第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国经济目前已进入高质量发展阶段，各地的房屋建筑与基础设施建设工程依旧如火如荼地进行着。但这些建设工程会消耗大量的混凝土，作为混凝土主要原料的沙、石和水泥也随之被大量消耗，资源紧缺的问题日渐凸显。据国家统计局统计[1]，仅 2017年一年，我国房地产开发企业房屋施工面积就达到 78.1 亿平方米。与新建工程的同时，会伴随着大量的旧建筑拆除工程，从而产生大量的建筑垃圾，其中混凝土废弃物作为最主要的产物，其质量占比约 48.35%[2]。由此可见，在我国建设高速发展的同时，如何合理有效地利用混凝土废弃物发展循环经济，是在建筑行业践行建设“两型”社会和走可持续发展之路所必须解决的问题之一。
对于废旧混凝土循环利用的研究目前主要包括再生骨料混凝土和再生块体混凝土两类。再生骨料混凝土即是将废旧混凝土破碎成粒径在 5mm~40mm 范围的粗骨料或粒径在 0.5mm~5mm 范围的细骨料，部分或全部替代天然骨料并配成新的混凝土[3]。但该方式存在制备繁琐、耗费较多人力物力和循环效率不高等缺陷。为此文献[4]提出了再生块体混凝土（原称为“再生混合混凝土”）的概念，该方式将废旧混凝土循环利用的层次从粒径范围是 0.5mm~40mm 的骨料提升至特征尺寸范围是 60mm~300mm 的块体，不仅简化了循环利用的过程、提升了循环效率，还降低了循环利用的耗能与成本。因此，本课题组自2008 年起对再生块体混凝土开展了较为系统的研究[4, 6, 7, 12, 14-26]与探索。2016年实施的《再生块体混凝土组合结构技术规程》[5]也为再生块体混凝土构件的应用和推广提供了技术支撑。
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1.2 再生块体混凝土柱的研究现状
1.2.1 钢筋再生块体混凝土柱
文献[6]开展了钢筋再生块体混凝土短柱的轴压性能试验，试件共计 8 根，试验参数包括废旧混凝土类型和废旧混凝土块体取代率。研究表明：1）当废旧混凝土强度小于新混凝土强度时，该类短柱的轴压承载力随废旧混凝土块体取代率的增加而降低；2）建议在混凝土结构设计规范计算轴压承载力的基础上乘以 0.9 左右的调整系数，以使该类短柱与钢筋混凝土短柱具有相近的安全性。
1.2.2 再生块体混凝土组合柱
（1）方钢管再生块体混凝土柱
文献[7]开展了薄壁方钢管再生块体混凝土短柱的轴压性能试验，试件共计 8 根，试验参数包括钢管壁厚、新旧混凝土强度差、废旧混凝土块体取代率。研究表明：1）当新、旧混凝土强度差异较小且取代率介于 20%至 33%时，薄壁方钢管再生块体混凝土短柱的轴压承载力受取代率的变化影响较小；2）随着废旧混凝土的块体取代率不断增大，钢管屈服越早，而全现浇柱比再生块体混凝土柱的钢管屈服更晚；2）随着废旧混凝土块体取代率不断增大，该类短柱的轴压承载力逐渐降低，且降低幅度大于薄壁圆钢管再生块体混凝土短柱；4）建议在现行设计标准计算轴压承载力的基础上乘以 0.9 左右的调整系数，以使该类短柱与钢筋混凝土短柱具有相近的安全性。
文献[8]开展了薄壁方钢管再生块体混凝土短柱的轴压性能试验，试件共计 15 根，试验参数包括宽厚比、套箍系数、废旧混凝土块体取代率及纵向肋。研究表明：1）该类短柱轴压承载力的提高系数随截面宽厚比或套箍系数的增大而先增后减；2）该类短柱的延性系数随套箍系数的增大而提升；3）不带纵向肋试件破坏时呈软化特性，带纵向肋试件破坏时呈加劲特性；4）相关公式引入套箍系数后可提升计算精度；带纵向肋试件的轴压承载力提高系数与宽厚比和套箍系数呈线性关系，不带纵向肋试件呈抛物线关系。
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第二章 内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱的 轴压性能试验
2.1 引 言
为了在钢材用量保持不变的情况下，进一步提升钢管再生块体混凝土柱的力学性能，本章开展了 4 根内置高强角钢、1 根内置普强角钢的方钢管再生块体混凝土柱，以及 1根方钢管再生块体混凝土柱的轴压性能试验，考察了内置角钢及角钢屈服强度、角钢至钢管内壁净距、废旧混凝土块体取代率等因素对柱轴压性能的影响。
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2.2 试验概况
