圓鋼管再生混凝土短柱計(jì)算方法*

許 偉， 白 楊， 羅 丹

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽 110168)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的騰飛，建筑行業(yè)已步入高速發(fā)展的道路.在這個(gè)過程之中，會(huì)出現(xiàn)大量的建筑垃圾，其中包括大量的廢棄混凝土.這些建筑垃圾對于自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有巨大威脅，而且處理這些建筑垃圾也十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力.因此，有必要將這些建筑垃圾重新再利用，這樣不但可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且還能夠有效地解決建筑垃圾的處理問題.將廢棄的混凝土破碎后，進(jìn)行洗滌和分類，再次利用舊骨料，用其部分或全部替代天然骨料，重新配制而成新混凝土，這種新混凝土稱為再生混凝土[1].再生混凝土與普通混凝土相比，其力學(xué)性能和耐久性均較差[2].將再生混凝土填充到鋼管中，通過鋼管對于再生混凝土的約束作用來提高整體的力學(xué)性能，與此同時(shí)鋼管自身的穩(wěn)定性也得到了很大的提升，稱這種新型的組合結(jié)構(gòu)為鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu).

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對于鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多探索與試驗(yàn)，并且取得許多突破性的成果與結(jié)論[3-7].對于鋼管混凝土理論計(jì)算的研究已經(jīng)趨于成熟，而對于鋼管再生混凝土的理論計(jì)算才剛剛開始.本文對鋼管混凝土的計(jì)算方法進(jìn)行修正，使其適用于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算.

1 有限元模型

1.1 鋼材與再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系

鋼材所采用的本構(gòu)關(guān)系為二次流塑模型[8].再生混凝土采用文獻(xiàn)[9]提出的本構(gòu)關(guān)系模型，該模型在原混凝土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，引入了再生骨料取代率影響曲率系數(shù)，以此來體現(xiàn)再生骨料取代率所帶來的影響.

1.2 有限元模型的建立與驗(yàn)證

本文在文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用有限元軟件ABAQUS建立圓鋼管再生混凝土短柱有限元模型.經(jīng)驗(yàn)證，圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明本文所建立的ABAQUS有限元模型可以較好地模擬圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的受力過程.

2 修正圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力公式

設(shè)置柱長L=420 mm，外徑D=140 mm，與此同時(shí)取不同的再生骨料取代率、不同的含鋼率、不同的再生混凝土強(qiáng)度和不同的鋼材強(qiáng)度為變化參數(shù)，建立圓鋼管再生混凝土軸壓短柱模型，構(gòu)件參數(shù)如表1所示.

表1 構(gòu)件參數(shù)表Tab.1 Specimen parameters

2.1 模擬結(jié)果與各規(guī)范計(jì)算結(jié)果對比

表2為規(guī)范計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對比.由表2可知，使用統(tǒng)一強(qiáng)度理論的規(guī)范(GB 50936-2014)[11]計(jì)算結(jié)果比模擬值小約10%，而使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)計(jì)算結(jié)果比模擬值小10%～30%，使用擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)計(jì)算結(jié)果比模擬值小40%～50%，使用疊加理論規(guī)范AIJ(1997)計(jì)算結(jié)果則均比模擬值小30%～50%.使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)、擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)、疊加理論規(guī)范AIJ(1997)的計(jì)算結(jié)果雖然處于安全范圍，但是與模擬結(jié)果相差較大，精確度低.而使用規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)的計(jì)算結(jié)果不僅處于安全范圍，而且精確度很高.因此，可采用規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)對鋼管再生混凝土軸壓短柱進(jìn)行計(jì)算.

2.2 計(jì)算公式的修正

表3為θ值計(jì)算結(jié)果.再生骨料取代率對于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的極限承載力具有一定程度的影響.因此，在圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力的計(jì)算公式中，應(yīng)當(dāng)包含再生骨料取代率這個(gè)影響因素.而現(xiàn)行規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)對于鋼管再生混凝土軸壓短柱具有較好的適用性，但是沒有考慮再生骨料取代率對于其承載力的影響.因此，對于規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的鋼管混凝土軸壓短柱公式進(jìn)行修正.在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對27根圓鋼管再生混凝土軸壓短柱進(jìn)行模擬分析.通過設(shè)立參數(shù)θ，分析比較圓鋼管再生混凝土短柱在軸心受壓狀態(tài)下的承載力模擬值Na和設(shè)計(jì)值Nu，結(jié)果如表3所示.

表2 規(guī)范計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對比Tab.2 Comparison between calculated results under specifications and simulation results

表3 θ值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of θ values

利用圓鋼管再生混凝土軸壓短柱模擬的數(shù)據(jù)，通過回歸的方法，最終得到再生骨料取代率r與參數(shù)θ之間的關(guān)系，如圖1所示.將表3中所有的θ值輸入到軟件Origin當(dāng)中，經(jīng)過軟件Origin擬合后，得到再生骨料取代率r與參數(shù)θ之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

θ=0.904+0.012r

(1)

因此，對鋼管混凝土軸壓短柱公式進(jìn)行修改后，其表達(dá)式為

(2)

表4為公式(2)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果比較.由表4可知，平均值相差在10%以內(nèi)，且標(biāo)準(zhǔn)差為0.02，同時(shí)計(jì)算結(jié)果偏于安全，表明擬合結(jié)果較好，公式(2)可用于鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算.

圖1 θ-r擬合曲線Fig.1 Fitting curve of θ-r relation

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 使用擬混凝土理論規(guī)范ACI(2005)、擬鋼理論規(guī)范ASIC(2005)、疊加理論規(guī)范AIJ(1997)對于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的計(jì)算結(jié)果均比模擬值小，計(jì)算結(jié)果偏于安全，但是平均值相差均大于15%.

表4 公式(2)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)結(jié)果比較Tab.4 Comparison between calculated results of formula (2) and test results of literature [10]

2) 雖然規(guī)范《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50936-2014)計(jì)算結(jié)果平均相差在10%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果也相對安全，但是此規(guī)范未考慮骨料取代率的影響.因此，對于規(guī)范中的公式進(jìn)行修正，提出修正系數(shù)θ，使用修正后的公式(2)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其計(jì)算結(jié)果偏于安全，而且精確度較高，適用于圓鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力的計(jì)算.