钢与再生混凝土组合结构及构件的研究进展
*
小番茄的功效与作用刘
坚
1
刘威
1
刘将
2
张德福
3
袁华
1
翟双胜
1
（1．广州大学土木工程学院，广州510006；2．大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026；
3．红河学院外国语学院，云南蒙自661100）
摘
要：为了实现我国可持续发展的战略目标，针对目前在城镇化以及旧建筑物拆除重建过程中产生的大量建筑
垃圾，以及地震灾后重建，对钢与再生混凝土组合结构及构件开展研究很有意义。通过对最新再生混凝土组合构件及结构的国内外研究现状和进展进行了评述，总结了钢管再生混凝土柱的受力性能、再生混凝土组合构件及结构的力学性能、钢管再生混凝土组合构件及结构的抗震性能等方面的最新研究成果，并对研究与实际应用中需要解决的问题进行了探讨。
关键词：可持续发展；钢管再生混凝土；钢与再生混凝土组合构件；力学性能；抗震性能DOI ：10.13206/j．gjg201801008
ＲESEAＲCH PＲOGＲESS OF STEEL-ＲECYCLED AGGＲEGATE CONCＲETE COMPOSITE
STＲUCTUＲES AND MEMBEＲS
LIU Jian 1
LIU Wei 1
LIU Jiang 2
ZHANG Defu 3
YUAN Hua 1
ZHAI Shuangsheng 1
（1．School of Civil Engineering ，Guangzhou University ，Guangzhou 510006，China ；2．School of Marine Engineering ，Dalian Maritime University ，Dalian 116026，China ；3．College o
f Foreign Languages ，Hong University ，Mengzi 661100，China ）
ABSTＲACT ：In order to achieve the strategic goal of sustainable development in China ，in view of the large amount of construction waste produced in the process of urbanization and the demolition and reconstruction of old buildings ，and post-earthquake reconstruction ，studying the composite structures of recycled aggregate concrete and its composite members has great social significance．Bad on the review of the rearch status of the recycled aggregate concrete composite structures and members at home and abroad ，some latest rearch findings were summarized in the thesis ，including the mechanical properties of the recycled aggregate concrete filled steel tube columns and the mechanical properties of recycled concrete composite structures and members as well as the ismic behavior of the steel tube recycled concrete ，and some suggestions on the potential problems in the rearch and practical application of the structures were propod．
