型钢再生混凝土柱的正截面极限承载力计算.pdf

2 0 1 3 年 第 1 0期 (总 第 2 8 8 期 ) Nu mbe r l 0 i n 2 0 1 3 ( To t a l No 28 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： l 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 0 3 型钢再生混凝土柱的正截面极限承载力计算 陈宗平 a 一 。应武挡 ，陈字良 a ( 广西大学 a 土木建筑工程学院 ；b 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要： 基于 2 7 个型钢再生混凝土柱轴心受压和偏心受压试件的试验实测数据 ， 利用传统型钢混凝土结构计算理论和我国相 关设计规程， 探讨了型钢再生混凝土柱的极限承载力计算方法 。 研究结果表明： J G J 1 3 8 2 0 0 1 型钢混凝土组合结构技术规程 计 算型钢再生混凝土偏压柱 ， 计算值与试验值吻合较好 ， 但传统型钢混凝土理论计算型钢再生混凝土轴心受压柱， 以及 Y B 9 O 8 2 2 0 0 6 4 钢骨混凝土组合结构规程 计算型钢再生混凝土偏压柱 ， 计算值大于试验值 ， 不安全。 最后提出了实用计算公式 ， 研究结果 可供型钢再生混凝土组合结构的l工程应用提供参考。 关键词： 型钢混凝土；再生混凝土 ；柱；承载力 ；计算 中图分类号 ： T U 5 2 8 O 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 1 0 0 4 Re s e a r c h o n t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n o f s t e e l r e i n f o r c e d r e c y c l e d c on c r e t e c o l umn s CHE N Z o n g p i n g 。 Y I NG W u d a n g C HE N Y u l i a n g ( a Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ； b Ke yL a b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n t i o na n dS t r u c t u r a l S a f e t yo f Ch i n a Mi n i s t ryo f E d u c a t i o n ， Gu a n g x i Un i v e r s i ty， Na n n i n g5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n 2 7 a x i a l a nd e c c e n t r i c c o mpr e s s i o n s c o l umns o fs t e e l r e i n f o r c e d r e c y c l e d c o n c r e t e c o l umn s t e s t d a t a t h e t r a d i t i o na l s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r uc t ur e c a l c u l a t i o n t h e o ry a n d r e l a t e d d e s i g n c o de s i n Ch i na we r e us e d t o i nv e s t i g a t e t he ul t i ma t e b e a r i ng c a p a c i t y c a l c ul a t i o n o fs t e e l r e i nf o r c e d r e c y c l e d c o nc r e t e c o l u mn s Th e r e s ul t s s h o we d t h a t ： t h e c o de o f J GJ 1 3 8 2 O 01 c o u l d b e a pp l i e d t o c a l c u l a t e t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i ty o f s t e e l r e i n f o r c e d r e c y c l e d c o