[摘要] 1 绪论1 1课题研究的背景和意义据官方统计，到 2020 年中国还
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
据官方统计，到 2020 年中国还将新建 300 亿平方米的混凝土住宅，同时产生至少 50 亿吨的建筑垃圾，其中废弃混凝土约占50%~60%。近些年来中国建筑业协会混凝土每年都会针对“绿色、责任、和谐、共进”的主题进行报道，2014 年 10 月，广西桂林会议明确指出：在产业环境中建设环境友好型、资源节约型社会，各级政府主管部门应重视起来。在行业协会的督促下实现混凝土行业绿色低碳发展的政策。面对中国现代废弃混凝土的现状[2,3]，如何充分利用混凝土行业绿色、低碳发展的政策机遇和市场机遇，达到既重新利用废弃混凝土又方便社会人民的效果已成为中国建筑业混凝土协会焦点。目前，废弃混凝土的回收利用大体可以分为三种[4]：（1）低级利用：如一般性回填，采取这种处理方式的建筑垃圾占到 98%，此种处理方式不仅耗费了大量的土地、增加了建筑垃圾运输成本，同时还造成了严重的环境污染和大量的资源浪费；（2）中级利用：如用做道路垫层、基层、面层和公路工程等；（3）高级利用：如做为混凝土的粗细骨料，代替混凝土中部分材料配制成混凝土（即再生混凝土），用于道路建设中路基、路面和建筑结构中抗压强度要求不高的构件中去等。对再生混凝土在耐久方面研究无突破性进展，因此还未被用于建筑结构中梁、板等重要构件。为了充分的利用和节省资源，国内外学者对再生骨料混凝土展开了大量的研究，并取得了一些突破性的进展，特别是《再生骨料应用技术规程》已在 2011 年 12 月 1 日开始实施，而我国建筑行业的实际应用还相对较少。最主要原因是再生骨料的生产工艺比较繁琐，在制作的过程中，不断消耗能源，致使总预算增加，另外，再生混凝土在配制的过程中仍需消耗大量新水泥、水、砂石和能源，导致再生骨料混凝土的成本更高，实际购买时的价格高于普通混凝土，而且环保节能的效果不明显，严重的阻碍了其在实际工程中的推广应用，因此有必要寻求一种兼顾环保与节能两方面的回收利用策略，最关键的一步即简化废弃混凝土重新利用的制作工艺，进而降低成本。
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1.2 废弃混凝土的研究现状
二次世界大战之后由于资源的匮乏，前苏联、德国、法国、意大利、美国、澳大利亚、日本都陆续展开了对废弃混凝土的研究，并在研究的基础上不同程度投入实践应用中去。到目前为止，国际材料与结构研究试验联合会(RILEM)已经召开了 5次关于废弃混凝土再利用的国际专题会议[7]。目前，不同的国家对废弃混凝土的回收利用成果不同，废弃混凝土的循环利用能得到推广的地方主要在欧洲，这些国家通常采用立法的形式保障废弃混凝土的循环再利用。德国拥有 200 家生产规模较大的建筑垃圾处理厂，不仅可以消耗 1 200t/h的建筑材料，而且还可获得高额的利润（20 亿）；奥地利的建筑垃圾回收利用效果较差，与我国相似，循环处理的费用较高，增加了成本，阻碍了再生混凝土循环利用的步伐；法国则利用通过分离建筑固体废弃物中的碎混凝土和碎砖石块生产符合标准的砖石混凝土砌块；北欧丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典等国家的建筑废弃物产生量则由统一的北欧环境标准来控制；荷兰的代夫特理工大学则通过研究无结合料基层中掺加再生骨料混凝土来观测其物化性能、颗粒级配、混合料组成几个因素间的关系，相对于其他国家，起步比较晚；意大利的 Vcorinaldesi 和 GMoriconi[8]两位学者则研究再生混凝土与钢筋间的黏结，将用天然骨料配制的混凝土与再生混凝土对比分析，在此基础上，用再生混凝土做为结构的梁、柱节点，研究其在反复荷载作用下的抗震性能。
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2 内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究
2.1 概述
内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱是由薄壁钢管混凝土与大块体废弃混凝土组成的一种新型结构形式，填充的现浇混凝土和废弃混凝土块体提高了薄壁构件的局部屈曲强度、抗火和防腐蚀性能，同时薄壁圆钢管可当作混凝土柱的模板，对其起到约束箍筋和受力纵筋的作用。内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱即将废弃的混凝土以较大的尺寸填充到钢管中去，提高废弃混凝土的综合利用率，而且能够同时发挥钢材和混凝土的特性，互相弥补其不足，具有组合结构的优点，同时兼具节省材料，节约资源的特点，具有很好的发展前景。本章对内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱的主要影响因素：废弃混凝土混合比（η）、含钢率（α）、核心混凝土强度进行设计，借助于试验研究的方法，以期对内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的静力性能有深入了解，其中废弃混凝土混合比（η）为钢管内部废弃混凝土质量与全部混凝土质量之比[5]。
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2.2 试验方案
2.2.1 试验目的
本次试验所进行是内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱在轴压作用下的基本力学性能的研究，选取试件截面含钢率、废弃混凝土混合比和内填混凝土配制强度三个因素作为控制变量，主要目的：
