鋼管再生混凝土綜述

鋼管再生混凝土的現(xiàn)狀研究摘要：再生混凝土是指利用廢棄混凝土破碎加工而成的再生集料，部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土，再生混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用為建筑垃圾資源化提供了一條有效的途徑。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)將鋼管和混凝土有機(jī)結(jié)合起來(lái)，因承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用與單層和多層工業(yè)廠房等承重結(jié)構(gòu)中。而將再生混凝土澆筑在鋼管內(nèi)形成的鋼管再生混凝土，既能提高鋼管的承載能力，又能彌補(bǔ)再生混凝土的不足。近年來(lái)，許多專(zhuān)家和學(xué)著對(duì)這種新型的組合結(jié)構(gòu)展開(kāi)了研究。關(guān)鍵詞：鋼管再生混凝土；力學(xué)性能；抗震性能；黏結(jié)滑移；研究展望0引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化的進(jìn)程不斷加快，大量的建筑垃圾不斷排出，其中廢棄混凝土占了很大一部分，而廢棄混凝土的處理需要大量的費(fèi)用而且還嚴(yán)重污染環(huán)境，再生混凝土技術(shù)的應(yīng)用為這些廢棄混凝土的處理提供了有效的途徑，減少了環(huán)境污染，并能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益⑴。鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，將鋼管和混凝土有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮鋼管和混凝土各自的優(yōu)越性。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借其承載力高、抗震性能好等優(yōu)勢(shì)，在高層和超高層建筑中得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并且較好地解決了施工速度與混凝土硬化時(shí)間較長(zhǎng)的矛盾。伴隨著鋼管混凝土技術(shù)的發(fā)展，科研工作者提出了將再生混凝土灌入鋼管中從而形成鋼管再生混凝土這一種新型的組合結(jié)構(gòu)，對(duì)再生混凝土的利用提供了一種新的方式⑵。這種組合結(jié)構(gòu)日益引起許多專(zhuān)家和學(xué)者的關(guān)注與研究，并取得了一定成果。1鋼管再生混凝土的力學(xué)性能分析國(guó)內(nèi)外的研究者和學(xué)者對(duì)鋼管再生混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究工作。許多學(xué)者集中在鋼管再生混凝土柱的受壓性能方面的研究W"王玉銀⑹等采用分級(jí)單調(diào)加載，對(duì)12個(gè)鋼管再生混凝土和12個(gè)配置螺旋箍筋的鋼筋再生混凝土進(jìn)行了軸壓短柱試驗(yàn)，保證用鋼量相同的情況下，對(duì)比分析了鋼管再生混凝土短柱與鋼筋再生混凝土短柱二者軸壓力學(xué)性能的差異，研究了再生混凝土強(qiáng)度及再生粗骨料取代率等主要試驗(yàn)參數(shù)對(duì)鋼管再生混凝土與鋼筋再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土的力學(xué)特性分別與相應(yīng)的鋼管普通混凝土和鋼筋普通混凝土相似。與再生混凝土材料試驗(yàn)不同，鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土軸壓短柱的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線離散性較小，易于實(shí)際工程中的應(yīng)用，再生粗骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土和鋼筋再生混凝土軸壓短柱的破壞過(guò)程和破壞形態(tài)無(wú)明顯影響。