不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能試驗研究1

尹海鵬 曹萬林 張亞齊 張建偉

1）北京工業大學建筑工程學院，北京 100124

2）城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京100124

不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能試驗研究1

尹海鵬1,2)曹萬林1,2)張亞齊1)張建偉1)

1）北京工業大學建筑工程學院，北京 100124

2）城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京100124

本文對1根普通混凝土柱和4根全再生混凝土柱模型進行了低周反復荷載試驗研究，模型按1/2縮尺。在試驗基礎上，分析了其承載力、剛度及其退化過程、滯回特性、延性、耗能能力、破壞形態等。研究表明：隨著配筋率的增加，再生混凝土柱的承載力、剛度、耗能能力均有提高；同時，建立了基于再生混凝土強度折減的承載力實用計算方法，其計算結果與試驗結果符合較好。

再生混凝土 柱 配筋率 抗震性能 試驗研究

引言

隨著我國城市建設的發展，老舊建筑的拆除所產生的大量建筑垃圾和廢料帶來了嚴重的環境污染（陸凱安，1999）。在建設工程中應用再生混凝土，能夠同時解決天然骨料的消耗和建筑垃圾的污染問題（施鐘毅等，2004）?？蚣芙Y構是目前應用最普遍的結構體系之一，框架柱作為該體系中承擔水平側力的構件，必須具有可靠的抗震性能，而目前對于再生混凝土柱抗震性能的試驗研究尚少（Andrze等，2002；Katz，2004；肖建莊等，2002；沈宏波，2005；孫躍東等，2006）。

為了研究再生混凝土柱的抗震性能，本文進行了1根普通混凝土柱和4根全再生混凝土柱的低周反復荷載試驗，為再生混凝土柱的工程應用提供了試驗依據。

1 試驗設計

共設計5根1/2縮比的混凝土柱，試件編號分別為CZB-1、CZB-2、CZB-3、CZB-4、CZB-5。各柱幾何尺寸相同，截面尺寸250mm×250mm，柱的反彎點至基礎距離625mm，剪跨比均為2.5，其相對應的設計軸壓比分別為0.4、0.4、0.4、0.4、0.8。普通混凝土設計的強度等級為C30，再生混凝土設計的強度等級為RC30。CZB-1為普通混凝土柱，CZB-2、CZB-3、CZB-4、CZB-5的再生粗、細骨料取代率均為100%。CZB-1、CZB-3和CZB-5的縱筋配筋率為2.31%（12φ12），CZB-2的縱筋配筋率為1.02%（12φ8），CZB-4的配筋率為3.51%（4φ12+8φ16）。各試件除縱筋配筋率不同之外，其它配筋均相同。CZB-1、CZB-3和CZB-5的尺寸及配筋見圖1。

模型制作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。鋼筋的主要力學性能見表1。混凝土的主要力學性能見表2。

圖1 CZB-1、CZB-3、CZB-5尺寸及配筋圖Fig.1 Details of geometry and steel bars of CZB-1, CZB-3 and CZB-5

表1 鋼筋材料力學性能實測值Table 1 Experimental results of concrete mechanical properties

表2 混凝土材料力學性能實測值Table 2 Experimental results of steel bar mechanical properties

圖2 加載裝置圖Fig. 2 Experiment set-up

本試驗采用低周反復加載。水平加載前先對柱施加軸力使柱達到預定的設計軸壓比，并保持軸力穩定不變。在距基礎頂面625mm高度處用拉壓千斤頂施加低周反復水平荷載F。彈性階段采用力控制加載，彈塑性階段采用荷載和位移聯合控制加載。采用聯機數字采集系統實時記錄水平荷載、水平位移和鋼筋應變等，手工測繪試件裂縫。試驗加載裝置見圖2。

2 試驗結果與分析

2.1 滯回曲線與骨架曲線

CZB-1、CZB-2、CZB-3、CZB-4和CZB-5實測滯回曲線如圖3所示。圖中F表示水平荷載，U表示頂部加載點相對應的水平位移。

圖3 “荷載F-位移U”滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of “load F-displacement U”

由圖3可見：

（1）CZB-1、CZB-3、CZB-4和CZB-5的滯回曲線形狀基本相同。與CZB-1相比，其它試件的滯回曲線的飽滿程度有所降低，但總體來看具有良好的滯回性能。

（2）CZB-2的滯回曲線飽滿程度較差，捏攏現象明顯，滯回性能弱于其它試件。

（3）所有試件在加載初期，力和位移基本符合彈性關系，卸載后試件的殘余變形很??；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，試件剛度在逐步退化。

