對(duì)不同截面形式和不同混凝土類型的6根圓鋼管混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其軸力一縱向應(yīng)變?nèi)^程進(jìn)行模擬，其中截面形式有圓實(shí)心、圓套圓中空夾層、圓套方中空夾層3種，混凝土類型包括普通混凝土和再生混凝土（再生粗骨料取代率為50%）兩類。結(jié)果表明：截面形式對(duì)圓鋼管再生混凝土試件的彈性模量、軸壓強(qiáng)度和后期延性有一定影響；在達(dá)到極限承載力之前，兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓剛度及外鋼管的橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同；在達(dá)到極限承載力之后，圓鋼管再生混凝土試件的延性和后期承載能力均不如相應(yīng)的圓鋼管普通混凝土試件；有限元計(jì)算得到的試件的極限承載力和前期剛度與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，建筑行業(yè)對(duì)混凝土的需求量以及建筑廢棄混凝土的排放量在逐年增長(zhǎng)。廢棄混凝土中含有被水泥包裹的砂石骨料，如果能將其回收利用，生產(chǎn)再生混凝土并將其應(yīng)用到新的建筑物上，不僅能降低建筑成本，節(jié)約天然資源，緩解骨料供求矛盾，還能減輕廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的污染，這對(duì)于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。然而，相比普通混凝土，再生混凝土的強(qiáng)度和彈性模量較低且耐久性較差，不利于在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。
將再生混凝土填充于鋼管中得到的鋼管再生混凝土，由于鋼管的約束效應(yīng)，再生混凝土的強(qiáng)度得到提高，而再生混凝土的存在又阻礙了鋼管的局部屈曲，使其在滿足較高極限承載力的同時(shí)，又具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，這為再生混凝土的合理利用提供了有效途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)做了大量的研究，但是關(guān)于中空夾層鋼管再生混凝土力學(xué)性能的研究報(bào)道并不多見。董江峰等分別對(duì)圓、方中空夾層鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要研究了再生粗骨料取代率對(duì)試件極限承載力的影響。鑒于結(jié)構(gòu)形式和受力性能的相似性，可以借鑒中空夾層鋼管普通混凝土構(gòu)件的分析方法對(duì)其進(jìn)行研究。
本文擬通過試驗(yàn)和有限元模擬來研究不同截面形式圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能。分別設(shè)計(jì)了圓實(shí)心鋼管再生混凝土、圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土、圓套方中空夾層鋼管再生混凝土（再生粗骨料取代率為50%）及圓實(shí)心鋼管普通混凝土、圓套圓中空夾層鋼管普通混凝土、圓套方中空夾層鋼管普通混凝土試件各1根，對(duì)其進(jìn)行軸壓力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)試件的破壞形態(tài)、軸力．縱向應(yīng)變曲線、平均應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線以及外鋼管的橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。最后，將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相互比較，以此驗(yàn)證兩者的正確性。
1 試驗(yàn)概況
1.1試件設(shè)計(jì)及制作