趙超⑺通過(guò)設(shè)計(jì)不同含量的再生混凝土鋼管短柱，進(jìn)行受壓試驗(yàn)，考慮再生料的的替代比與偏心距為變化參數(shù)，研究了組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞形態(tài)與受力機(jī)理，結(jié)果表明：鋼管再生混凝土柱在受力過(guò)程中出現(xiàn)局部屈服現(xiàn)象，但是在其它條件一致的情況下，替代率對(duì)試件破壞模式的影響不大，在相同的偏心距條件下，試件的峰值應(yīng)力隨替代率增加呈非單調(diào)遞增趨勢(shì)，隨著替代率的增加，峰值應(yīng)變出現(xiàn)波浪形降低的趨勢(shì)。在鋼管再生混凝土柱壓彎及純彎構(gòu)件力學(xué)性能方面，陳曉旋等⑻采用直縫方鋼管通過(guò)對(duì)15個(gè)試件進(jìn)行一次單調(diào)加載試驗(yàn)，考慮偏心率和再生骨料取代率2個(gè)因素，研究了方鋼管再生混凝土壓彎短柱的力學(xué)性能，獲得試件的破壞形態(tài)、破壞荷載、荷載-變形曲線以及荷載-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：再生鋼管混凝土與普通鋼管混凝土受力形態(tài)基本一致，都要經(jīng)過(guò)彈性段#彈塑性段和破壞階段。隨著再生骨料取代率的增大，鋼管再生混凝土承載力呈現(xiàn)出非線性降低的趨勢(shì)；隨著偏心距的增大，管再生混凝土承載力基本呈現(xiàn)線性降低的趨勢(shì)。葉欣等［9］，分別對(duì)各4個(gè)圓、方鋼管再生混凝土純彎構(gòu)件和相應(yīng)的2個(gè)鋼管普通混凝土對(duì)比構(gòu)件進(jìn)行了研究，考察和分析了鋼管再生混凝土純彎構(gòu)件的力學(xué)性能和破壞形態(tài)，采用纖維模型法進(jìn)行初步計(jì)算。研究表明：鋼管再生混凝土純彎構(gòu)件的力學(xué)性能與鋼管普通混凝土純彎構(gòu)件類(lèi)似，再生混凝土取代率越大，鋼管再生混凝土純彎構(gòu)件的極限彎矩和剛度越小。2鋼管再生混凝土柱的抗震性能影響鋼管再生混凝土柱的抗震性能的因素有承載能力、變形能力、耗能能力和破壞形態(tài)等，相關(guān)試驗(yàn)主要考慮再生骨料取代率、軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比和含鋼率等變化參數(shù)對(duì)其抗震性能的影響。張向?qū)?0-11］等研究了方鋼管再生混凝土柱的抗震性能，采用擬靜力試驗(yàn)對(duì)6個(gè)方鋼管再生混凝土柱進(jìn)行，考慮了再生骨料取代率和軸壓比2個(gè)變化參數(shù)對(duì)試件抗震性能的影響，以及對(duì)10個(gè)圓形鋼管再生混凝土柱考慮再生骨料取代率、長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比和含鋼率4種變化參數(shù)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果都表明試件破壞過(guò)程及形態(tài)與普通混凝土柱相似，主要表現(xiàn)為鋼管底部的鼓曲破壞，試件前后兩側(cè)形成了一道較為明顯的鼓曲波，試件的滯回曲線較飽滿(mǎn)與普通鋼管混凝土柱基本相似，試件變形性能良好。黃一杰，肖建莊［12］采用偽經(jīng)歷加載方案通過(guò)對(duì)6個(gè)鋼管再生混凝土柱試件進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，考利再生骨料取代率和混凝土強(qiáng)度為主要參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行了抗震性能的研究，結(jié)果表明：鋼管再生混凝土柱具有良好的抗震性能，并且鋼管再生混凝土柱極限承載力受再生骨料取代率的影響并不明顯。黃丹［13］等通過(guò)對(duì)3個(gè)鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)考慮含鋼率、軸壓比兩個(gè)參數(shù)變化對(duì)抗震性能的影響，結(jié)果表明：鋼率對(duì)試件的滯回性能影響較為明顯，鋼管再生混凝土試件含鋼率越大，試件延性越好，軸壓比越小，其延性越好；隨軸壓比的增加，試件的承載力、延性和耗能能力均降低；鋼管再生混凝土具有良好的變形性能和耗能能力％能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。3鋼管再生混凝土的黏結(jié)滑移性能王振波［14］等通過(guò)對(duì)9根方鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行推出試驗(yàn)，考慮再生混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、再生骨料取代率一級(jí)膨化劑的摻量百分比等因素對(duì)鋼管再生混凝土的黏結(jié)滑移性能的影響，得到并分析了格式件的荷載-滑移（P-S）曲線關(guān)系。