再生混凝土短柱抗震性能試驗研究1

張亞齊 曹萬林 張建偉 尹海鵬

1）北京工業大學建筑工程學院，北京 100124

2）北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124

再生混凝土短柱抗震性能試驗研究1

張亞齊1)曹萬林1,2)張建偉1)尹海鵬1)

1）北京工業大學建筑工程學院，北京 100124

2）北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124

本文進行了4個剪跨比為1.75的再生混凝土短柱模型抗震性能對比試驗，模型按1 / 2縮尺。模型1為普通混凝土短柱，模型2為再生粗細骨料取代率均為50%的再生混凝土短柱，模型3為再生粗細骨料取代率均為100%的再生混凝土短柱，模型4為再生粗細骨料取代率均為100%且帶交叉鋼筋的再生混凝土短柱。分析了各模型的承載力、剛度及其退化過程、滯回特性、位移延性、耗能能力、破壞形態。研究表明：隨著再生骨料取代率的增加，其混凝土的彈性模量明顯減小，試件初始剛度、承載力、耗能能力明顯下降；加設交叉鋼筋的試件抗震性能顯著提高；再生混凝土柱可以在軸壓比較小的結構中應用。提出了基于再生混凝土強度折減的承載力簡化計算方法，計算結果與實測值符合較好。

再生混凝土 短柱 交叉鋼筋 試驗研究 抗震性能

引言

隨著人口的增長和城市化進程的加快，建設工程每年約消耗80億噸的天然骨料，與此同時所產生的大量建筑垃圾和廢料帶來了嚴重的環境污染（Hansen，1986；Barragi等，1990）。將再生混凝土應用于建設工程之中，既能減少天然骨料開采時的大量能耗，又能解決建筑垃圾所帶來的環境問題，這必將是今后土木工程的發展趨勢之一（邢振賢等，1998；杜婷等，2002；陸凱安，1999）。雖然國內外學者對于再生混凝土進行了大量的研究，但這些研究主要集中在再生混凝土的材料性能和再生混凝土簡單構件的基本力學性能方面，而對于再生混凝土構件和結構的抗震性能涉及甚少（Katz，2004；Andrze等，2002；Hajjar等，1998；孫躍東等，2006；肖建莊等，2005）。本文通過對4根再生混凝土短柱進行低周反復荷載試驗研究，分析了再生混凝土短柱的抗震性能。試驗結果表明，經過合理設計的再生混凝土短柱可以應用在抗震結構中。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本試驗所采用的廢棄混凝土取自北京市昌平區某廢棄的水泥廠，此廢棄混凝土經加工制成試件混凝土的再生粗骨料和再生細骨料。共設計4根再生混凝土短柱，采用1/2縮比，剪跨比均為1.75，截面形狀為正方形，截面邊長為250mm，柱的反彎點至基礎距離為438mm。試件編號分別為DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4，其中DZA-1為普通混凝土柱（再生骨料取代率0%），DZA-2和DZA-3的再生骨料取代率分別為50%和100%。前3個試件配筋完全相同，DZA-4為在DZA-3配筋基礎上設置交叉筋的短柱（過鎮海，2003；王成祥，2002）。試件的基本設計參數和配筋圖分別見表1和圖1。墻體混凝土和鋼筋材料力學性能分別見表2和表3。

表1 試件基本設計參數Table 1 Basic parameters of specimens

圖1 試件配筋圖Fig.1 Steel bar details of specimens

表2 混凝土材料力學性能Table 2 Mechanical properties of the concrete

表3 鋼筋材料力學性能Table 3 Mechanical properties of the steel bars

1.2 加載方案

本試驗采用擬靜力試驗方案，首先對柱施加豎向軸力，達到預定的設計軸壓比0.4，并在試驗過程中保持不變。在距基礎頂面438mm高度處用千斤頂施加水平的低周反復荷載。在試驗過程中首先采用荷載控制加載，當試件屈服后，采用力和位移聯合控制加載，根據試件屈服時的荷載和位移來確定以后的加載方案。采用IMP數據采集系統采集水平荷載、水平位移和鋼筋應變，人工測繪試件裂縫。試驗加載裝置見圖2。