（1）研究内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱在轴压作用下的基本力学性能，分析各影响因素对短柱轴压承载力和后期延性的影响。
（2）对比分析该类试件与普通薄壁圆钢管混凝土短柱的承载力和延性。
（3）分析内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱随废弃混凝土混合比的增长试件承载力的变化规律。
（4）最后在试验数据的基础之上，利用正交试验探讨各影响因素对承载力和延性的敏感因子，为后续的理论研究提供必要的数据验证。
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3 试验结果分析.........15
3.1 概述....... 15
3.2 试件的破坏过程与特征.......... 15
3.3 承载力对比分析........ 18
3.4 延性分析...... 22
3.5 正交试验的敏感因素分析...... 25
3.6 本章小节...... 30
4 内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱轴压承载力计算分析......32
4.1 引言....... 32
4.2 国内外相关公式的适用范围......... 32
4.3 国内外公式的对比分析.......... 34
5 内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱力学性能数值分析..........37
5.1 引言....... 37
5.2 模型的建立......... 37
5.3 有限元模拟结果........ 40
5.4 有限元模拟的延伸.... 45
5.5 本章小节...... 46
5 内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱力学性能数值分析
5.1 引言
有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个结点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解[50]。由于单元的数目是有限的，结点的数目也是有限的，所以称为有限元法。它可以弥补试验所需大量人、财、物的缺点，同时也可以与试验数据进行对比分析，对构件的影响因素进行扩展分析，对内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱的应用奠定理论基础，为后续的试验提供指导意义。本章将在第 2、3 章试验研究的基础上，合理确定考虑约束作用的钢管和核心混凝土的应力-应变关系，分析内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱力学性能，并与试验结果进行对比分析，在此基础之上，对参数进行扩展分析。在构件承载力及其变形计算中，应力-应变关系是不可或缺的条件。需要首先确定薄壁圆钢管和核心混凝土的应力-应变关系，才能计算内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土柱的荷载-变形曲线。
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结 论
本文采用试验与数值模拟计算相结合的方法，借助于正交试验，对内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱进行了轴压力学性能研究，共设计了 14 根短柱，主要参数为含钢率、废弃混凝土混合比、核心混凝土强度，描述了试件的破坏模式，绘制了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线，分析了各影响因素对试件的承载力和延性的影响，研究结论如下：
（1）内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱的破坏模式有两种：腰鼓形破坏和剪切破坏。腰鼓形破坏多发生在中部及附近，剪切破坏的裂缝起始于钢管端部；含钢率越小越容易发生剪切破坏，其承载力也越低，随废弃混凝土混合比的增加承载力降低。
（2）由试验数据分析可知，试件的荷载-位移曲线均有弹性、弹塑性上升段和塑性下降段组成，内置大尺度块体薄壁钢管混凝土短柱与普通薄壁钢管混凝土短柱的荷载-位移曲线的上升段几乎重合。下降段变化不同，前者曲线下降的幅度比后者快，但总体趋势相同。试件的延性系数随含钢率的增加而增加，随废弃混凝土混合比的增加先减小后增大，随混凝土强度的提高而减小。混凝土强度在 C30~C40 之间时，其对延性影响较小。
（3）通过正交试验分析可知，各因素对承载力影响大小依次为：含钢率、混凝土强度、废弃混凝土混合比，最优组合是含钢率为 7.7%，混凝土强度为 C40，废弃混凝土混合比为 30%；对延性影响大小依次为：含钢率、废弃混凝土混合比、混凝土强度，最优组合是含钢率为 5.7%，废弃混凝土混合比为 20%，混凝土强度为C30；工程中建议废弃混凝土混合比取值范围为 20%~30%。
（4）通过相关规范的承载力公式计算结果与试验数据对比分析可知，建议用AISC 360-05 的承载力公式乘以 0.95 的调整系数来计算内置大尺度块体薄壁圆钢管混凝土短柱的轴压承载力。
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参考文献（略）