本試驗(yàn)通過變化截面形式和混凝土類型設(shè)計(jì)了兩個(gè)系列共6根鋼管混凝土短柱試件，系列1包括：圓實(shí)心鋼管再生混凝土( C-S-R)、圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土( CC-DS-R)、圓套方中空夾層鋼管再生混凝土( CS-DS-R)共3根試件；系列2包括：圓實(shí)心鋼管普通混凝土( C-S-N)、圓套圓中空夾層鋼管普通混凝土( CC-DS-N)、圓套方中空夾層鋼管普通混凝土( CS-DS-N)共3根試件，試件截面示意圖如圖1所示。試件的外鋼管均采用同種尺寸和強(qiáng)度的圓鋼管，并且試件中填充的普通混凝土和再生混凝土的強(qiáng)度相等。表1列出了試件的實(shí)際參數(shù)，其中Do，Di分別為外鋼管、內(nèi)鋼管直徑；B1為方鋼管邊長(zhǎng)；to，ti分別為外鋼管、內(nèi)鋼管壁厚；L為試件長(zhǎng)度;X為空心率，X=Di／（Do-2to）（圓套方中空夾層試件X= Bi/（Do-2t））；ao為名義含鋼率，an=Aso/Ace，其中Aso為外鋼管的截面面積，Ace為外鋼管內(nèi)部所包含的面積；ξ為約束效應(yīng)系數(shù)，ξ=anfyo/fck，其中fy。為外鋼管屈服強(qiáng)度，fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Nue為試驗(yàn)實(shí)測(cè)軸壓極限承載力；Nuc為有限元計(jì)算軸壓極限承載力。
試驗(yàn)中采用的圓鋼管為直縫焊管，方鋼管由4塊鋼板焊接而成。采用人工拌制混凝土，普通混凝土的用料包括水、普通硅酸鹽水泥(P．0 42.5)、中砂、普通碎石（4. 75~ 31. 5mm連續(xù)粒級(jí)），其重量配合比為水泥：水：中砂：普通碎石= 424.5：157.8：590.5：1194.1；對(duì)于再生混凝土，再生粗骨料取代率為50%，其他材料用量與普通混凝土相同，其配合比為水泥：水：中砂：普通碎石：再生粗骨料=424. 5:157. 8:590.5：597: 597。再生粗骨料由廢棄的鋼筋混凝土偏壓柱試件（原強(qiáng)度等級(jí)為C50）經(jīng)人工破碎、篩分后獲得，其壓碎指標(biāo)為18. 32%，粒徑為4. 75~31. Smm連續(xù)粒級(jí)，并且各項(xiàng)指標(biāo)均符合《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）的要求。鋼管材性由拉伸試驗(yàn)確定，混凝土強(qiáng)度由與試件同條件成型養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得，材性試驗(yàn)結(jié)果見表2，3。
1.2加載方式及測(cè)點(diǎn)布置
試驗(yàn)在500t壓力試驗(yàn)機(jī)上（配有500t壓力傳感器）進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)將試件放在壓力傳感器上，進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，采用分級(jí)加載制度。試驗(yàn)過程中在試件的下端對(duì)稱設(shè)置了4個(gè)百分表以測(cè)定試件的縱向總變形，同時(shí)在試件中部截面鋼管的外表面對(duì)稱設(shè)置了縱、橫向應(yīng)變片各4枚，以觀測(cè)試件在受力過程中應(yīng)變的變化情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由東華DH3815數(shù)據(jù)采集儀采集，荷載值從壓力傳感器儀表讀取。
2 破壞形態(tài)比較
試驗(yàn)后圓鋼管混凝土短柱的整體破壞形態(tài)見圖2。由圖2可見，6根試件的橫截面尺寸顯著增大，柱體外形已發(fā)生嚴(yán)重皺曲，均表現(xiàn)出斜剪破壞特征。通過對(duì)比可知，3種截面形式的試件的破壞形態(tài)基本一致，圓鋼管再生混凝土試件的破壞形態(tài)與對(duì)應(yīng)的圓鋼管普通混凝土試件類似，截面形式和混凝土類型對(duì)試件整體破壞形態(tài)的影響不大。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1軸力一縱向應(yīng)變關(guān)系曲線
3.1.1不同截面形式的對(duì)比