結(jié)果表明：在混凝土強(qiáng)度相同和不摻膨脹劑摻量時(shí)，方鋼管再生混凝土的黏結(jié)破壞承載力比方鋼管原生混凝土降低很多；在再生混凝土替代率相同和不摻膨脹劑時(shí)，再生混凝土強(qiáng)度的提高對(duì)方鋼管再生混凝土的黏結(jié)力有明顯的提高。李衛(wèi)寧等人［15］為了研究方鋼管再生混凝土的界面粘結(jié)滑移性能，10根方鋼管再生混凝土短柱試件進(jìn)行推出試驗(yàn)研究，研究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、埋置長(zhǎng)度和再生粗骨料取代率3個(gè)變化參數(shù)對(duì)粘結(jié)滑移性能的影響。結(jié)果表明：方鋼管再生混凝土荷載滑移曲線大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：無(wú)滑移階段、應(yīng)力上升階段、應(yīng)力突變階段及應(yīng)力下降階段，取代率對(duì)起滑粘結(jié)強(qiáng)度和極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響較小，埋置長(zhǎng)度較小試件的起滑和極限粘結(jié)強(qiáng)度比埋置長(zhǎng)度較大試件的大，混凝土強(qiáng)度對(duì)其二者影響較大。陳宗平網(wǎng)等人采用服役期滿(mǎn)50年的混凝土作為再生粗骨料的來(lái)源，對(duì)25根鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行推出試驗(yàn)，研究了試件的截面形式、再生粗骨料取代率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、長(zhǎng)徑比及截面買(mǎi)只深度5個(gè)變化參數(shù)對(duì)其黏結(jié)性能的影響，結(jié)果表明：加載端和自由端的荷載3滑移曲線具有一定的相似性，但加載端的界面起滑較之自由端發(fā)展得早；試件加載端的滑移量比其余部位的鋼管與核心再生混凝土滑移值都大，且隨著荷載的增加，曲線以線性性態(tài)遞減至自由端；實(shí)測(cè)黏結(jié)強(qiáng)度普遍大于名義黏結(jié)應(yīng)力；圓形試件的黏結(jié)性能優(yōu)于方形試件。4鋼管再生混凝土柱相關(guān)性能的有限元分析李兵M等利用ABAQUS軟件對(duì)方鋼管再生混凝土短柱軸壓承載力進(jìn)行了非線性分析，建立了適用于有限元分析的鋼管再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型。結(jié)果表明：通過(guò)模擬獲得的計(jì)算結(jié)果與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果差異較小，建立的模型可較好地滿(mǎn)足利用ABAQUS對(duì)方鋼管再生混凝土短柱進(jìn)行軸壓承載力的模擬分析要求。李兵*］等利用有限元軟件ABAQUS建立模型，對(duì)三組圓鋼管再生混凝土和三組方鋼管再生混凝土梁進(jìn)行有限元分析，考慮不同取代率下鋼管混凝土梁的受力特性，結(jié)果表明：不同再生混凝土取代率對(duì)方鋼管受彎構(gòu)件影響較大，而對(duì)圓鋼管構(gòu)件影響較小，擬所得梁跨中彎矩，應(yīng)變曲線和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。王緒湘［19］利用有限元軟件ABAQUS,結(jié)合已有的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)鋼管再生混凝土柱抗震性能的數(shù)值分析研究，建立了合理的有限元模型,得到如下相關(guān)結(jié)論:鋼管再生混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下，構(gòu)件具有良好的延性。相同的混凝土強(qiáng)度，鋼管再生混凝土柱的水平承載力隨著再生骨料替代率增加而降低，但是其位移延性卻隨著再生骨料替代率增加有不同程度的改善。隨著再生骨料替代率的增加,構(gòu)件的位移延性有不同程度的增加，在低周往復(fù)荷載作用下,再生骨料替代率增加，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的初始剛度下降。