方鋼管再生混凝土組合短柱的承載力計算方法探討

縱 超 （華僑大學(xué)廈門工學(xué)院，福建 廈門 361000）

0 前 言

目前，對普通鋼管混凝土短柱的軸壓承載性能的研究已經(jīng)比較深入了，但是對于鋼管再生混凝土組合短柱的研究仍然少見報道，尤其是關(guān)于鋼管再生混凝土組合短柱的承載性的研究更是非常有限。實驗表明，再生混凝土的取代率對于方鋼管再生混凝土軸壓短柱的承載性能有很大的影響，隨著再生混凝土取代率的提高，核心混凝土強(qiáng)度不斷降低，而方鋼管再生混凝土組合短柱的軸壓承載力也是呈降低的趨勢。因此在推導(dǎo)方鋼管—再生混凝土軸壓短柱的承載公式的時候必須引入混凝土取代率這個參數(shù)。同時，套箍系數(shù)也是影響方鋼管再生混凝土軸壓承載力的一個重要因素。隨著套箍系數(shù)的增加，核心混凝土的強(qiáng)度隨之增加，因而方鋼管—再生混凝土的承載力也隨之增加。本文結(jié)合已有的各國的規(guī)范當(dāng)中關(guān)于普通混凝土短柱軸壓承載力的計算方法，并考慮到再生混凝土取代率及套箍系數(shù)的影響，探討方鋼管再生混凝土組合短柱的軸壓承載力的計算方法。

1 國內(nèi)外研究概況

日本、美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家對廢棄混凝土資源化的研究較早,主要集中在對再生骨料和再生混凝土基本性能的研究上,并已有成功應(yīng)用于剛性路面和建筑結(jié)構(gòu)的例子。 近年來,國內(nèi)的一些專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究,并在住宅樓中初步應(yīng)用再生混凝土。研究結(jié)果表明：與相同配合比的天然骨料混凝土相比,再生混凝土具有水灰比大、表觀密度小、孔隙多、強(qiáng)度和彈性模量低、收縮和徐變大、流動性差等缺點,且技術(shù)上缺少較完善的再生骨料和再生混凝土技術(shù)規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn),因此還只能在一些次要結(jié)構(gòu)或非承重結(jié)構(gòu)中應(yīng)用,極大地阻礙了再生混凝土在實際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。此外,與普通混凝土相比,再生混凝土具有自重輕、導(dǎo)熱系數(shù)小和脆性低等優(yōu)點。通過對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的分析與研究,對各國再生混凝土技術(shù)開發(fā)與研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述,主要包括：再生骨料的生產(chǎn)工藝；再生混凝土的配合比；再生混凝土的物理性能；再生混凝土耐久性；再生混凝土抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、坍落度、表觀密度等基本性能及再生混凝土結(jié)構(gòu)的性能等。同時，提出了再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)需要進(jìn)一步研究的課題。

Konno[1][2]等研究了鋼管約束再生混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能,并與鋼管約束普通混凝土構(gòu)件進(jìn)行了比較,進(jìn)行了理論分析。試驗共進(jìn)行了包括鋼管約束普通混凝土在內(nèi)的10 個試件的研究,混凝土的強(qiáng)度從17.2MPa～49.7MPa。 研究結(jié)果表明,鋼管約束再生混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能與鋼管約束普通混凝土類似,且具有良好的延性,但該類構(gòu)件在剛度和承載力方面有降低的趨勢,分析認(rèn)為主要原因是再生混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都低于相同配合比的普通混凝土。