KEY WOＲDS ：sustainable development ；recycled aggregate concrete filled steel tube ；recycled aggregate concrete composite member ；mechanical properties ；ismic behavior
*国家自然科学基金项目（51678168）；广州市科技计划项目（201607010107）；广州大学科技创新
（重点）培育基金项目（2016GZDXPT01）；广州大学重点产学研项目（201603）；广东省教育厅科技创新项目（2012－KJCX －0084）。
第一作者：刘坚，男，1964年出生，教授，博士（后）。通信作者：刘威，
1152977353@qq．com 。收稿日期：2017－05－26
1概述
中国虽然资源种类丰富，储量巨大，
但人口基数大，人均资源严重不足，资源和环境严重制约着中国经济的快速发展。资源消耗大，利用率低是中国自然资源利用的基本特征；据统计，中国过去三年的水泥用量竟然超过美国百年的总消耗。我国每年产生数十亿吨的建筑垃圾，而对建筑垃圾的回收利用率极低，严重破坏了生态环境。从节约宝贵的自然资源，改变高消耗的生产经营方式，建设环境友好型社会考虑，对再生混凝土的深入研究及利用十分必要
［1］
蝶成语
。
再生骨料混凝土是将废弃混凝土块经回收、
破碎、清洗、筛分等程序后，再按相应的级配、比例与水、水泥等材料混合配制而成的新型混凝土
［2］
。由
于再生混凝土具有诸如：水灰比大、孔隙多、强度及
弹性模量低、流动性差、收缩徐变大、变异性大等缺
点，严重制约了再生混凝土在受力较大部位及高耸、大跨结构中的应用。为扩大再生混凝土的应用范围，开辟新的应用途径，一些学者开展了对钢与再生混凝土组合结构的研究。本文结合国内外的最新研究成果评述了钢管再生混凝土柱的力学性能，其他类型钢与再生混凝土组合构件及结构的基本力学性能，再生混凝土组合构件及结构的抗震性能等方面的研究现状，并探讨了在未来实际应用中需要解决的问题。
2钢管再生混凝土柱静载下及高温后的力学性能2.1
再生混凝土的基本力学性能
再生混凝土的基本力学性能对钢与再生混凝土组合结构及构件的受力性能有着一定的影响，国外对再生混凝土的研究开始较早，文献［3－5］表明废弃混凝土块经破碎后得到的再生骨料，内部存在大量的微裂缝。Hann 总结1945—1985年间的再生混凝土研究成果发现：在相同配比时，再生混凝土的
抗压强度比普通混凝土降低8% 32%［6］
。Olorun-sogo 等研究表明再生混凝土与普通混凝土相比，其
收缩、徐变大，吸水率高，抗压强度和弹性模量降低［7］
。Gupta 等研究发现随着龄期的增长，再生粗
骨料混凝土的抗压强度与普通混凝土接近［8］。
我国对再生混凝土的研究起步较晚，但也取得
了一系列的成果，为再生混凝土在我国的应用奠定了良好基础。周静海等为研究再生骨料混凝土和普通混凝土在基本力学性能方面的差异，参照普通混凝土配合比设计方法，以再生骨料取代率为变化参数配制再生混凝土进行了试验［9－12］
。根据文献
［9－12］的试验数据绘制成图1
。
图1
再生混凝土弹性模量和取代率关系曲线
由图1可知：再生混凝土的弹性模量总体上低
于普通混凝土的弹性模量，再生混凝土的弹性模量大体上随再生骨料取代率的增大逐渐降低。陈宗平等通过试验研究表明再生骨料混凝土与天然骨料混凝土的破坏过程和形态相似，应力－应变曲线具有相似的形状西安大雁塔高多少米
［13－15］
。利用文献［13－15］的试验结果
绘制出再生混凝土的峰值应力、应变随再生粗骨料取代率的变化曲线如图2所示，从中可知：再生混凝土轴心抗压强度的峰值应力与天然骨料混凝土相
比，降低幅度在10%以内，但文献［14］中再生混凝土的峰值应变变化幅度较大，与天然混凝土峰值应
变相比，变化幅度在20%以内。2.2
钢管再生混凝土柱静载下的轴压及偏压性能
为了弥补再生混凝土性能上的不足，将再生混