n c r e t e e c c e n tri c c o l u mn s ， t h e tra d i t i o n a l s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e c a l c ul a t i o n t he o ry wa s n t s u i t a b l e f o r a x i a l c o mp r e s s i o n c a l c ul a t i o n a nd ye t t h e YB 9 0 8 2 - 2 0 0 6 d o nt a p p l y t o c a l c u l a t e e c c e ntri c c o m p r e s s i o n， i t s c a l c u l a t i o n r e s u l t s we r e l e s s t h a n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， c o u l d n o t e n s u r e d t h e s a f e ty o f s t r u c tur e I n t h e e n d ， t h e p r a c t i c a l c a l c u l a t i o n f o r mu l a wa s p ut f o r wa r d， t h e r e s u l t s o ffe r r e f e r e n c e t o e ng i n e e r i ng a p pl i c a t i o n o n s t e e l r e i n f o r c e d r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r uc t u r e Ke y wo r d s ： s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； r e c y c l e d C O urS e a g g r e g a t e c o n c r e t e ； c o l mn n； b e a r i n g c a p a c i ty； c a l c u l a t i o n 0 引言 型钢混凝土结构是指在截面中配置型钢 ， 并配有一定 构造钢筋的埋入式组合结构， 与普通钢筋混凝土结构相比， 型钢混凝土结 构具有 承载能力高 、 抗震性能好等优点 ， 因 而得到了广泛应用 】 1 。 再生混凝土是 指将废弃混凝土经过 破碎 、 筛分 、 清洗 ， 重新配制的混凝 土 ， 它能有效解决建筑 垃圾处理的问题 ， 实现建筑材料资源 的循环利用 ， 具有很 好 的应 用前景网 。 国内外学者在对再 生混凝 土和型钢混凝 土深入研究基础上 ， 提出了型钢再 生混凝 土组合结构 ， 一 方面利用普通型钢混凝 土结构受力性能的优点 ； 另一方面 能扩大再生混凝土的应用范围， 符合现代建筑结构的发展 要求。 型钢再生 昆 凝 土柱作为一种重要 的承重构件 ， 对其受 力性能进行深入研究很有必要 ， 部分学者 已开展 了相关试 验研究 ， 并揭示 了其受力机理和破坏形态 ， 但研究 尚不 够深入 系统 ， 对其极 限承载力 的计算方法的研究 ， 目前 尚 无国内外文献。 为此， 本试验结合课题组前期试验研究成果 ， 探讨其极限承载力计算方法 ， 以期为型钢再生混凝土柱 的 工程应用提供参考。 1 试验 简介 课题组通过 2 7 个型钢再生混凝土柱试件 的力学性 能 试验 ， 揭示 了其受力破坏机理 ， 获取了其极限承载力 ， 其中 轴压试件 1 8 个、 偏压试件 9 个， 各试件的具体参数详见表 1 ， 截面尺寸及配钢形式如图 1 所示。 试验所用 的再生粗骨料来 源于试验室废弃混 凝土试 件 ， 经破碎 、 筛分 、 清洗后而得 ， 其粒径为 5 2 5 mm， 连续级 配。 各试件均预留了混凝土立方体试块， 混凝土立方体抗压 收稿 日期 ： 2 0 1 3 ) 4 1 2 基金项 目： 罔家自然科学基金项 日( 5 0 9 0 8 0 5 7 ， 5 1 2 6 8 0 0 4 ) ； 八桂学者 建设工程专项经费资助项目； 广西科技攻关项 目( 桂2 3 ( 1 2 1 1 8 0 2 3 3 ) ； 广西 自然科学基金项 日( 2 0 1 2 G x N s F A A 0 5 3 2 0 3 ， 2 0 1 3 G X NS F D A 0 1 9 0 2 5 ) ； 广西理工科学试验中心重点项 目( L G Z X 2 0 1 1 0 2 ) 1 0 强度标准值见表 1 ， 依标准试验方法对试 验所用 型钢 和钢 筋进行材性测试 ， 具体见表 2 。 