型钢部分包裹再生混凝土柱是指在H型钢或钢板组合H形截面的两翼缘之间部分填充再生混凝土而成的一种新型组合构件。这种新型组合柱综合了再生混凝土和钢材两种材料的优点, 具有比型钢更高的承载力、比再生混凝土更好的延性, 同时由于再生混凝土对型钢的保护作用, 其抗火性能也优于无保护层的型钢柱。此外, 这种新型组合柱在施工中节省模板, 节点连接方便、施工便捷, 缩短工期, 具有良好的应用前景。

　　 目前, 国内外对型钢部分包裹混凝土柱的力学性能开展的研究工作较多^[1,2,3], 赵根田等^[4,5,6]分别进行了H型钢部分包裹混凝土组合短柱的轴压、偏压、抗震性能的研究;方有珍等^[7]对薄壁钢板组合截面PEC柱强轴方向的滞回性能进行了研究。而关于型钢部分包裹再生混凝土柱的研究则较为缺乏。为此, 本文对型钢部分包裹再生混凝土轴压短柱的力学性能进行研究, 不但可以掌握其受力性能和工作机理, 而且可以为工程应用提供科学依据和技术支持, 有利于保护环境, 实现资源的再生利用。

　　 本文轴压试验共设计了12个试件, 试验中主要考虑混凝土强度、再生粗骨料取代率、长细比、是否配置横向扁钢等因素对型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压受力性能的影响。试件的截面形式和浇筑好的试件分别如图1、图2所示。

　　 试件的主要参数见表1。试验所采用的型钢为高频焊接H型钢, 其截面尺寸为150×150×3.2×6, 横向扁钢均采用尺寸为150×40×3的钢板。试验中考虑再生混凝土取代率分别为0, 50%, 100%, 设计强度等级为C30, C40的再生混凝土所采用的水灰比 (W/C) 分别为0.38, 0.4, 其配合比如表2所示。

　　 试验用的钢材强度均采用Q235B级, 其材性试验按照《金属拉伸试验方法》 (GB 228—2002) 和《金属拉伸试验试样》 (GB 6397—86) 的规定进行, 其试验结果见表3。混凝土强度试验方法参照《普通混凝土力学试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) 的规定进行, 其试验结果见表4。

　　 试验在500t压力试验机上完成。图3为试验加载示意图及电阻应变片测点布置。试件的纵向变形通过计算机自动采集;试验采用荷载和位移联合控制的加载方式, 首先采用荷载控制, 预估极限荷载

　　 95%范围内的每级加载值为极限荷载的1/20;当加载至极限荷载的约95%时转为采用位移控制, 当加载荷载下降至极限荷载的70%时结束试验, 或者试件的位移下降5cm也视为试验结束^[7]。

　　 所有试件的试验现象基本一致:在加载的初始阶段, 型钢翼缘并没有出现屈曲现象;随着加载荷载的逐渐增大, 再生混凝土逐渐开裂;随后, 再生混凝土裂缝开始不断发展, 但型钢翼缘只有微小的形变;达到极限荷载后, 试件的最大承载能力开始下降, 且裂缝向内扩展;型钢翼缘发生明显屈曲, 再生混凝土开始不断剥落;当型钢翼缘发生严重局部屈曲且再生混凝土被压碎时, 试件破坏。而配置横向扁钢的试件破坏时除了以上现象外, 还有少数横向扁钢与型钢翼缘在焊接处发生断裂, 其典型破坏形态见图4。

　　 图5为试验所得到的型钢部分包裹再生混凝土短柱的典型荷载-纵向应变关系曲线。图5表明:型钢部分包裹再生混凝土短柱的荷载-变形曲线基本呈先升后降的趋势, 型钢部分包裹再生混凝土轴压短柱工作过程分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段三大阶段。在弹性阶段, 荷载-纵向应变关系呈直线变化, 这说明在加载初期型钢和再生混凝土共同承受轴压而约束效应不明显。在弹塑性工作阶段, 曲线斜率减小, 此时型钢翼缘逐渐发生屈曲, 而型钢翼缘的应变由轴向受压转变为横向受拉;此时轴向应变增加迅速但荷载增加缓慢且横向应变大幅度的提高。在破坏阶段, 最明显的现象就是横向扁钢断裂且再生混凝土出现明显的剥落;横向应变的增大使扁钢发生断裂且使得型钢翼缘完全屈服, 试件破坏以后承载力会急剧下降。