圖3給出了3種截面形式的圓鋼管再生混凝土短柱的軸力一縱向應(yīng)變(N-ε)關(guān)系曲線。由圖3可知：1）當(dāng)施加的軸力較小時(shí)，試件變形微小，N-ε關(guān)系曲線為一直線，在此階段，試驗(yàn)中3根圓鋼管再生混凝土試件的軸壓剛度相差不大；2）當(dāng)外鋼管的應(yīng)變達(dá)到其屈服應(yīng)變0. 001 8時(shí)，N-ε關(guān)系曲線進(jìn)入彈塑性階段，此時(shí)試件的軸壓剛度均有所降低；3）試件達(dá)到極限承載力時(shí)，2根中空夾層鋼管再生混凝土試件的極限承載力（表1）接近，實(shí)心鋼管再生混凝土試件的極限承載力大一些；4）在N-ε關(guān)系曲線進(jìn)入下降段后，試件外鋼管向外鼓屈，管內(nèi)混凝土被壓碎，中空夾層試件的內(nèi)鋼管向內(nèi)凹曲，在此階段，3根圓鋼管再生混凝土試件均表現(xiàn)出一定的后期承載能力和延性，但試件CS-DS-R的延性要好于C-S-R和CC-DS-R，這是由于試件最終的破壞特征均為斜剪破壞，而方鋼管在加載后期抵抗斜剪變形的能力要強(qiáng)于圓鋼管的緣故。可見，截面形式對(duì)圓鋼管再生混凝土短柱的后期延性有一定影響，但3種截面形式的圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的N-8關(guān)系曲線的整體變化趨勢(shì)是一致的。
3.1.2不同混凝土類型的對(duì)比
圖4比較了圓鋼管再生混凝土短柱與圓鋼管普通混凝土短柱的N-ε關(guān)系曲線。通過對(duì)比可知：1）在彈性階段，兩種混凝土類型試件的N-8關(guān)系曲線基本重合，即混凝土類型對(duì)試件前期軸壓剛度的影響不大；2）在彈塑性階段，除試件C -S-R和C-S-N的N-8關(guān)系曲線偏離較大外，另外兩組試件CC -DS-R/N和CS-DS-R/N的N-ε關(guān)系曲線也大致重合，并且不同混凝土類型的2根圓中空夾層鋼管混凝土試件的極限承載力也基本相同；3）進(jìn)入下降段后，兩種混凝土類型試件的N-8關(guān)系曲線開始逐漸分離，圓鋼管普通混凝土試件的N-8關(guān)系曲線下降較為平緩，而圓鋼管再生混凝土試件的N-ε關(guān)系曲線下降更陡一些，鋼管普通混凝土試件的延性性能和后期承載能力要優(yōu)于鋼管再生混凝土試件，這主要因?yàn)椋c普通混凝土相比，再生混凝土本身就存在一定的初始細(xì)微裂紋，在試件達(dá)到極限承載力后，再生混凝土裂縫在前期損傷的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)展，且發(fā)展迅速，從而導(dǎo)致其延性較差，后期承載能力較低。
3.2平均應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系曲線
將圖3中試件所承受的軸力Ⅳ除以試件的橫截面面積Asc即得到圓鋼管再生混凝土試件的平均應(yīng)力一應(yīng)變（σ-ε）關(guān)系曲線，如圖5所示。同時(shí)取曲線上試件平均應(yīng)力從0達(dá)到50%的實(shí)測(cè)軸壓強(qiáng)度σo時(shí)的直線段，通過線性擬合得到圓鋼管再生混凝土試件的實(shí)測(cè)組合彈性模量Esc其具體數(shù)值及試件實(shí)測(cè)軸壓強(qiáng)度列于表4，其中R2為表示線性擬合程度的指標(biāo)，接近于1，可靠度較高。由圖5和表4可見，圓鋼管再生混凝土試件的σ-ε關(guān)系曲線的發(fā)展趨勢(shì)與N-ε關(guān)系曲線相同，與實(shí)心鋼管再生混凝土試件相比，由于內(nèi)鋼管的存在，中空夾層鋼管再生混凝土試件的組合彈性模量和軸壓強(qiáng)度提高顯著。本次試驗(yàn)中，試件CS-DS-R的組合彈性模量較大，而試件CC-DS-R的軸壓強(qiáng)度較大。
3.3橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律
3.3.1不同截面形式的對(duì)比
圖6給出了圓鋼管再生混凝土試件的N／Nue-εL關(guān)系曲線，其中8L為試件外鋼管的橫向應(yīng)變。可見，試件C-S-R外鋼管橫向應(yīng)變發(fā)展要快于試件CC-DS-R和CS-DS-R，試件達(dá)到極限承載力時(shí)，其對(duì)應(yīng)的外鋼管的橫向應(yīng)變較大，這是因?yàn)樵谳S壓力下，相比于中空夾層鋼管再生混凝土試件，實(shí)心鋼管再生混凝土試件中混凝土向外的鼓脹力較大；兩根中空夾層鋼管再生混凝土試件的橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同，內(nèi)管截面形式對(duì)外鋼管橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響不大。
3.3.2不同混凝土類型的對(duì)比