表 1 试件设计参数及实测强度 注 ： 为再生骨料取代率 ( 即再生骨料 占粗骨料的密度 ) 为 偏心距 ， m m； N 为实测极限承载力值 ， k N ， k 为混凝土立方体试 块抗 压强 度 ， MP a 。 试验结果表明 ： 型钢再生混凝土柱 的破坏过程与传统 的型钢普通混凝 土柱 相似 ， 破坏过程经历 了弹性 阶段 、 带 裂缝工作 阶段 以及破 坏三个 阶段 。 对于轴心受压试件 ， 破 坏时混凝土达到极限压应变值而被压碎 ， 破坏混凝土主要 在型钢外侧 ， 型钢包 裹的核心混凝土基本保持完好 ， 达到 极限承载力时 ， 纵 向型钢 和钢筋屈 服但不屈 曲。 对于偏心 受压试件 ， 破坏形态随着相对偏心距的不 同而异 ： 相对偏 心距较小时( e h = O 2 ) ， 表现 出小偏压破坏特征 ， 裂缝 出现 时间晚但发展快 ， 破坏过程迅速 ， 脆性特征 明显 ； 相对偏心 距较大时 e 。 h = O 4 、 0 6 ) ， 表现为大偏心受压破 坏特征 ， 首 先出现横 向的水平 裂缝 ， 然后才是另一 侧混凝 土被压 碎 ， 破坏过程预兆较为明显 ， 为延性破坏 。 通过试验 获取 了各 试件 的极 限 承载力 ， 具 体数值 见 表 1 。 2 型钢再生混凝土柱极 限承载 力计算 对普通的型钢混凝土柱承载力计算 ， 国内外学者进行了 大量研究 ， 并取得了丰硕 的成果 ， 结合各 国的具体同情 ， 编写 了风格各 异的规范指导工程应用 。 我 国制订 了 J G J 1 3 8 2 0 0 1 ( 型钢混凝 土组合结构技术规程 5 ( 简称“ 型钢规程” ) 和 Y B 9 0 8 2 -2 0 0 6 ( 钢骨混凝土结 构技术规程 日 ( 简称 “ 钢 骨规程” ) 两部规程。 其 中型钢规程主要基于我 国学者试验 数据提出的理论方法 ， 而钢骨规程则是参考了 日本规范 ， 采 用 了叠加理论 ， 两者风格各异 、 各有特点 。 型钢再生混凝土与传统 的型钢混凝土相 比， 尽管其破 坏机理是一致 的， 但在混凝土材料上有所差异 ， 能否沿用 传统 的理论方法用于这种新型组合结构构件的极限承载 力计算 ， 还有待验证。 为此 ， 笔者展开了相关研究 。 2 1 轴心受压型钢再生混凝土柱极限承载力计算 对于传统 的型钢普通混凝土柱轴心受压承载力计算 ， 我国两部规程均未有具 体说明 ， 也没有 相关 指导条文。 但 赵鸿铁 、 刘维亚等学者在大量研究基础上提出了相关计算 公式 。 文献 1 公式 ： ( A。 A 埘 ) ( 1 ) 式 中： 轴向荷载值 ； 。 、 混凝土的截面积 、 轴心抗压强度 ； A 、 纵向钢筋的截面面积 、 抗压强度 ； A 、 型钢截面面积 、 抗压强度 ； 柱稳定系数 。 对再生混凝土 的棱柱柱抗压强度与立方体抗压 强度 之 问的换算关系 ， 课题组研究 表明Z = o 8 。 稳定 系数 的取值 ， 当 l o i 2 8 时 ， = 1 ； 当 2 8 i h h 。 时， 为小偏心受压构件 ， 则 ： 1 2 表 4 修正轴压公式计算值与试验值 比较 注 ： N o u 的均值 、 方差、 变异系数分别为 0 9 6 、 0 0 8 4 、 0 0 8 7 。 I _ _ 圈 2型钢 规 程偏心 受压 型钢 混凝 土柱承 载 力计算 ( 8 ) ) ( s ) 相对界限受压区高度为 ： 五 0 8 l 4 ) 2 xO 0 0 3 E 偏心距增大系数 ： + ( 争 。 ： ( 1 6 ) S l 一 _ 1 1 5 一 o 0 1 l o ( 1 7 ) 由型 钢规 程 ( J G J 1 3 8 _ - 2 o 0 1 ) 计算得 出当偏心 距 e 1 2 0 m m 时 ， 试件为大偏心受压破坏 ， 受拉侧型钢与钢筋屈 服。 当 e o = 8 0 、 4 0 m m 时试件为小偏心受压破坏 ， 受拉侧 型钢 未达到屈服 。 具体计算结果见表 5 。 根据钢骨规程 ( Y B 9 0 8 2 - 0 0 6 ) 中关于偏心受压 柱承 载力的计算理论 ， 首先利用 混凝土结构设计规范 【 l 0 1 计算 钢筋混凝土部分截面承担的轴力 c 和弯矩 ， 整个截面承 受的 N、 M是一定的。 然后依据叠加理论分别计算 出钢骨截 一 2 e e 表 5 偏压试件规程方法计算值与试验值比较 面承担 的轴力 a 与弯矩 ， 通过 、 忱 的关系即可求出极 限承载力 。 具体计算过程如下所示 ： c 1Ab x + f A 一 A ( 1 8 ) 幔 。fib x ( h o - x 2 ) A ( 一 ) ( 1 9 ) f 一 ( 2 0 ) 【 M o = M - M a 式中： ， 钢骨部分承担的轴力和弯矩。 