福州大學(xué)楊有福教授[3]課題組為了全面考察鋼管再生混凝土構(gòu)件在一次加載下的靜力性能,先后做了一系列的試驗研究,包括鋼管混凝土軸壓短柱試驗、圓鋼管再生混凝土柱試驗、鋼管再生混凝土純彎構(gòu)件試驗,分析比較了方形截面和圓形截面在不同的粗骨料取代率下, 鋼管再生混凝土的荷載-變形關(guān)系、強(qiáng)度承載力以及柱的偏心矩、梁的彎矩和擾度等因素的變化規(guī)律。研究表明，鋼管再生混凝土構(gòu)件與鋼管普通混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能類似，但由于再生混凝土的強(qiáng)度和彈性模量低于相同配合比的普通混凝土， 致使鋼管再生混凝土構(gòu)件的承載力、軸壓短柱彈性模量和純彎構(gòu)件剛度均低于相應(yīng)的鋼管普通混凝土構(gòu)件。另外長期荷載作用下鋼管再生混凝土構(gòu)件的變形特性試驗[4]的結(jié)果表明，鋼管再生混凝土中核心再生混凝土的收縮變形特性和長期荷載作用下的縱向變形隨時間變化規(guī)律，與相應(yīng)鋼管普通混凝土類似,但其值總是前者高于后者。

吳波等[5]通過17 根試件的軸壓試驗,考察鋼管再生混合短柱與鋼管混凝土短柱的7d 和28d 軸向受力行為,比較二者的剛度、強(qiáng)度和延性。根據(jù)國內(nèi)外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),對試件的抗壓承載力進(jìn)行計算,基于計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比,建議鋼管再生混合短柱的抗壓承載力計算公式。研究結(jié)果表明：①雖然鋼管再生混合短柱采用了32%～35%的廢棄混凝土,但其軸向受力性能卻與全現(xiàn)澆鋼管混凝土短柱相當(dāng)；②根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)JCJ 01-89 給出的鋼管再生混合短柱的抗壓承載力計算結(jié)果，與試驗結(jié)果吻合較好。

2 各國規(guī)范中普通混凝土柱的計算方法

目前國內(nèi)外已有多本規(guī)范規(guī)定了方、矩形鋼管混凝土試件承載力的驗算方法，如美國ACI(2002)[6]、日本AIJ(1997)[7]、英國BS5400(1979)[8]、歐洲EC4(1994)[9]以及我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 195：2004)[10]和福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ13-51-2003)[11]。

①美國ACI(2002)和日本AIJ(1997)規(guī)程，采用了相同的計算公式計算方、矩形鋼管混凝土的軸壓承載力：

式中：f'c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度。

②BS5400(1979)中采用混凝土立方體試塊強(qiáng)度fw計算試件的極限承載力：

③EC4(1994)提供了下述鋼管混凝土柱的軸壓承載力：

④《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 195：2004)采用如下的承載力計算公式：

⑤在《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ13-51-2003)中，約束效應(yīng)系數(shù)ζ 被用來描述鋼管混凝土二者之間的相互作用，其定義為：

該規(guī)程認(rèn)為，鋼管混凝土是一種組合材料，采用統(tǒng)一理論計算其承載能力，其組合截面的軸壓強(qiáng)度可表示為：

式中：Asc為鋼管和混凝土二者的截面面積之和，Asc=As,t+Ac;fscy為方形或矩形鋼管混凝土的組合軸壓強(qiáng)度，按下式計算：

從以上各國規(guī)范（規(guī)程）中可以發(fā)現(xiàn)，各個國家給出的計算公式有所不同，利用上述公式對表1 中的試件進(jìn)行了計算，所的結(jié)果與試驗值比較見表2。

文獻(xiàn)[13]中方形鋼管混凝土試件一覽表 表1

仔細(xì)分析各國規(guī)范或規(guī)程，可見這些計算公式是有一定差異的。一部分公式只是混凝土和鋼管兩種材料承載力的簡單加和，如AIJ(1997)、ACI(2002)、EC4(1994)、BS5400(1979)以 及CECS195：2004(2004)給出的組合構(gòu)件的計算公式。這些公式?jīng)]有考慮兩種材料的組合效應(yīng)， 使得計算出來的承載力的值偏小，在我國的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ13-51-2003）中提出了約束效應(yīng)系數(shù)ζ 這個概念， 考慮了兩種材料的組合作用，更加準(zhǔn)確的反映組合構(gòu)件的極限承載力。

