约束混凝土本构关系试验

研究意义和现状：随着哥本哈根会议的结束，作为最大的发展中国家——中国遇到越来越大的“碳”减排压力。

橡胶产业的迅猛发展、汽车工业的迅速崛起，废旧橡胶的数量每年以13%的速度递增。

2009年我国的废轮胎大约为2.3亿条，约合645万吨。

橡胶材料不能用热塑性加工方法进行回收利用，在自然界中很难自行降解。

废轮胎产生的橡胶具有很强的抗热、抗机械和抗降解性，这都加速了蚊虫滋生、疾病传染、带来了火灾隐患。

废旧橡胶的回收利用迫在眉睫。

阪神地震以后，钢管混凝土结构的抗震优越性在地震中得到有利的证实。

钢管混凝土作为一种组合结构，借助钢管对核心橡胶混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，提高了核心混凝土抗压承载力，并且由于核心混凝土支撑，限制了外包钢管的局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高，塑性和韧性好，耐火性能和经济效益好等优点，还具有省工省料、施工速度快等优越的施工性能。

因而钢管混凝土适应了现代土木工程结构向大跨、高耸、重载发展的趋势，并且符合现代化施工技术和工业化制造要求，发展前景广阔。

本课题提出了一种新的结构构件形式：钢管橡胶混凝土柱，其能充分利用橡胶的粘弹性耗能性能及钢管混凝土优良的变形性能。

设有钢管橡胶混凝土柱的框架结构在地震时，既能满足竖向承载力及变形要求，又能在吸收大量能量。

既提高了结构构件的性能，又能合理利用废旧橡胶。

本课题具有发展生态、绿色环保等优点，实现建筑、资源、环境可持续发展。

在罕遇地震作用下，建筑结构难以避免的会进入塑性阶段。

人们已经意识到合理的结构屈服机制对结构抗震具有重要意义。

从保证结构整体抗震性能角度出发，只要最终能使结构形成整体型屈服机制，可不必受框架节点满足“强柱弱梁”条件的限制。

河野昭彦、徐培蓁针对钢管混凝土结构提出了允许部分柱屈服的混合机制型框架结构设计理论。

允许屈服的柱采用钢管橡胶混凝土，可利用内填的橡胶颗粒的弹塑性变形充分耗能，从而提高结构的抗震性能。

2、国内外研究现状
国内外学者在对Conctete Filled Steel Tube（即钢管混凝土，以下简称CFT）构件的工作机理和力学性能研究方面已取得一系列重要成果，自上一世纪六十年代由前苏联引入我国以来，也取得了大量的研究成果，在我国得到广泛的应用。

在CFT结构的基本理论研究方面，钟善桐[1]提出了“钢管混凝土统一理论”，把CFT 视为统一体，它的工作性能随着材料的物理参数，统一体的几何参数和截面形式，以及应力状态的改变而改变。

变化是连续的，相关的，计算是统一的；在CFT结构的静力性能研究，建立了基于统一理论的CFT轴压构件、弯曲构件、偏压构件等的设计方法和计算公式，并且在圆钢管、方钢管和矩形钢管混凝土构件等方面都取得了相应的成果。

在CFT柱的抗震性能研究方面，1923年日本关西地震后，人们发现CFT结构在该次地震中没有明显破坏，1995年阪神地震后，CFT结构更显示了其抗震优越性，研究者对CFT柱的抗震性能进行了大量的实验研究，但目前对于CFT整体结构抗震性能的研究还较少。

河野昭彦、徐培蓁等提出了一种有别于传统的梁铰屈服机制的新型屈服机制形式-混合屈服机制。

通过弹塑性时程分析，提出了形成整体性屈服机制所需的最小层间柱梁强度比，研究了屈服柱的损伤评价，从而放松了框架结构节点柱梁强度比的要求。

在橡胶混凝土材料性能研究方面，国内外学者也取得了一系列重要成果。

自上世纪九十年代橡胶应用到土木工程中以来，橡胶混凝土力学性能研究方面取得大量研究成果，并得到广泛应用。

在弹性橡胶混凝土压、弯变形性能试验研究方面，王婧一对普通混凝土、橡胶混凝土及橡胶纤维混凝土进行了单轴受压及四点弯曲荷载作用下变形性能的试验研究，得到了各组混凝土的单轴受压应力一应变全曲线及弯曲荷载作用下的荷载一挠度曲线，确定橡胶及纤维的掺人大大提高了普通水泥混凝土的韧性及变性性能。

王涛，洪锦祥等研究了80目橡胶粉在四种掺量(0、30、6O、90 kg/m3 )下混凝土的拌合物性能、强度、弹性模量和冻融耐久性，确定了橡胶混凝土的力学性能衰减幅度的大小关系：抗压强度损失>轴心抗压强度损失>抗压弹性模量损失>弯拉弹性模量损失>弯拉强度损失。

橡胶粉能增加混凝土的韧性，其掺量越大，混凝土的韧性越好。

国内尚未将钢管与橡胶混凝土两种材料组合到一起形成钢管橡胶混凝土的相关研究。

本项目拟通过研
究，确定约束橡胶混凝土的本构关系，提出不同橡胶掺量对约束橡胶混凝土的本构关系的影响，建立约束橡胶混凝土本构特征参数方程；研究钢管橡胶混凝土柱的轴心受压性能，钢管橡胶混凝土柱受轴心压力作用，直至试件破坏研究钢管橡胶混凝土轴心受压时的工作机理，研究钢管橡胶混凝土的受压承载力性能；研究低周反复荷载作用下钢管橡胶混凝土柱的力学性能。