實測所得各試件的骨架曲線如圖4所示。由圖4可見， CZB-1、CZB-2、CZB-3、 CZB-4和CZB-5的骨架曲線形狀相似。從各試件骨架曲線的比較可見：普通混凝土柱CZB-1的初始剛度大、延性較好；隨著配筋率的增大，再生混凝土柱CZB-2、CZB-3、CZB-4的初始剛度增大、承載力提高；CZB-5的軸壓比為0.8，其初始剛度較大，承載力較高。

圖4 試件骨架曲線Fig.4 Skeleton curve for specimens

2.2 特征荷載

實測所得CZB-1、CZB-2、CZB-3、CZB-4和CZB-5各特征荷載值列于表3。

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

由表3可知：CZB-3的極限荷載比CZB-1降低了 7.09%，說明在相同軸壓比和配筋率下，再生混凝土柱的承載力比普通混凝土柱稍有降低。CZB-3、CZB-4的極限荷載比CZB-2提高了52.37%和69.42%，說明再生混凝土柱的承載力隨著配筋率的增大而提高，其提高幅度隨配筋率的增大而減??；CZB-5的極限荷載比CZB-3提高了24.79%，說明隨著軸壓比的增大，再生混凝土柱的承載力提高，這與普通混凝土柱的研究結論是一致的。

2.3 特征位移與延性

所有試件的特征位移實測值列于表4，其中：Uc為開裂位移；Uy為屈服位移；Ud為極限荷載位移；Uu為加載的最終位移。定義表中延性系數μU=Uu/Uy。為了比較各試件的變形能力，表4同時給出了試件在不同階段的實測位移角以及各位移角的符號及算式。

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

由表4可知：

（1）CZB-1和CZB-3的位移延性系數平均值分別為4.16和4.02。這說明在相同軸壓比下，再生混凝土柱與普通混凝土柱延性相近。各試件延性系數均大于3.8，說明再生混凝土柱仍具有良好的延性性能。

（2）全再生混凝土柱CZB-3和CZB-5試件，其軸壓比為0.8的試件CZB-5比軸壓比為0.4的試件CZB-3延性系數小4.23%，說明隨著軸壓比的增大，再生混凝土柱的延性有所降低，因此再生混凝土柱用于軸壓比相對小的多層結構中較為適合。

需要指出的是，由于試驗的最終荷載并沒有下降到極限荷載的85%，所以取結構位移角為1/20時的加載點水平位移為加載的最終位移Uu。CZB-2的延性系數大于其它試件，是由于其屈服位移較小所致。

2.4 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 Experimental results of stiffness and their attenuation coefficients

圖5 K-θ 關系曲線Fig.5 curves of K-θ relation

由表5和圖5可知：

（1）所有試件的剛度在加載初期退化較快；當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。剛度衰減規律呈現速降階段、次速降階段、緩降階段的特征。

（2）再生混凝土柱CZB-3的初始剛度比普通混凝土柱CZB-1降低24.92%。

（3）隨著配筋率的增加試件的初始剛度提高。其中，CZB-3、CZB-4的初始剛度分別比CZB-2提高6.56%和15.34%。

（4）隨著配筋率的增加試件的開裂剛度提高。其中，CZB-3、CZB-4的開裂剛度分別比CZB-2提高15.44%和29.80%。

（5）隨著配筋率的增加試件的屈服剛度提高。其中，CZB-3、CZB-4的屈服剛度分別比CZB-2提高22.52%和39.37%。

（6）CZB-5在加載初期剛度衰減明顯慢于其它試件，但試件屈服后剛度衰減迅速。

試驗表明，隨著配筋率的增加，再生混凝土試件的初始剛度提高的比例較小，而相應的開裂剛度和屈服剛度提高的比例相對較大。其原因在于：在加載的初期混凝土對試件剛度的貢獻較大，而本文再生混凝土柱所采用的再生混凝土相同；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。

2.5 耗能

試件在加載過程中耗散能量的大小可用滯回曲線所包圍的面積反映，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及其相對值列于表6。

由表6可知：再生混凝土柱CZB-3比普通混凝土柱CZB-1的耗能值下降了18.9%；隨著配筋率的增加再生混凝土柱的耗能代表值提高，其中，CZB-3、CZB-4的耗能代表值分別比CZB-2提高了92.18%、126.30%； CZB-5比CZB-3的耗能代表值提高了36.37%。