2.2.1 试件设计与材料特性
本章试验共设计 6 个试件，试件的几何参数如下（见图 2-1）：方钢管外边长 300mm，高度 900mm（不含底板和顶板的厚度），高宽比 3.0，符合标准短柱要求[55]；角钢肢长40mm，厚度 8mm，高度 915mm，即角钢顶端伸出方钢管 15mm，以便于将角钢顶端与顶板焊接；底板和顶板均为边长 400mm、厚度 20mm 的方形钢板；对于内置角钢的试件，在顶板上钻孔开槽，槽深 10mm，以适应角钢上所布应变片的引线需要，同时在顶板的角钢对应位置开通缝，以便于角钢顶端的伸出及其与顶板的焊接。
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第三章 内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱的轴压性能计算分析......................... 363.1 引 言 ............................................ 36
3.2 模型建立 .................................. 36
第三章 内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱的轴压性能计算分析......................... 36
3.1 引 言 ...................................... 36
3.2 模型建立 ....................................... 36
第四章 内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱的 耐火性能试验
4.1 引言
为了在钢材用量保持不变的情况下，进一步提升钢管再生块体混凝土柱的耐火性能，本章开展了 2 根内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱，以及 1 根方钢管再生块体混凝土柱的明火试验，考察了内置高强角钢、角钢至钢管内壁净距等因素对柱耐火性能的影响。
本章试验共设计3 个试件，各试件的几何参数如下（见图4-1）：方钢管外边长320mm，高度 3770mm（不含底板和顶板的厚度），其中试件中部 3000mm 高度范围为受火高度；高强角钢肢长 43mm，厚度 8mm，高度 3785mm，即角钢顶端伸出方钢管 15mm，以便于将角钢顶端与顶板焊接；底板和顶板均为边长 700mm、厚度 20mm 的方形钢板，钢板四周均匀设置 12 个直径 60mm 的螺栓孔。对于内置高强角钢的试件，在顶板的角钢对应位置开通缝，以便于角钢顶端的伸出及其与顶板的焊接。在方钢管的上、下两端各设置 4 个高度 150mm、厚度 10mm 的梯形钢肋板。在试件半高处对称设置 2 个直径 22mm的热电偶引线出口，同时在试件 457mm 和 3353mm 高度处各对称设置 2 个直径 20mm的排气孔。
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结论与展望
本文围绕内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱开展了两批试验研究及有限元计算分析，研究了各主要参数对该类柱轴压性能与耐火性能的影响，并与同等用钢量的方钢管再生块体混凝土柱进行了对比。本文主要得出以下结论：
（1）在总用钢量基本不变的情况下，通过适当减薄钢管并在管内设置高强角钢且二者之间预留一定净距，可使方钢管再生块体混凝土柱的耐火极限大幅提升 200%以上，
同时轴压承载力和延性指标都有所提升，初始刚度基本不变或有所提高；当管内设置普强角钢时，则会导致柱的轴压承载力小幅降低，但初始刚度和延性指标略有提升。
（2）在总用钢量完全相同的情况下，通过适当增加高强角钢至钢管内壁的净距，可使该类柱的耐火极限进一步提升，而轴压承载力变化不大。
（3）在总用钢量基本不变的情况下，随着取钢率在 10%~30%范围内逐渐增加，以及角钢屈服强度在 500~950MPa 范围内不断增大，该类柱的轴压承载力有所增大。
（4）针对该类柱改进提出的轴压承载力实用计算方法，可使计算结果与试验结果的偏差明显缩小。
（5）在不同工况下采用本文建议的角钢钢材牌号，可使该类柱在轴压时内置高强角钢的屈服强度得以较充分发挥。