在一定轴力作用下，对钢管橡胶混凝土柱进行水平反复加载，考察其抗震性能及耗能性能。

结合试验结果，利用计算机数值模拟，考察不同材料强度、不同钢管幅厚比、不同橡胶掺量对钢管橡胶混凝土柱抗震性能的影响，综合考虑柱承载力及耗能效果，提出合理的钢管橡胶混凝土柱的设计参数，以便于钢管橡胶混凝土柱的应用推广。

3、本项目的创新之处
本项目首次将钢管与橡胶混凝土两种不同的构件结合到一起，提出了一种新的结构构件形式：钢管橡胶混凝土柱，其能充分利用橡胶的粘弹性耗能性能及钢管混凝土优良的变形性能。

既能利用橡胶制造业的废旧橡胶，又能提高结构构件的力学性能。

这种新型结构符合我国可持续发展的需求，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的协调和谐发展。

钢管橡胶混凝土柱可提高结构的耗能能力进而提高结构的抗震性能，从而减小结构在地震中的损伤，以避免人员伤亡损失，最大限度的节约工程造价成本，前景广阔。

实验：1）约束混凝土本构关系试验。

试验原料：水泥：P.O 32.5R水泥
砂：中粗河沙，连续级配，细度模数2.80，表观密度2587kg/m3，性能良好
石子：5-25mm碎石，连续粒径，级配合格。

外加剂：早强高效减水剂
胶粒：0.1-5mm连续级配胶粒，表观你读1220 kg/m3
水：自来水。

根据JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程[S]，计算出初步配合比，试拌调整，得出基准配合比，在此基础上，经7天龄期的强度检验，确定各组混凝土配合比。

混凝土基准试件按m(水泥)：m(砂)：m(石)：m(水)=1：2.1：2.5：0.4进行配制，掺入的废旧轮胎胶粒掺合物分别以0%、20%、25%、30%的体积替代砂。

参考组(0%组，即砂不被替代)的设计强度等级为C35。

搅拌，装入150 mm×150 mm×300mm（幅厚比D/T=60、50、40）的钢管中成型，自然养护至规定龄期。

将试件从养护室取出后进行试验。

首先将试件表面擦干净。

将试件安放在试验机的下压板上，试件的中心与试验机的中心对准，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。

所有试件均以11.25kN/s一18kN/s的加荷速度均匀加载，试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机油门，直至破坏，并记录破坏荷载。

以确定约束橡胶混凝土的本构关系。

2)钢管橡胶混凝土柱的轴心受压性能试验。

计划在500t压力机上进行一次性压缩实验，采用平板铰进行加载，试件上端通过一块厚钢垫板和试验机的顶板相接。

试验设备包括：四立柱500t液压式压力试验机、动态及静态应力应变采集箱、位移传感器、250t力传感器、千分表和计算机。

先在试验机上撒一层细沙，将试件直接放置在试验机上，进行几何对中(使试件的几何中心与试验机的上下加荷板几何中心基本重合)，同时在试件上端放置一块厚垫板；在不超过试件预计承载力30％以内的范围内分级加载进行物理对中，即通过观测四个面千分表读数是否均匀变化，数值增长速度是否同步，差异是否足够小等，相应的对试件位置进行微调，使得试件的物理中心轴线与试验机的几何中心连线基本重合。

在此过程中，监控各个试验设备以及应变片是否正常工作，同时可以消除钢管混凝土端部混凝土不密实带来的误差，用数据采集箱实时采集荷载、应变及位移。

以上一切就绪后，进行正式进行轴压试验。

试验采用分级加载制，弹性范围内每级荷载为预计极限荷载的1/10左右，当钢管屈曲后每级荷载约
为预计极限荷载的1/15以内，每级荷载的持荷时间约为2分钟。

当接近破坏时慢速连续加载，同时连续记录各级荷载所对应的变形值，直至试件最终破坏时停止试验。

图2.1钢管混凝土柱加载装置示意图
1）研究约束橡胶混凝土的本构关系
韩林海参考国内外400多个钢管混凝土轴压短试件试验结果整理分析及通过对大量钢管混凝土轴压短试件试验结果的验算，在充分考虑约束效应系数ξ影响的基础上，提出了核心混凝土的应力（c σ）-应变（c ε）关系，建立了方钢管混凝土模型。

本课题将参考韩林海提出的方钢管混凝土柱核心混凝土的应力（c σ）-应变（c ε）关系模型建立钢管橡胶混凝土柱核心混凝土的应力（c σ）-应变（c ε）关系模型。

在钢管橡胶混凝土中，以橡胶颗粒取代20%、25%、30%体积的细骨料制备约束混凝土，制作钢管橡胶混凝土短柱试件。

通过钢管橡胶混凝土短柱试件的受压试验，得到橡胶混凝土材料在约束条件下的应力-应变曲线，研究不同橡胶掺量及不同幅厚比对约束橡胶混凝土的本构关系的影响，建立约束橡胶混凝土本构特征参数方程。

2）钢管橡胶混凝土柱的轴心受压性能
根据1）试验确定的约束橡胶混凝土的本构关系，通过数值模拟计算分析方钢管橡胶混凝土柱的轴心受压承载力。

以橡胶掺量及钢管宽厚比为试验参数，对钢管橡胶混凝土柱进行轴压试验，参考方钢管混凝土柱承载力计算公式，分析不同橡胶掺量对钢管橡胶混凝土柱承载能力的影响，确定方钢管橡胶混凝土柱的受压承载力。