圖2 加載裝置圖Fig.2 Sketch map of test set-up

2 試驗結果與分析

2.1 破壞特征

DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4最終破壞形態如圖3所示。試件的破壞特征具有以下特點：

（1）由于4個試件均為短柱，呈現了明顯的彎剪破壞形態。

（2）隨著再生骨料取代率的增加，試件塑性鉸域中部的混凝土脫落現象加重。

（3）帶交叉鋼筋的全再生混凝土短柱DZA-4，與全再生混凝土短柱DZA-3相比，剪切破壞明顯減輕，呈彎曲破壞為主的現象。說明交叉鋼筋的配置，對減輕再生混凝土短柱的剪切破壞、實現延性破壞機制有重要的作用。

圖3 試件最終破壞形態Fig.3 Failure mode of from the experiments

2.2 滯回曲線與骨架曲線

所有試件在低周反復荷載作用下的實測滯回曲線如圖4所示，圖中縱坐標表示水平荷載F，橫坐標表示柱頂水平位移U。

圖4 “荷載F-位移U”滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of “ load-displacement” of specimens

通過對滯回曲線的觀察，得到如下規律：

（1）DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4的滯回曲線形狀基本相同。各試件隨著再生骨料取代率的增大，滯回曲線的飽滿程度有所降低，但總體來看再生混凝土短柱仍具有良好的滯回性能。

（2）DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4在加載初期，力和位移基本呈彈性關系，卸載后試件的殘余變形很小；當試件屈服后，隨著加載循環次數的增加和水平位移的增大，滯回曲線的切線斜率明顯減小，卸載后殘余變形增大，這表明試件剛度在逐步退化。

（3）帶交叉鋼筋再生混凝土短柱DZA-4滯回環略飽滿，承載力較高，延性和耗能能力較好。

實測所得DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4的骨架曲線如圖5所示。由圖5可見，DZA-1、DZA-2、DZA-3和 DZA-4的骨架曲線形狀相似。各試件骨架曲線比較可見：普通混凝土柱DZA-1比再生混凝土柱DZA-2、DZA-3的初始剛度較大、承載力提高、延性較好；帶交叉配筋的全再生混凝土柱DZA-4比全再生混凝土柱DZA-3的初始剛度較大、承載力和延性提高。

圖5 試件骨架曲線Fig.5 Skeleton curve for specimens

2.3 特征荷載

各試件特征荷載點的實測值列于表3。

表3 特征荷載實測值Table 3 Observed results of characteristic loading

由表3可知：DZA-1、DZA-2和DZA-3的極限荷載平均值分別為229.90 kN、225.18kN和220.84 kN，而帶暗支撐短柱DZA-4的極限荷載平均值為253.82 kN；DZA-2和DZA-3的極限荷載比DZA-1分別降低了2.05%和3.94%，說明隨著再生骨料取代率的增加試件的承載力呈下降趨勢；DZA-4的極限荷載比DZA-3提高了14.9%，說明帶交叉鋼筋全再生混凝土柱的承載力比全再生混凝土柱的承載力明顯提高。

2.4 特征位移與延性

DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4的特征位移實測值列于表4。表中延性系數μU= Uu/Uy，其中Uu為試件最終位移，Uy為試件屈服位移。為了比較各試件的變形能力，表4給出了試件在不同階段的實測位移角，各位移角符號及算式列于相應表中。

由表4可知：

（1）DZA-1、DZA-2和DZA-3的位移延性系數平均值分別為3.67、3.60和3.43，說明再生混凝土短柱與普通混凝土短柱延性性能相差不多。

（2）帶交叉筋的全再生混凝土柱試件DZA-4比全再生混凝土柱試件DZA-3 的延性系數提高了23.9%，說明交叉筋的設置能顯著提高再生混凝土短柱的延性性能。

表4 特征位移實測值Table 4 Observed results of characteristic displacement

續表

2.5 剛度

實測各試件的各階段剛度及其衰減系數列于表5。表中：K = F / U，為試件抗側移剛度，其中F為水平荷載，U為與水平荷載相對應的水平位移；Ko為初始彈性剛度；Kc為明顯開裂割線剛度；Ky為明顯屈服割線剛度；βco=Kc/Ko為明顯開裂剛度與初始剛度的比值，反映試件從初始階段到明顯開裂時剛度的衰減；βyo=Ky/Ko為明顯屈服剛度與初始剛度的比值，反映試件從初始階段到明顯屈服時剛度的衰減。