圖7對(duì)比了兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的N／Nue-εL關(guān)系曲線，可以看出，受荷前期，鋼管再生混凝土試件與鋼管普通混凝土試件外鋼管橫向應(yīng)變的發(fā)展過程大致相同；在達(dá)到極限承載力時(shí)，試件C-S-R，C-S-N外鋼管對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變分別為13 397×10-6,9 992×10-6，試件CC-DS-R, CC-DS-N外鋼管對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變分別為7 426×10-6．5 383 xl0-6，試件CS-DS-R，CS-DS-N外鋼管對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變分別為7 717x10-6，4 606×10-6，可見在達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼管再生混凝土試件對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變要大于鋼管普通混凝土試件，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：由于再生混凝土初始缺陷的存在，在試件進(jìn)入彈塑性階段后，其裂縫擴(kuò)展的程度要比普通混凝土大，由此產(chǎn)生的作用于外鋼管上的徑向力較大，這也就導(dǎo)致了達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼管再生混凝土試件外鋼管的環(huán)向變形更大一些。
3.4軸壓力學(xué)性能比較
為了綜合比較不同截面形式和混凝土類型的圓鋼管混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能，表5列出了試件的各項(xiàng)軸壓力學(xué)性能指標(biāo)，其中εue為極限承載力時(shí)試件對(duì)應(yīng)的極限壓應(yīng)變；Nr，εr分別為軸力一縱向應(yīng)變曲線中下降段最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸力和應(yīng)變；y=Nr／Nue，為衡量試件后期承載能力的指標(biāo)；SI為承載力提高系數(shù)（SI=Nue／Nue，Nuo= fyoAso+fcAc+fyiAsi，
其中fyi，fyo，fc分別為內(nèi)外鋼管和混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度，見表2，3，Asi，Aso，Ac分別為內(nèi)外鋼管和混凝土的橫截面面積）；β為衡量圓鋼管混凝土試件中混凝土強(qiáng)度提高程度的系數(shù)，本文稱之為混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)（β= f/fc,fe=（Nce- fyoAso- fyiAsi）/Ac）。
由表5可以看出：1）通過比較極限壓應(yīng)變?chǔ)舥e，并結(jié)合圖4和圖7可知，在試件達(dá)到極限承載力之前，兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓力學(xué)性能基本相同；2）對(duì)比Nr，εr和y可見，鋼管再生混凝土試件在加載后期的延性和后期承載能力均不如相應(yīng)的鋼管普通混凝土試件，對(duì)比中空夾層鋼管混凝土試件，可知試件CS-DS-R，CS-DS-N的延性和后期承載能力均要好于試件CC-DS-R，CC-DS-N；3）鋼管再生混凝土試件的SI和β均大于1，并且與鋼管普通混凝土試件的對(duì)應(yīng)值相差不大，這表明將再生混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是可行的，由于鋼管的約束，其自身力學(xué)缺陷得到一定程度的克服，試件的整體極限承載力和鋼管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度都有很大程度的提升，并且將再生混凝土應(yīng)用于實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，提高幅度最大。這是由于，對(duì)于中空夾層試件而言，其截面中心為空鋼管，受力過程中內(nèi)鋼管發(fā)生向內(nèi)的凹曲變形，以致于內(nèi)、外鋼管對(duì)混凝土的約束作用要弱于實(shí)心試件中外管對(duì)混凝土的約束作用。