凝土与钢管相结合，制成钢管再生混凝土构件，
使得a —峰值应力；b —峰值应变。
—◆—文献［13］；—■—文献［14］；—▲—文献［15］。图2
螃蟹过街再生混凝土峰值应力和峰值应变随取代率变化曲线
材料的性能能够优势互补。Malathy 等以混凝土强
度等级、含钢率、长细比为变量对钢管再生混凝土试
件的轴压性能进行了试验研究［16］
。Konno 等通过试验发现，与钢管普通混凝土构件相比钢管再生混
凝土构件的轴压性能并无显著差异，且具有良好的
家具甲醛含量标准变形能力，但刚度和承载力有所降低［17］
。
文献［18－23］通过试验研究了再生骨料取代率、长径比、套箍指标、截面形式、含钢率等参数变化对钢管
再生混凝土短柱轴向受压承载力及变形性能的影
响。利用文献［19－20］的试验结果，绘制三组钢管再生混凝土柱试件的峰值应变、峰值应力随再生粗
骨料取代率的变化曲线如图3所示，从中可以看出试件的峰值应力呈略微增大的趋势，峰值应变随再生粗骨料取代率的增加有少许波动；可见再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土柱的峰值应力、峰值应变影响较小，可忽略。
陈宗平等通过钢管再生混合中长柱的轴压与偏压试验，发现钢管再生混凝土长柱的受压承载力受再生混凝土取代率的影响较小
［24－25］
。张向冈等通
过试验发现圆形和方形钢管再生混凝土偏压长柱受
力过程均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，两种截面构件的破坏形态基本一致，长细比对钢管再生混凝土长柱的承载力影响较大
［26－27］
。上述文献
对钢管再生混凝土柱的轴压与偏压性能进行了试验，取得了一系列的研究成果，但还需加强基于各位
a—峰值应变；b—峰值应力。醉生梦死的意思
图3峰值应变、峰值应力与骨料取代率的关系
好看的游戏名字
学者的试验结果对现有规范中相应计算公式进行相应的修正。钢管与再生混凝土属于两类不同的材料，基于统一理论对其进行研究，会更有利于设计工作者进行相关设计，加快钢管再生混凝土结构在实际工程中的应用。
目前我国对钢管再生混凝土柱的研究主要集中在轴压及偏压方面，而对其抗冲击及抗爆，钢管内部填充纤维再生混凝土，橡胶再生混凝土以及钢管内部再生混凝土破坏机理的研究还是一片空白，因此为了加快绿色建筑的步伐，也应加强此方面的研究。
2.3高温后钢管再生混凝土柱的轴压及偏压性能
众所周知，钢材具有不耐火的特性，为了将废弃混凝土变废为宝，加快钢管再生混凝土在实际工程中的应用，更好地发展低碳经济、绿色建筑，对钢管再生混凝土高温后的受力性能的研究颇为必要。杨有福［28］，侯睿等［29］对钢管再生混凝土轴压短柱在高温后的性能进行了试验研究，结果表明钢管再生混凝土短柱经历高温后仍具有较高的轴压承载力和较强的抵抗变形能力。陈宗平［30－31］，杨有福［32］分别以试验和有限元分析建立理论模型的方式对高温后钢管再生混凝土短柱的轴心受压承载性能进行研究，结果表明高温后钢管再生混凝土短柱的受力破坏过程及形态和普通钢管混凝土柱相似。钢管再生混凝土短柱的承载力受火灾温度影响较大，再生粗骨料取代率对试件承载力的影响较小，而试件的延性和耗能能力随着再生骨料取代率的增加而明显增大。通过对钢管再生混凝土柱高温后的性能进行研究之后，不仅可以为计算其轴压承载力提供理论依据，还可以将研究成果应用于钢管再生混凝土结构实际构件，以改善结构抗火性能。陈宗平等进行了高温后钢管再生混凝土柱偏压性能试验，研究发现试件的破坏形态与常温试件相似，均表现为弯曲失稳破坏，随温度升高，钢管再生混凝土柱偏压承载力、轴压刚度明显降低［33］。王兵等对高温后方钢管再生混凝土偏压短柱进行有限元分析后发现，钢管再生混凝土的偏压承载力随着试件经历温度的升高及偏心率的增大而降低［34］。目前对高温后钢管再生混凝土柱偏压性能的研究尚少，只是定性的研究，缺乏相应的承载力计算式。为了充分了解钢管再生混凝土柱高温后的偏压性能，尚需进行更多的试验研究及理论分析。
