目前, 国内外学者对废弃混凝土再生利用进行了大量研究, 主要包括再生骨料和再生混凝土的基本性能, 如物理性能、力学性能和耐久性能等。研究表明:再生混凝土基本满足普通混凝土性能的要求, 其应用于工程结构是可行的。但再生混凝土与普通混凝土相比, 强度略有降低, 弹性模量变小, 变形性能却有所增大。针对再生混凝土的特点, 提出了型钢部分包裹再生混凝土柱的组合结构形式来改善其缺陷, 型钢部分包裹再生混凝土柱通过内部包裹再生混凝土的侧向支撑作用提高了型钢的稳定性和刚度, 同时三面型钢的约束作用对再生混凝土力学性能也有所改善, 两者的组合作用充分发挥了材料各自的优势, 具有承载力高、延性好的特点。目前, 国内外对型钢部分包裹混凝土柱力学性能开展的研究工作较多^{[1,2,3,4,5,6,7]}, 而对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偏压短柱的力学性能进行研究, 探索其受力性能和工作机理, 为工程应用提供科学依据和技术支持。

　　 试验中再生混凝土原料为再生粗骨料、天然粗骨料、天然河砂、32.5R普通硅酸盐水泥、城市自来水;其中再生粗骨料来源于东华理工大学结构实验室废弃混凝土试件 (原生混凝土强度C30) , 经破碎、筛分、清洗后而得。再生混凝土的配合比设计是以再生粗骨料取代率 (再生粗骨料的取代率r是指再生粗骨料占粗骨料总量的百分比值) 为0%为基准, 以C30为目标进行设计而得到的配合比, 各取代率下再生混凝土的具体材料用量比例见表1。每种配合比的再生混凝土均按照《普通混凝土力学试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) 预留了立方体试块, 其实测强度见表1。

　　 试验型钢采用普通H型钢, 其截面尺寸为H125×125×6.5×9, 其材性试验按照《金属拉伸试验方法》 (GB 228—2002) 的规定进行, 其试验结果见表2。

　　 以再生粗骨料取代率r、偏心距e作为变化参数, 设计了6个试件。各试件的截面形状、截面尺寸及含钢率均相同。试件具体参数见表3。

　　 偏压试验在东华理工大学结构实验室进行, 采用3 000kN电液伺服刚性试验机施加荷载, 试验加载示意图见图1。开始阶段的每级加载值控制在0.1倍的预估极限承载力值, 每级加载持续大约2～3min;当荷载达到0.6倍的预估极限承载力值后, 人工调节每级的加载值为1/20的预估极限承载力值;当荷载的下降值达到极限承载力的85%时停止试验。在试件的中部, 通过粘贴电阻应变片量测受力过程中型钢以及混凝土的应变, 应变片具体布置见图2, 通过布置位移传感器量测跨中截面处的侧向变形。

　　 试件受压达到极限荷载前, 其横向变形和纵向变形均不大, 翼缘部分都没有屈曲现象发生。随着荷载的增加, 试件的弯曲变形逐渐增大, 但整体变形不明显;试件受拉区的再生混凝土产生细小的裂缝, 随后裂缝逐渐扩大, 并且逐渐产生新的裂缝。达到极限荷载时, 试件中部的翼缘与混凝土部分开始分离, 但翼缘的变形较小。达到极限荷载后, 沿强轴方向试件再生混凝土的裂缝由受拉区翼缘向受压区翼缘发展, 通过对再生混凝土的观察, 可以发现裂缝逐渐扩大;当再生混凝土表层开始大量剥落时, 翼缘出现了向外鼓曲变形的现象。试件最终破坏形式是型钢局部发生屈曲, 受压侧再生混凝土被压碎, 见图3。

　　 试件的极限承载力如图4所示。从图中可知:当偏心距为25mm时, 试件PEC5 (r=100%) 以及试件PEC2 (r=50%) 与试件PEC1 (r=0) 相比较, 试件的极限承载力分别下降了6.6%, 3.0%;当偏心距为50mm时, 试件PEC6 (r=100%) 与试件PEC3 (r=50%) 相比较, 试件的极限承载力下降了5.0%。因此, 再生粗骨料取代率对试件的极限承载力影响较小。当再生粗骨料取代率为50%的情况下, 试件PEC4 (e=75mm) 以及试件PEC3 (e=50mm) 与试件PEC2 (e=25mm) 相比较, 试件的极限承载力分别下降了49.4%, 2.8%;当取代率为100%时, 试件PEC6 (e=50mm) 与试件PEC5 (e=25mm) 相比, 试件极限承载力下降了4.2%。因此, 偏心距对试件极限承载力的影响较大。

　　 图5为试件的荷载-挠度关系曲线。从图中可知:试件的荷载-挠度曲线由直线上升段、曲线上升段和下降段三个部分组成, 分别对应试件的弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段。在弹性阶段, 侧向挠度会随着荷载的增大近似呈线性增长;弹塑性阶段则以试件翼缘钢板达到屈服强度为标志, 表现为侧向挠度增长加快, 而承载力增长较前一个阶段缓慢;达到极限荷载后, 进入破坏阶段, 破坏阶段则以混凝土压碎为标志, 表现为曲线开始下降。对不同偏心距的试件进行比较, 偏心距小的试件达到极限荷载时的挠度小于偏心距大的试件的相应挠度;再生粗骨料取代率会对试件极限承载力造成影响。

　　 图6为试件型钢典型荷载-纵向应变关系曲线, 从图中可知:在弹性阶段, 随着荷载的增大, 腹板、翼缘端部、翼缘中间的截面应变都近似呈线性增大;翼缘的内侧有混凝土的约束, 不出现向内的屈曲, 当外荷载达到一定值时, 才会出现向外屈曲的现象。

　　 试件再生混凝土典型荷载-横向应变关系曲线如图7所示, 从图中可知:达到极限荷载时, 大部分试件受压区再生混凝土的应变值均较大。由于型钢翼缘和腹板对核心再生混凝土有一定的约束作用, 试件才能继续承担荷载。试件截面的受力特性发生改变, 型钢和再生混凝土共同承担荷载, 间接提高了再生混凝土的抗压强度。

　　 目前, 国外对型钢部分包裹混凝土柱的承载力计算进行了大量研究并取得了一定成果, 并将研究成果编写进了相关规范或规程, 主要有美国规范ANSI/AISC 360-10^[8]、欧洲规范Eurocode 4^[9]。本文分别采用上述规范的承载力计算方法, 利用实测材料强度代入计算, 并将试件承载力计算结果N_c与试验实测值N_u进行对比, 见表4。从表4可以看出, ANSI/AISC 360-10给出的承载力计算结果相对于Eurocode 4更接近于试验实测结果, 较适合型钢部分包裹再生混凝土偏心受压短柱承载力的计算。

　　 (1) 所有型钢部分包裹再生混凝土柱在偏心受压下表现出相似的破坏模式:型钢翼缘局部发生屈曲, 受压侧再生混凝土被压碎。

　　 (2) 型钢部分包裹再生混凝土偏压短柱的荷载-挠度曲线由直线上升段、曲线上升段和下降段三个部分组成, 分别对应试件受力的弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段。

　　 (3) 再生粗骨料取代率对试件的极限承载力影响较小, 偏心距对试件极限承载力的影响较大。

　　 (4) 相比Eurocode 4所建议的计算方法, ANSI/AISC 360-10所给方法对型钢部分包裹再生混凝土柱偏心受压承载力的预测精度更好。