　　 试件的部分试验结果如表5所示, 从表5可以看出:再生粗骨料取代率对型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压极限承载力影响不大, 如100%取代率的无横向扁钢约束的试件PEC3比0%取代率的无横向扁钢约束的试件PEC1的极限承载力降低了2.4%;100%取代率的有横向扁钢约束的试件PEC9比0%取代率的有横向扁钢约束的试件PEC7的极限承载力降低了5.8%。随着长细比增大, 型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压极限承载力降低。随着混凝土强度增大, 型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压极限承载力提高。有横向扁钢约束的型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压极限承载力要大于无横向扁钢约束的型钢部分包裹再生混凝土短柱。

　　 定义型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴心受压延性系数u为:

　　 $u=\frac{\epsilon {}_{85\%}}{\epsilon {}_{\text{u}}}(1)$

　　 式中:ε_u为轴力N-纵向应变ε关系曲线上极限荷载点所对应的应变;ε_85%为承载力下降到85%极限荷载点时所对应的应变。

　　 从表5可知:试件的延性系数在1.1～2.3之间。12个试件中, 试件PEC7～PEC9的延性系数相对较大且峰值荷载后的曲线最为平缓, 其原因可能是由于所配置的横向扁钢对于再生混凝土的约束作用, 使得再生混凝土和型钢具有更好的协调工作作用。

　　 图6为再生粗骨料取代率对试件荷载-位移曲线的影响曲线。从图中可知:再生混凝土强度等级为C30的试件的轴向刚度随着再生粗骨料取代率的增大而不断增大, 但再生混凝土强度等级为C40的试件的轴向刚度随着再生粗骨料取代率的增大而不断减小, 其原因可能与再生混凝土的内部机理有关。再生混凝土在解体破碎过程中, 由于损伤积累使再生粗骨料内部存在大量微细裂纹, 会显著影响混凝土的变形, 并且在拌制再生混凝土时会导致再生混凝土的实际水灰比 (W/C) 变小而引起强度提高。对于C40的再生混凝土, 随着取代率的增加, 强度提高部分较变形影响小, 试件轴向刚度逐渐减小, 而对于C30的再生混凝土则影响不大。因此再

　　 生粗骨料适用于配置中低强度混凝土, 而在配制高强度混凝土时, 则需要对再生粗骨料进行强化处理。因此, 在一定范围内增大再生粗骨料取代率有助于提高短柱轴向承载力, 而超出范围后会降低短柱轴向承载力。

　　 长细比对型钢部分包裹再生混凝土短柱的荷载-位移曲线的影响如图7所示, 从图中可知, 长细比越大, 试件的轴压极限承载力越小。另外从试验过程可知:短柱的破坏过程、破坏形态及极限承载力受长细比的影响很大, 长细比较大的试件裂缝出现较早而极限承载力却较小, 相对长细比较小的试件裂缝出现较迟且开裂荷载及极限荷载都较大。

　　 混凝土强度对型钢部分包裹再生混凝土短柱的荷载-位移曲线的影响如图8所示, 从图中可知, 试件的轴向刚度随着混凝土强度的提高而不断增强。同时, 型钢部分包裹再生混凝土短柱轴向承载力也随着混凝土强度的提高而不断提高。

　　 横向扁钢对型钢部分包裹再生混凝土短柱的荷载-位移曲线的影响如图9所示, 从图中可知, 横向扁钢的设置大大提高了短柱的极限承载力。试件受压时, 由于轴向压力的作用使得再生混凝土向外膨胀;与此同时, 约束再生混凝土的扁钢由于再生混凝土的膨胀而发生向外弯曲。这使得再生混凝土在受力过程中纷纷剥落。在达到极限荷载时, 约束扁钢尚未屈服, 但其对再生混凝土的约束效果不断减弱。因此, 轴向荷载此时主要由H型钢承担, 这使得其翼缘的变形不断增大, 但由于扁钢对型钢翼缘的拉结作用, 从而减缓了型钢翼缘发生局部屈曲。由于扁钢具有限制型钢翼缘发生屈曲及约束再生混凝土的作用, 对于扁钢的宽厚比可设置大些, 以便其具有富余强度来减缓型钢翼缘发生局部屈曲。因此, 配置扁钢对于改善型钢部分包裹再生混凝土短柱的受力性能有益。

　　 (1) 所有型钢部分包裹再生混凝土短柱在轴压下具有相类似的破坏形态, 即型钢翼缘发生严重局部屈曲, 同时再生混凝土被压碎。

　　 (2) 型钢部分包裹再生混凝土轴压短柱的受力过程包括弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段。

　　 (3) 型钢部分包裹再生混凝土短柱的轴压极限承载力受再生粗骨料取代率的影响较小;长细比对试件在轴心荷载作用下的破坏过程、破坏形态及极限承载力影响很大。横向扁钢的设置大大提高了短柱的极限承载力。在一定范围内增大再生混凝土强度有助于提高短柱轴向承载力。