表5 各試件的剛度實測值及其衰減系數Table 5 Observed results of stiffness and attenuation coefficient

實測所得各試件的剛度K隨位移角θ增大而退化的關系曲線如圖6所示。試件DZA-1、DZA-2、DZA-3的配筋相同，但它們的再生骨料取代率ρ分別為0%、50%、100%，試驗表明，隨再生骨料取代率的增加其初始剛度明顯下降，主要原因在于再生骨料取代率增大后混凝土的彈性模量明顯降低，這3個試件的彈性模量分別為3.13×104MPa、2.56×104MPa和2.35×104MPa，它們的相對彈性模量分別為1.00、0.82和0.75，3個試件的初始剛度Ko隨再生骨料取代率ρ的增大而減小的關系曲線如圖7所示。

由表5、圖6和圖7可知：

（1）DZA-1、DZA-2、DZA-3和DZA-4的剛度在加載初期退化較快；當試件的水平位移達到屈服位移時，剛度退化速度明顯變緩；后期剛度退化進一步變慢。呈現剛度衰減規律分為速降階段、次速降階段、緩降階段的特征。

（2）隨著再生骨料取代率的增加試件的初始剛度降低。其中DZA-2、DZA-3的初始剛度分別比DZA-1降低15.72%和22.94%。

（3）隨著再生骨料取代率的增加試件的開裂剛度降低。其中DZA-2、DZA-3的開裂剛度分別比DZA-1降低0.45%和3.54%。

（4）隨著再生骨料取代率的增加試件的屈服剛度降低。其中DZA-2、DZA-3的屈服剛度分別比DZA-1降低4.05%和5.51%。

試驗表明：隨著再生骨料取代率的增加，試件的初始剛度下降的比例較大，而相應的開裂剛度和屈服剛度下降的比例相對較小。以全再生混凝土試件DZA-3為例，其初始剛度下降比例為開裂剛度下降比例的6.48倍、為屈服剛度下降比例的4.16倍。其原因在于：初始階段混凝土對試件剛度的貢獻較大，而混凝土的剛度取決于其彈性模量；開裂后受拉區混凝土退出工作，受拉區鋼筋對試件剛度的貢獻比例加大，而本文不同再生骨料取代率的DZA-1、DZA-2、DZA-3試件的配筋一致。

圖6 K-θ 衰減曲線Fig.6 Stiffness atenuation curves

圖7 Ko-ρ關系曲線Fig.7 Curves of Ko-ρ relation

2.6 耗能

試件滯回曲線所包圍的面積反映了結構耗散能量的大小，每一個加卸載循環滯回環所包圍的面積大小等于結構在這一個循環中的非彈性變形耗能值，試件各滯回環面積的累加為試件總耗能的大小。在試驗中，由于每個試件的加載歷程不盡相同，本文取各試件滯回曲線外包線包圍的面積作為各試件耗能的代表值，并用此來比較各試件的相對耗能能力。實測所得各試件的耗能代表值Ep以及Ep相對值列于表6。

表6 各試件實測耗能能力Table 6 Measured energy dissipation of specimens

由表6可知：隨著再生骨料取代率的增加試件的耗能值下降，其中DZA-2、DZA-3的耗能代表值分別比DZA-1下降了2.9%、3.9%。DZA-4與DZA-1、DZA-3相比，設置交叉筋后其耗能能力分別提高了15.0%和21.0%，說明交叉筋的設置對提高再生混凝土短柱的耗能能力作用比較明顯。