5鋼管再生混凝土的研究展望與存在的問(wèn)題對(duì)鋼管再生混凝土的研究還有很多方面，包括對(duì)其強(qiáng)度、界面力學(xué)行為、耐久性等方面的研究，如方鋼管再生混凝土的界面力學(xué)行為研究如、鋼管再生混凝土柱承載力及抗火性能研究［21］、圓鋼管再生混凝土構(gòu)件抗側(cè)向沖擊性能試驗(yàn)［22］、中空夾層鋼管再生混凝土短柱受壓性能分析⑵］、帶端板方鋼管再生混凝土短柱中心局部承壓性能試驗(yàn)研究［24］異形鋼管再生混凝土柱軸壓和抗震性能的有限元分析［25等。在工程施工方面，方鋼管再生混凝土更方便，同時(shí)還能滿(mǎn)足建筑外觀要求，在工程上可行性更大。鋼管再生混凝土通過(guò)鋼管的套箍作用彌補(bǔ)了再生混凝土在力學(xué)性能上的不足，對(duì)再生混凝土在工程實(shí)際上的應(yīng)用是一個(gè)福音，但鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)研究和應(yīng)用的時(shí)間還不長(zhǎng)，在許多方面還存在著各種弊端和問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究探索。如研究的對(duì)象集中在構(gòu)件方面，研究的更多是鋼管再生混凝土柱的力學(xué)性能，在對(duì)框架，梁等方面研究的較少；研究的截面形式主要是圓形和方形截面，對(duì)異形截面的研究較少；且由于其影響因素較多，在研究過(guò)程中容易忽略其加工試件的眾多不同分類(lèi)形式等問(wèn)題。6結(jié)語(yǔ)鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)可促進(jìn)再生混凝土在土木建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展，為廢棄混凝土資源化提供一條有效的途徑。鋼管再生混凝土既能彌補(bǔ)再生混凝土的不足，又具有相當(dāng)高的承載力，表明鋼管再生混凝土在結(jié)構(gòu)上具有相當(dāng)高的可行性，為以后在工程上的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。研究表明：（1） 鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)能彌補(bǔ)再生混凝土的缺陷，具有一定經(jīng)濟(jì)效益，最重要的是起到保護(hù)環(huán)境的作用，具有較大的研究意義。（2） 鋼管再生混凝土的在力學(xué)性能方面和鋼管普通混凝土相似。在抗震方面，相關(guān)試驗(yàn)表明，試件破壞過(guò)程及形態(tài)也與普通混凝土柱相似。（3） 利用ABAQUS等有限元軟件對(duì)鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能進(jìn)行了分析，能較好的模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得到的應(yīng)變曲線和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。（4） 由于鋼管再生混凝土的優(yōu)點(diǎn)和可行性，推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。參考文獻(xiàn)［1］ 夏進(jìn)，淺析再生混凝土的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，科技創(chuàng)新與應(yīng)用［J］,2012,26：247-248.［2］ KoonoK,SatoY,KakutaY,etal.Propertyofrecycledconcretecolumnencasedbysteeltubesubjectedtoaxialcompression［J］.TransactionsoftheJapanConcreteInstitute,1997,19（2）:231-238［3］ 何東，王清遠(yuǎn)、邱慈長(zhǎng)等，鋼管再生混凝土軸心受壓的荷載-變形曲線理論研究和試驗(yàn)分析，四川大學(xué)學(xué)報(bào)［J］，2010,42：49-53.［4］ 王振波，劉飛，華竹君等，膨脹劑對(duì)鋼管再生混凝土柱軸壓性能影響的試驗(yàn)研究，混凝土與水泥制品［J］，2014,1:44-46.［5］ 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