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

2.6 破壞特征

CZB-1、CZB-2、CZB-3、CZB-4和CZB-5的最終破壞形態如圖6。試件的破壞特征具有以下特點：

圖6 試件最終破壞形態Fig. 6 Failure mode of specimens

（1）5個試件的剪跨比一致，試驗中它們的破壞機制均為受拉區縱筋先屈服，之后受壓區混凝土壓碎。

（2）CZB-1和CZB-3的軸壓比均為0.4，配筋率為2.31%，柱根彎剪裂縫開展較大，柱根角部混凝土被壓碎剝落，縱筋呈“燈籠狀”外露，它們呈現彎曲破壞為主的形態。

（3）CZB-2的軸壓比為0.4，配筋率為1.02%，由于其配筋率比其它4個試件小，其根部只產生一條受彎水平通縫，混凝土壓碎剝落很少，CZB-2更明顯地呈現彎曲破壞為主的形態。

（4）CZB-4的軸壓比為0.4，配筋率為3.51%，由于其配筋率比其它4個試件大，柱根角部混凝土被壓碎剝落較少，柱身上受剪斜的裂縫分布較多，CZB-4呈現彎剪破壞的形態。

（5）CZB-5的軸壓比為0.8，配筋率為2.31%，由于其設計軸壓比大于其它4個試件，柱根角部混凝土被壓碎剝落嚴重，鋼筋壓屈更為明顯，CZB-5比其它試件的壓壞現象明顯。

3 承載力計算

基于本文試驗結果，當柱對稱配筋且在大偏壓破壞條件下，其水平承載力計算模型如圖7所示，相應的水平承載力計算公式如下：

試件水平承載力：

式（1）—（5）中，x為柱截面受壓區高度；b為柱截面寬度；fy、為柱縱筋抗拉、抗壓強度；As、為柱邊緣縱筋受拉、受壓總面積；Aa、為柱腹板處受拉、受壓縱筋總面積；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、受壓縱筋合力點到截面邊緣的距離；aa、為柱腹板受拉、受壓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。

式中，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。

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。

圖7 試件承載力計算模型Fig.7 Mechanical capacity model of specimens

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

由表7可知，CZB-1、CZB-2、CZB-3、CZB-4和CZB-5的極限荷載計算值和實測值的相對誤差分別為2.58%、?2.51%、3.81%、4.41%和?4.43%，符合較好。進行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；同時，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。

4 結論

（1）全再生混凝土柱與普通混凝土柱相比，其混凝土的彈性模量明顯減小，試件承載力稍有下降，初始剛度明顯降低，耗能能力下降。

（2）隨著配筋率的增加，再生混凝土試件的承載力呈增大趨勢，本文配筋率分別為2.31%和3.51%的試件與配筋率為1.02%的試件相比，其承載力分別提高了52.37%和69.42%。

（3）隨著配筋率的增加，再生混凝土試件的初始剛度提高的比例較小，而相應的開裂剛度和屈服剛度提高的比例相對較大。

（4）隨著配筋率的增加，再生混凝土試件的耗能能力提高，本文配筋率分別為2.31%和3.51%的試件與配筋率為1.02%的試件相比，其耗能值分別提高了92.18%和126.30%。

陸凱安，1999. 我國建筑垃圾的現狀與綜合利用. 施工技術，28（5）：44—45.

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Katz A., 2004. Treatments for the improvement of recycled aggregate. Journal of Materials in Civil Engineering, 16(6): 597—603.

An Experimental Study on the Seismic Behavior of Recycled Concrete Columns with Different Reinforcement Ratio

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

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 series of laboratory experiments of five 1 / 2 scale columns under cyclic loading action were performed.Among 5 columns, one is a natural concrete column and four are recycled concrete columns. Load-carrying capacity,stiffness and its deterioration process, hysteretic loop, ductility, energy dissipation and failure patterns were analyzed on the basis of the experiments. A practical method of load-carrying capacity calculation based on concrete strength reduction was proposed. Our results show that, with the increase of reinforcement ratio, load-carrying capacities, stiffness, and dissipation of the columns were improved. A practical method of load-carrying capacity calculation based on concrete strength reduction was proposed in this paper, and the calculatied results are in good agreement with experimental results.

Recycled concrete; Columns; Reinforcement ratio; Seismic behavior; Experimental study

北京市科技計劃重點項目（D07050601670701）；國家十一五科技支撐計劃課題（2008BAJ08B14）；北京市自然科學基金（8102010）；北京工業大學博士創新計劃（bcx-2009-035）

2010-02-24

尹海鵬，男，生于1980年。博士研究生。主要從事工程抗震研究。E-mail: yhp_1980@emails.bjut.edu.cn

尹海鵬，曹萬林，張亞齊，張建偉，2010. 不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能試驗研究. 震災防御技術，5（1）：99—107.