方钢管再生混凝土轴压短柱研究学习体会

文献概况与研究意义

本文由华东交通大学交通基础设施环境与安全协同创新中心陈梦成、刘京剑、黄宏等作者完成，发表于2014年《广西大学学报（自然科学版）》第39卷第4期，研究受国家自然科学基金（51378206;51008122;50968006）等多项资助。该文献通过5根轴压短柱试件的试验研究和ABAQUS有限元数值模拟，系统研究了方钢管再生混凝土柱的轴压性能。

再生混凝土是将建筑垃圾（如废弃混凝土、砖石等）经破碎、筛分后作为骨料重新利用的混凝土。随着建筑业的快速发展和城市化进程的加快，建筑垃圾的产生量急剧增加，再生混凝土的应用成为实现建筑垃圾资源化利用的重要途径。然而，再生骨料表面附着的老化砂浆层导致再生混凝土的强度低于普通混凝土，其工程应用受到一定限制。

方钢管再生混凝土柱通过钢管对核心再生混凝土的约束作用，可以有效改善再生混凝土的力学性能，提高其强度和延性。该研究对于推动再生混凝土在结构工程中的应用具有重要的理论和工程意义。

试验设计与研究方法

试件设计

试验设计了5根轴压短柱试件，通过改变再生骨料的类型和用量等参数，研究其对方钢管再生混凝土柱轴压性能的影响。试件的设计充分考虑了再生混凝土与普通混凝土在材料特性上的差异。

有限元模拟方法

采用ABAQUS有限元软件对方钢管再生混凝土柱进行数值模拟，模拟内容包括：

• 材料本构模型：方钢管采用双线性硬化模型，再生混凝土采用约束混凝土本构模型
• 接触关系：方钢管与核心再生混凝土之间设置摩擦接触
• 边界条件：模拟实际加载条件
• 网格划分：采用适当的网格密度保证计算精度

有限元计算结果与试验实测结果吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。

轴压性能研究结果

力学性能特征

文献研究结果表明，方钢管再生混凝土柱的力学性能具有以下特征：

1. 应力-应变关系：方钢管再生混凝土柱的名义应力-应变关系与普通方钢管混凝土柱相似，再生骨料的类型对其影响不大。
2. 刚度退化规律：加载过程中刚度逐渐退化，退化规律与普通方钢管混凝土柱一致。
3. 损伤积累规律：损伤随荷载增加而逐渐积累，再生混凝土的损伤发展特征与普通混凝土类似。
4. 耗能能力：方钢管再生混凝土柱具有良好的耗能能力，再生骨料的类型影响不大。
5. 横向变形系数：横向变形系数随荷载增加而增大，变化规律与普通方钢管混凝土柱相似。

约束效应的影响

约束效应系数ξ是衡量钢管对核心混凝土约束效果的重要参数。文献研究发现：

约束效应系数较大的试件，由于钢材对核心再生混凝土的约束作用较强，其峰值应力及其对应的应变较大，延性较好，初始刚度较小，耗能能力较强。这一规律与普通方钢管混凝土柱一致，说明再生骨料的引入并未改变钢管约束效应的基本规律。

加载后期行为

在加载后期，方钢管与核心再生混凝土之间产生了明显的相互作用。再生混凝土在方钢管的约束下处于三轴受压状态，其峰值应力及其对应的应变大大提高，从而较好地改善了再生混凝土强度低、延性差等缺点。

这一发现具有重要的工程意义——通过钢管约束，再生混凝土的力学性能可以得到显著提升，使其能够满足结构工程的使用要求。

承载力分析

文献指出，方钢管再生混凝土柱的轴压承载能力略低于普通方钢管混凝土柱。这一结果表明，虽然钢管约束可以显著改善再生混凝土的力学性能，但由于再生骨料本身的强度低于天然骨料，再生混凝土的承载力仍然略低于普通混凝土。

承载力差异的大小与以下因素有关：

1. 再生骨料的品质：再生骨料的强度、吸水率、含泥量等影响再生混凝土的强度
2. 再生骨料的取代率：再生骨料取代率越高，混凝土强度越低
3. 钢管约束效果：钢管壁厚、截面尺寸等影响约束效果
4. 混凝土配合比：水灰比、胶凝材料用量等影响混凝土强度

工程应用思考

再生混凝土质量控制

再生混凝土的质量控制应关注以下环节：

1. 再生骨料质量：再生骨料应经过充分清洗，去除表面附着的老化砂浆层，降低吸水率和含泥量
2. 配合比设计：应根据再生骨料的特性调整配合比，适当增加胶凝材料用量或掺加矿物掺合料
3. 施工工艺：再生混凝土的坍落度、振捣工艺等应满足施工要求
4. 养护条件：再生混凝土的养护条件应满足强度发展要求

结构设计考虑

在方钢管再生混凝土柱的结构设计中，应考虑以下因素：

• 承载力计算应采用与普通方钢管混凝土柱相同的计算方法，但需考虑再生混凝土强度折减
• 延性设计应充分利用钢管的约束效应，提高结构的延性储备
• 抗震设计应考虑再生混凝土的疲劳性能和低周往复性能
• 耐久性设计应考虑再生混凝土的抗碳化、抗氯离子侵蚀等性能

经济性分析

方钢管再生混凝土柱的经济性分析应包括：

• 再生骨料成本低于天然骨料，可降低材料成本
• 钢管约束提高了再生混凝土的利用率，减少了建筑垃圾填埋
• 再生混凝土的运输和加工成本需要综合考虑
• 结构全寿命周期成本分析应纳入考虑

学习心得与启示

该文献的研究成果表明，方钢管再生混凝土柱的力学性能与普通方钢管混凝土柱具有相似性，再生骨料的类型对其影响不大。钢管约束效应可以显著改善再生混凝土的强度和延性，使其满足结构工程的使用要求。虽然承载力略低于普通方钢管混凝土柱，但通过合理的结构设计可以弥补这一差异。

从钢管制造和焊接技术的角度来看，方钢管再生混凝土柱对方钢管的质量提出了明确要求：

1. 钢管尺寸精度：方钢管的尺寸精度直接影响钢管与混凝土之间的接触面积和约束效果
2. 钢管焊接质量：方钢管的焊接接头应达到与母材等强的要求，焊缝应无裂纹、未熔合等缺陷
3. 钢管表面处理：钢管内壁应进行适当的表面处理，增强与混凝土的粘结力
4. 钢管防腐处理：钢管的防腐处理应满足耐久性要求，防止钢管锈蚀影响结构安全

该文献的研究对于推动再生混凝土在结构工程中的应用具有重要的理论和工程意义，为再生混凝土的结构设计提供了可靠的技术依据。对于从事结构工程和材料研究的技术人员而言，该文献提供了有价值的参考，有助于推动建筑垃圾资源化利用和绿色建材的发展。

总体而言，该文献的研究成果充分证明了方钢管再生混凝土柱的可行性和优越性，为再生混凝土的工程应用开辟了新的途径，对于实现建筑行业的可持续发展具有重要的推动作用。