4 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較
利用有限元軟件ABAQUS對(duì)6根鋼管混凝土軸壓短柱的N-ε關(guān)系曲線進(jìn)行模擬。混凝土和內(nèi)、外鋼管均采用八節(jié)點(diǎn)縮減積分格式的三維實(shí)體單元( C3D8R)；鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用塑性分析模型；混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，對(duì)于普通混凝土，采用劉威改進(jìn)后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系模型，對(duì)于再生混凝土，采用楊有福提出的再生混凝土的應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系模型，混凝土的受拉本構(gòu)關(guān)系采用能量破壞準(zhǔn)則即應(yīng)力一斷裂能的關(guān)系模型來描述；采用全構(gòu)件建模，構(gòu)件一端固定，另一端為加載端。
將計(jì)算所得N-8關(guān)系曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，如圖8所示。可見，對(duì)于圓鋼管普通混凝土構(gòu)件，有限元計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好；對(duì)于圓鋼管再生混凝土構(gòu)件，在N-8關(guān)系曲線進(jìn)入下降段后，計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線存在一定偏差，尤其是在構(gòu)件縱向應(yīng)變達(dá)到0.02后，兩條曲線偏離較明顯，這可能是由于本文所采用的再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型對(duì)再生混凝土加載后期裂縫擴(kuò)展迅速而導(dǎo)致承載能力下降較快的情況考慮不足引起的，但對(duì)構(gòu)件加載前期的模擬仍具有一定的參考意義。表1列出了試件軸壓極限承載力計(jì)算值Nuc與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值Nue,Nuc／Nue的平均值為0. 983，均方差為0.023，可見有限元計(jì)算所得的試件的極限承載力和前期剛度與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，試驗(yàn)和有限元結(jié)果的正確性互為驗(yàn)證。
5 結(jié)論
(1)截面形式和混凝土類型對(duì)圓鋼管混凝土試件的整體破壞形態(tài)影響不大。
(2)不同截面形式對(duì)圓鋼管再生混凝土軸壓試件的后期延性有一定影響，圓套方中空夾層鋼管再生混凝土試件的延性要好于圓實(shí)心鋼管再生混凝土試件和圓套圓中空夾層鋼管再生混凝土試件。
(3)試件達(dá)到極限承載力之前，兩種混凝土類型的圓鋼管混凝土試件的軸壓剛度及外鋼管的橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同；達(dá)到極限承載力之后，鋼管再生混凝土試件的延性和后期承載能力均不如相應(yīng)的鋼管普通混凝土試件。
(4)與圓中空夾層鋼管再生混凝土試件相比，圓實(shí)心鋼管再生混凝土試件中再生混凝土的強(qiáng)度提高幅度較大。
(5)有限元計(jì)算所得的圓鋼管混凝土試件的極限承載力和前期剛度與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，試驗(yàn)和有限元結(jié)果的正確性互為驗(yàn)證。
(6)從環(huán)保角度，建議采用鋼管再生混凝土構(gòu)件；從制造安裝角度，實(shí)心鋼管混凝土更加便于施工，中空夾層鋼管混凝土還需固定內(nèi)鋼管；在造價(jià)方面，中空夾層鋼管混凝土雖然在用鋼量上有所增加，但其自重減輕，尤其是截面尺寸較大時(shí)，重量減少更為顯著，可以有效降低地基的負(fù)荷，減少工程造價(jià)，更適合大截面尺寸的構(gòu)件，并且中空夾層鋼管混凝土的抗彎、抗震性能以及耐火性能均比實(shí)心鋼管混凝土要好。在實(shí)際工程中，可根據(jù)具體工況選擇適宜的截面形式。
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