3 承載力計算

本文試件的試驗結果以彎曲破壞為主，其正截面計算模型如圖8所示。相應的水平承載力計算公式如下：

圖8 試件正截面承載力計算模型Fig.8 Mechanical model of capacity of specimens

式（1）—（3）中，x為柱截面受壓區高度；fy為柱縱筋抗拉強度；As為柱邊緣縱筋受拉總面積；Aa為柱腹板處受拉縱筋總面積；frck為再生混凝土抗壓強度；N為軸力；h為柱截面高度；e0=M/N，為偏心距；as為柱邊緣受拉縱筋合力點到截面邊緣的距離；aa為柱腹板受拉縱筋合力點到截面邊緣的距離；H為模型水平加載點至基礎頂面距離；F為水平承載力；fyb為柱中鋼筋支撐抗拉、抗壓強度；Asb為柱中受拉、受壓鋼筋支撐的總面積。

式（4）中，γ為再生混凝土抗壓強度折減系數；ρ為再生骨料取代率。

上述各式，與普通混凝土柱正截面承載力計算公式類似，主要區別是公式中增加了再生混凝土抗壓強度折減系數γ，并且依據本文試驗結果提出了γ隨再生骨料取代率增加混凝土抗壓強度減小的近似確定方法：當再生骨料取代率為0%時取為1.0；當再生骨料取代率為100%時取為0.8；其它取代率可按線性插值得到。再生混凝土試件承載力計算時，對其混凝土抗壓強度折算的主要原因在于：在相同位移角下，隨著再生混凝土骨料取代率的增加，其混凝土性能退化的現象愈加明顯；再生混凝土與鋼筋錨固性能也隨著再生骨料取代率的增加而有所削弱，這是筆者已完成的不同再生骨料取代率的混凝土與鋼筋錨固性能試驗研究所得出的結論。

按上式計算所得各試件的承載力與實測值的比較列于表7。

表7 試件承載力計算值與實測值Table 7 Measured and calculated results under ultimate loads

4 結論

（1）抗壓強度相近的混凝土，隨著再生骨料取代率的增加，其混凝土的彈性模量明顯減小。本文試驗中，100%再生骨料取代率的混凝土與普通混凝土相比，其實測強度低了8.2%，彈性模量低了24.9%，其彈性模量下降是強度下降比例的3.04倍。

（2）隨著再生骨料取代率的增加，試件的初始剛度下降的比例較大，而相應的開裂剛度和屈服剛度下降的比例相對較小。以全再生混凝土試件DZA-3為例，其初始剛度下降比例為開裂剛度下降比例的6.48倍、為屈服剛度下降比例的4.16倍。

（3）隨著再生骨料取代率的增加，試件的承載力和耗能能力呈下降趨勢。

（4）加設交叉鋼筋可明顯提高再生混凝土短柱的抗震性能。

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An Experimental Study on the Seismic Behavior of Recycled Concrete Short Columns with Crossed Reinforcing Bars

Zhang Yaqi1), Cao Wanlin1,2), Zhang Jianwei1)and Yin Haipeng1)

1) The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2) Key Lab of Urban Security and Disaster Engineering, MOE, Beijing 100124, China

A comparative study is conducted on the seismic behaviors of four 1 / 2 scale RC short column models with 1.75 shear span ratios. The first model is natural concrete short column, the second is short column with 50%replacement of recycled aggregate, the third is short column with 100% replacement of recycled aggregate, and the forth is recycled concrete short column with concealed bracings. The stiffness and its degradation, load-carrying capacity, ductility, hysteretic behavior, energy dissipation and failure phenomena of each short column were analyzed. Our results show that, with the increase of replacement ratio of recycled aggregate, the elastic modulus of concrete, the initial stiffness, the load-carrying capacities, and the energy dissipation values of the specimens significantly decreased. We also found that seismic behavior may be improved by adding crossed reinforcing bars in short column, and recycled concrete can be used for multilayer seismic structure columns with low axial compression ratio. Finally, we propose a calculation method based on bearing capacity of strength-reduction, from which the calculating results are in good agreement with the experimental observation.

Recycled concrete; Short columns; Crossed reinforcing bars experimental study; Seismic behavior

北京市科技計劃重點項目（D07050601670701）

2009-12-16

張亞齊，女，生于1981年。博士研究生。主要從事工程抗震研究。E-mail: zhangyaqi@emails.bjut.edu.cn

張亞齊，曹萬林，張建偉，尹海鵬，2010. 再生混凝土短柱抗震性能試驗研究. 震災防御技術，5（1）：89—98