为了增强再生混凝土柱的耐火性及在火灾时的安全性，可将钢管内部填充孔隙率大的新型再生混凝土等以延缓构件温度的升高，最大限度地将损失降到最低。目前国内对此项内容的研究鲜有报道，为了更好地保护和利用自然资源，尚应加强此方面研究。
3再生混凝土组合构件及结构的基本力学性能
3.1再生混凝土组合构件的基本力学性能
陈宗平等通过对高温后钢筋再生混凝土梁受力性能进行试验发现，高温后试件主要发生弯曲和剪切斜压两种典型破坏；随着温度的升高，试件的烧失率逐渐增大，其承载力、变形能力逐渐降低［35］。文献［36］研究发现高温后型钢再生混凝土梁的破坏形态与常温下基本相同；随着温度的升高，试件的承载力及变形能力降低，而再生骨料取代率对试件的性能影响较小。建议采用高温强度折减系数进行高温后型钢再生混凝土梁的极限承载力计算。彭有开等研究发现再生混凝土框架梁的骨架曲线与普通混凝土框架梁类似，试件的抗震性能与普通混凝土框架梁相比差异不大，试件梁的正截面受弯承载力可采用普通混凝土梁的计算方法进行计算［37］。以上文献为研究再生混凝土梁的受力性能，进行了相关的试验研究，并提出了承载力计算式。
白国良等对不同再生粗骨料取代率的再生混凝土梁长期受荷变形性能进行研究，研究发现普通混凝土徐变收缩模型并不适用于再生混凝土梁长期时随变形计算［38］。对现有的3种典型的普通混凝土收
缩徐变预测模型进行修正后，可用于再生混凝土梁长期时随变形计算。梁超锋等以再生粗骨料取代率及其粒级为主要参数，对再生混凝土悬臂梁在不同阶段的阻尼参数进行了研究［39］。发现再生骨料
的性能对再生混凝土结构构件的阻尼比和损伤指数影响显著，试件的阻尼参数与损伤指数的演变，裂缝数量、发展高度及宽度密切相关。再生混凝土梁长期变形性能受各种因素影响，如再生骨料取代率，配筋率，荷载作用时间，所处环境等；因此时随变形计算式应考虑以上各个因素变化，注重协调性及全局性。随着荷载的增大，由于损伤累积，再生混凝土悬臂梁截面弯曲动刚度是不断变化的，对弯曲动刚度变化过程应进行深入的分析研究。由于试验梁的阻尼比与损伤指数的坐标点比较离散，为了更加真实地反映其相关关系，应增加试验点数量，以便提高拟合精度。
3.2钢与再生混凝土组合结构的基本力学性能
白国良等进行了3榀再生混凝土梁柱节点的抗震性能研究，研究发现再生混凝土梁柱节点的破坏过程与普通混凝土相似［40］。对试验结果及相关理论进行分析之后，建立了不同取代率再生混凝土梁柱节点恢复力骨架曲线模型及考虑刚度退化规律的梁柱节点恢复力模型。周静海等对废弃纤维再生混凝土框架中柱节点抗震性能进行试验研究后发现，试件框架节点的破坏包含初裂、通裂、极限、破坏4个阶段［41］；与废弃纤维的长度相比，废弃纤维的体积掺量对梁柱节点抗震性能影响较大；此外还建立了废弃纺织纤维再生混凝土梁节点的抗剪承载力计算式。杨涛等对性能增强再生混凝土框架中节点进行低周反复加载以研究其抗震性能，试验表明试件的破坏形态与普通再生混凝土框架中节点基本一致，且其抗震性能优于普通混凝土中节点［42］。硅粉与混杂纤维共同作用可显著提高再生混凝土框架中节点的延性及耗能能力，但最佳纤维掺量及纤维种类的确定仍需更加深入研究。
孟二从设计并制作了8榀方钢管再生混凝土柱－再生混凝土深受弯梁混合框架进行低周反复加载试验，提出了方钢管再生混凝土柱－再生混凝土深受弯梁混合框架的相关抗侧刚度及层间抗剪承载力的计算方法，对相关系数进行了修正，建立了框架试件的三折线恢复力模型及四折线恢复力模型［43］。郭宏超等为研究柔性钢框架外挂再生混凝土墙结构的抗震性能，对2个单层单跨的缩尺柔性钢框架外挂再生混凝土墙试件及1个纯钢框架试件进行拟静力试验。研究表明再生混凝土墙板能显著提高框架结构的承载力，但柔性钢框架外挂再生混凝土墙体结构的耗能能力偏低［44］。王长青等基于再生混凝土框架结构模型振动台试验，深入分析研究再生混凝土框架结构的滞回性能［45］。试验结果表明结构整体等效抗侧移刚度随着地震作用强度的增加而逐渐减小，但试件的滞回环都比较饱满；建立了结构整体和层间变形能力曲线函数模型。对钢与再生混凝土组合结构而言，对其抗震性能影响因素较多，在未来的一段时间内，仍会是再生混凝土研究的热点与难点。