3 方鋼管-再生混凝土組合短柱軸壓承載力計算方法

通過對各國規(guī)范（規(guī)程） 的比較， 可知DBJ13-51-2003(2003)中關(guān)于鋼管混凝土的計算公式能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測構(gòu)件的軸壓承載能力，本文將根據(jù)規(guī)程DBJ13-51-2003(2003)給出方鋼管再生混凝土組合短柱的軸壓承載力的實用計算方法。因為方鋼管再生混凝土與普通鋼管混凝土的不同在于內(nèi)填混凝土的差異，兩者的約束效應(yīng)相似，因此暫假設(shè)兩者約束效應(yīng)系數(shù)相同，只考慮混凝土取代率對于方鋼管再生混凝土組合短柱的影響，與式（7）相對應(yīng)，定義，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中實驗數(shù)據(jù)回歸的公式代入規(guī)程DBJ13-51-2003(2003)的軸壓計算公式，可得：（1.18+0.85ζ）1-0.28r+0.08r2）=NDBJ·（1-0.28r+0.08r2）。本式形式簡單，公式能很好地反映方鋼管再生混凝土組合短柱的軸壓承載力。

4 小 結(jié)

本文對比了各規(guī)范的相應(yīng)公式，對于普通矩形鋼管混凝土短 柱ACI(2002)、AIJ(1997)、BS5400(1979)、EC4(1994)以 及CECS195：2004(2004)都是簡單的將鋼管和混凝土單獨作用時的承載力相加，并未考慮鋼管和混凝土間的組合作用，其計算結(jié)果顯然較實際承載能力偏小， 明顯偏于保守；DBJ13-51-2003(2003)引入約束效應(yīng)系數(shù)ζ，ζ 用來描述鋼管混凝土二者之間的相互作用。根據(jù)規(guī)程DBJ13-51-2003(2003)給出鋼管混凝土組合短柱的軸壓承載力的計算公式，并結(jié)合已有文獻(xiàn)關(guān)于承載力的計算方法，給出了方鋼管再生混凝土組合短柱的實用計算公式。

極限強(qiáng)度計算結(jié)果與試驗結(jié)果[13]對比 表2

[1]Konno K,Sato Y,Uedo T,et al.Mechanical property of recycled concrete under lateral confinement[J].Transactionsof the Japan Concrete Institute,1998(3).

[2]Konno K,Sato Y,Kakuta Y,et al.Property of Recycled Concrete Column Encased by Steel Tube Subjected to Axial Compression.Transactionsof the Japan Concrete Institute,1997(2).

[3]楊有福.鋼管再生混凝土構(gòu)件力學(xué)性能和設(shè)計方法若干問題探討[J].工業(yè)建筑,2006(11).

[4]Yang Y F,Han L H,WuX.Concrete shrinkage and creep in recycled ag-gregateconcrete-filled steel tubes[J].Advancesin Structural Engineering,2008(4).

[5]吳波,劉偉,劉瓊祥,許喆.鋼管再生混合短柱的軸壓性能試驗[J].土木工程學(xué)報,2010(2).

[6]ACI 318-99,2002.Building code requiremts for structural concrete and commentary[s].Farmington Hills(MI),American Concrete Institute,Detroit,U.S.A.Aitcin PC.High-performanceconcrete[M].Eand FNSpon,London,2001.

[7]Architectural Institute of Japan(AIJ).Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures.Oct.1997.

[8]British Standards Institutions,1979.BS5400,Part 5,Concreteand compositebridges[s].London,U.k.

[9]EC4,Design of Steel and Concrete Structures,Partl.1,General Rules and Rules for Building.DD ENV 1994-1-1:1996.British Standards Institution,London WIA2BS.

[10]CECS159：2004,矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[11]DBJ13-51-2003，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].2003.

[12]楊有福.鋼管再生混凝土構(gòu)件荷載-變形關(guān)系的理論分析[J].工業(yè)建筑，2007(12).

[13]陶忠,于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗、理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社,2006.