c 8 ( 2 1 ) 、 N Nb 、 (1- l ) ( 22 ) 式 中： m 与 0 相关 曲线形状系数 。 当 b 时 ， m = 1 0 ； 当 N N b 时， m = 1 3 。 N b = 0 5 a 1卢 b h ， O t 、 卢 。 的取值参见文献 1 0 。 A A A。 ( 2 3 ) 1 0 5 ( 2 4 ) f A a ( 2 5 ) L M= I e N 0 = 一 J7、 7 A t A A。 ( 2 6 ) ， 1 0 5 。 W ( 2 7 ) 7=1 +1 2 5 7 -6 N- Nb N Nb e ( 2 8 ) 1 3 0 0 2 6 o ( 2 9 ) 式 中各 参数详 见文献 6 。 经计算发现 e o = 1 2 0 、 8 0 mm， 试件 表现为大偏心破坏 ，当 e o - 4 0 m m时为小偏心破坏 e 。 由上 述公式计算得到的计算结果见表 5 。 由表 5 可见 ， 型钢规程计算值与实测数据吻合较好 ， 且 具有一定 的安全富余 ， 而钢骨规程的计算平均值 比实测值 大 ， 特别是相对偏心距较大 的大偏压试件 时， 偏差较大 ， 偏 于不安全 ， 若采用钢 骨规程计算型钢再生混凝土柱偏压柱 的极限承载力存在安全隐患。 因此 ， 建议采用型钢规程对型 钢再生混凝 土柱极限承载力进行计算 。 3结 论 混凝土柱轴心受压极限承载力 ， 所得 的计算值偏大 ， 存在 安全隐患 。 ( 2 ) 提 出的修正轴心受压强度计算公式计算 值与型钢 再生混凝土柱轴心受压极限承载力实测值 吻合较好 ， 可用 于型钢再生混凝土柱轴心受压承载力 的计算方法。 ( 3 ) 采用型钢规程计算型钢再生混凝土偏压柱极 限承 载力 ， 计算 值和实测值吻合较好 ， 而采用 钢骨规 程方法 的 计算值比实测值大， 偏于不安全， 因此， 建议采用型钢规程 方法作为型钢再生混凝土偏压柱的极 限承载力计算 。 参考文献 ： 【 1 】 赵鸿铁 组合结构设计原理【 M J 北京 ： 高等教育出版社， 2 0 0 5 【 2 】肖建庄 再生混凝土【 M 】 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 【 3 】 崔卫光 型钢再生混凝土组合柱正截面受力性能试验研究【 D J 西 安： 西安建筑科技大学 ， 2 0 1 1 【 4 C HE N Z o n g p i n g ， Z H ANG Xi a n g g a n g ， Z HA NG S h i q i a n E x p e r i me n t a l s t u d y o n a x i a l c o mp r e s s i v e b e h a v i o r s o f s t e e l r e c y c l e d c o n c r e t e c o r n p o s i t e c o l u m n s J A d v a n c e d M a t e r i a l s R e s e a l c h ， 2 0 1 1 ( 2 4 3 - 2 4 9 ) ： 1 2 4 2 -1 2 4 7 5 J G J 1 3 8 2 O 叭 ， 型钢混凝土组合结构技术规程i s 1 6 】 Y B 9 0 8 2 -2 0 0 6 ， 钢骨混凝土结构技术规程【 s 】 【 7 】 过镇海 ， 时旭东 冈 筋混凝土原理和分析【 M】 北京 ： 清华大学出 版社 ， 2 0 0 3 8 】8 刘维亚 钢与混凝土组合结构 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 00 8 9 陈宗平 ， 徐金俊 ， 郑华海 ， 等 再生混凝土基本力学性能试验 及 应力一 应变本构关系【 J J 建筑材料学报， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 1 ) ： 2 4 3 2 1 0 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 作者简介 联系地址 ： ( 1 ) 采用传统型钢混凝土结构计算理论计算 型钢再生 联系电话： 陈宗平( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 工学博士， 教授， 博士生导师， 主 要从事钢与混凝土组合结构 、 再生混凝土结构 、 异形 柱结构等研究。 广西南亍市大学路 1 0 0 号 广西大学土木建筑工程学 院( 5 3 0 0 0 4 ) 】 3 8 7 8 8 06 04 8 l 3