目前国内对钢与再生混凝土组合结构及构件的研究主要集中在构件层次，而对钢与再生混凝土组合结构缺乏较为系统的研究。此外，钢与再生混凝土组合结构在大跨、高耸结构中的应用鲜有报道，因此为了加快再生混凝土结构及构件在实际工程中的应用，尚需对钢与再生混凝土组合结构进行较为系统的研究，包括钢与再生混凝土组合结构在强震、强台风作用下灾变效应及耐久性方面的研究。
4钢管再生混凝土组合构件及结构的抗震性能
4.1钢管再生混凝土组合构件的抗震性能
近年来，我国学者在钢管再生混凝土构件抗震性能研究方面做出了巨大努力，并取得了丰硕成果。黄一杰等通过进行试验或有限元分析表明钢管再生混凝土柱的破坏形态与普通钢管混凝土柱相似［46－49］。张向冈等通过试验研究了再生粗骨料取代率、长细比、轴压比和含钢率等参数对钢管再生混凝土柱抗震性能的影响，研究发现再生骨料取代率对试件的滞回曲线影响不大，含钢率的增大有利于提高其抗震性能，随着长细比的增加试件水平承载力及延性降低［50－54］。随着轴压比的增大，试件的刚度退化加快，延性及耗能能力降低。以上学者对钢管再生混凝土柱的抗震性能进行了一系列研究，但尚缺少具有更大适应范围的计算分析模型及计算式；且对钢管约束钢筋再生混凝土的研究鲜有报道。
4.2钢管再生混凝土组合结构的抗震性能
对整个结构而言，节点在整个受力体系中起着至关重要的作用。国内外的许多学者对钢管混凝土节点的抗震性能进行了研究并取得了一系列成果［55－60］，而对钢管再生混凝土柱－钢筋再生混凝土梁框架节点的研究尚少。吴波等进行了钢管再生混合柱－钢筋混凝土梁节点的抗震性能试验，研究发现试件的破坏形态和滞回曲线形状与普通混凝土试件基本相同，节点具有较好的延性和耗能能力；不同再生骨料取代率对节点试件的滞回曲线形状影响较小，钢管局部加厚的环筋可以有效改善钢管再生混凝土节点的受力性能，扩大其应用范围［61－63］。以上文献对钢管再生混凝土梁柱节点的抗震性能进行了
研究。但对节点在反复荷载作用下破坏机理的研究尚有大量工作要做。
将钢管再生混凝土应用于实际工程之中，钢管再生混凝土柱－钢筋再生混凝土梁框架是必不可少的研究内容，目前我国学者对此项内容的研究较少。陈宗平等研究了全再生钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁框架的抗震性能，试件的滞回曲线对称、饱满，包围面积较大，表明其具有较强的耗能能力［64－66］。钢管再生混凝土柱－钢筋再生混凝土梁框架表现出良好的抗震性能，经过深入研究及优化设计后，此类结构在建筑领域具有广阔的应用前景。以上文献对钢管再生混凝土柱－钢筋混凝土梁框架的抗震性能进行了研究，如要充分研究分析此类框架结构的抗震性能及各种因素对抗震性能的影响还需进一步研究，并通过其他研究手段来考虑非线性的影响，加强对本构关系的研究，探讨适合此类结构的设计理论。
5结论与展望
通过以上论述可知，钢与再生混凝土组合结构应用于工程上的可行性，但钢与再生混凝土组合结构在实际工程中的应用仅有少数案例。为了加速钢与再生混凝土组合结构的应用，还应展开以下几个方面的工作：
1）加强钢管再生混凝土混合结构在强震、强台风作用下灾变效应的研究，保证此类组合结构应用的可靠性。
2）基于多尺度和相关性的钢管再生混凝土柱及其结构体系的研究鲜有报道，尚应加强此方面的研究。
3）加强对钢管约束型钢再生混凝土构件及结构在冲击及爆炸荷载作用下动力响应特性的研究。
4）进行钢管约束钢筋再生混凝土结构的研究，加快再生混凝土在高层建筑中的应用。
5）为了弥补再生混凝土的不足，可将其与其他材料相结合使用，例如：橡胶颗粒、玻璃纤维、钢纤维等，进行这方面的研究将会更好地促进节能减排。
6）将钢管与其他材质的管类相结合，如双管约束再生混凝土结构等，此类结构具有承载力高、抗震性能好、耐腐蚀、易施工等优点，也应加强此类结构的研究。
7）目前我国还没有集中生产钢管再生混凝土预制构件的加工企业，为了促进节能减排，提高建筑装配化程度，更好地将废弃混凝土变废为宝，需要社会各界的共同努力。
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