約束力增加較多，套箍效應增加，彌補了再生混凝土內(nèi)部缺陷．試驗結(jié)果與所有力學指標見表3．綜上，延性較優(yōu)區(qū)間為壁厚3.5～4.0 mm，對應套箍系數(shù)為1.22～1.41．

圖12 延性分析

表3 試驗結(jié)果

2.7 峰值荷載與含鋼率分析

如圖13所示，截面含鋼率相同時，試件的峰值荷載隨著含鋼率的增加也在不斷增加，按鋼管壁厚從小到大排列，XRCFt試件分別達到XCFt試件峰值荷載的97.89%、94.09%、98.80%、95.30%、96.72%，XRCFt峰值荷載基本低于XCFt．而采用(Nexan?Nexan?1)/(ρn?ρn?1)公式（ρ表示含鋼率，n表示此梯度含鋼率）進行計算，XCFt結(jié)果為241.53 kN、177.53 kN、5.16 kN、172.96 kN、90.37 kN，XRCFt結(jié)果為236.43 kN、138.51 kN、64.90 kN、121.08 kN、107.18 kN，隨著鋼管壁厚增加，單位含鋼率增加對試件承載力的提升效率越來越低，因此，增加壁厚的經(jīng)濟效益逐漸降低．

圖13 承載力與含鋼率曲線

2.8 離散性分析

采用變異系數(shù)CV表示試件的離散性，衡量數(shù)據(jù)之間的波動和離散程度．計算公式如下：

式中：S為標準差，Xi為各組單個試件峰值荷載值，ˉX為對應峰值荷載的平均值．如圖14所示，變異系數(shù)總體表現(xiàn)為薄壁鋼管時較高、隨著壁厚的增加逐漸降低的趨勢，除了3.0 mm出現(xiàn)兩者都較低的情況，其它各個壁厚CV基本表現(xiàn)為XCFt

圖14 鋼管壁厚與變異系數(shù)

2.9 承載力計算方法

目前，我國現(xiàn)有的鋼管再生混凝土計算公式只收錄于2019規(guī)程[11]，但是普通鋼管混凝土計算公式較多，使用較廣泛的有2014規(guī)范[12]，兩個計算公式如下：

（1）2019規(guī)程

式中：fsc,r為截面組合軸壓強度，ξr為約束效應系數(shù)（ξr=Asfy/Acfc,r），fc,r為再生混凝土軸心抗壓強度.

（2）2014規(guī)范

式中：θsc為套箍系數(shù)（取值同約束效應系數(shù)），fc為混凝土軸心抗壓強度．

圓形試件B、C取值如下：

將13位學者的14個試件的100%取代率的短柱軸壓試驗峰值荷載結(jié)果代入公式進行計算，結(jié)果如表4和圖15所示，其中?表示實驗值對公式預估值的比值．兩個公式的?平均值分別為0.97和1.02，CV值均為4.72%，說明100%替代率時，2019規(guī)程可能存在承載力過高預估的情況．將?根據(jù)套箍系數(shù)的大小劃分為兩個區(qū)間，其一是低區(qū)間，即θ=0.38至θ=1.5；其二是高區(qū)間，即θ>1.5．根據(jù)表4和圖15可以發(fā)現(xiàn)：在θ低區(qū)間時，?值大多低于1.0，說明預估值偏高，不安全，兩個規(guī)范的可靠性得不到保證；在θ高區(qū)間時，?值均高于1.0，說明預估值偏低，偏安全．由此得出結(jié)論：100%取代率條件下，套箍系數(shù)大于1.5的RACFST構(gòu)件可以使用2019規(guī)程和2014規(guī)范進行承載力預估，結(jié)果是偏安全的；與此相反，套箍系數(shù)低于1.5時，2019規(guī)程和2014規(guī)范均不適合計算RACFST承載力．

圖15 實驗值與計算值對比結(jié)果

表4 實驗值與計算值對比

3 結(jié)論

（1）XCFt與XRCFt的破壞模式隨著壁厚的增加，逐漸由剪切破壞變成多折腰鼓破壞，但XCFt試件改變破壞模式時壁厚比XRCFt試件更薄，而且內(nèi)部混凝土的完整度也隨壁厚增加而增加．從各項力學性能指標看，壁厚的增加能有效改善XRCFt試件力學性能．

（2）在相同含鋼率條件下，XCFt試件與XRCFt試件的承載力相差并不大，但隨著含鋼率的增加，兩種試件的單位含鋼率提升承載力的效率越來越低．100%取代率條件下套箍系數(shù)大于1.5的RACFST構(gòu)件可以使用2019規(guī)程和2014規(guī)范進行承載力預估，結(jié)果是偏安全的．與此相反，套箍系數(shù)低于1.5時，2019規(guī)程和2014規(guī)范均不適合計算RACFST承載力．

（3）綜合考慮經(jīng)濟因素、延性、承載力和離散性，與XCFt趨勢較為接近的鋼管壁厚為3.5～4.0 mm，對應套箍系數(shù)為1.22～1.41．針對100%取代率條件下，現(xiàn)有規(guī)范和規(guī)程承載力計算公式無法應用于低套箍系數(shù)構(gòu)件，可以考慮在混凝土內(nèi)加配加筋件來提高試件承載能力和穩(wěn)定性．