再生混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究

王曉菡， 柳炳康， 胡 波， 吳 童

（合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122）

再生混凝土是將廢棄混凝土塊體經過回收、破碎、篩分后，按一定的比例與級配混合形成再生骨料，它可部分或全部代替天然骨料配制混凝土［1］。再生混凝土循環利用，既能解決開山采石對天然生態環境造成的破壞，又能減少城市廢棄物的填埋占地和環境污染問題［2］，可發揮巨大的經濟和社會效益，符合人類的可持續發展需求，具有廣闊的應用前景。

以往對再生混凝土的研究大多為建筑物或道路的基礎墊層等非結構件中［3］，為了探討再生混凝土技術推廣應用于抗震設防地區承重結構的可行性，需要開展再生混凝土梁、柱、節點等基本構件抗震性能試驗研究。本文通過2榀再生混凝土框架邊節點試件擬靜力試驗研究，了解節點的受力狀態和破壞過程，分析縱筋和箍筋應力、應變分布以及延性、耗能能力等。基于ABAQUS軟件建立節點有限元分析模型，并將2榀試件的混凝土以及鋼筋數值計算結果與試驗實測結果進行比較。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文研究對象是再生混凝土框架邊節點，再生骨料取代率均為100%，試件根據文獻［4］進行設計。試驗主要變化參數為節點核心區配箍率、梁端縱筋配筋率和試驗軸壓比。本次試驗共制作2榀試件，試件SEJ－1設計為節點核心區剪切破壞，梁端配筋較強，節點配筋薄弱，梁端配有322受力縱筋，核心區只配有16箍筋，用以了解節點核心區破壞模式和承載能力。試件SEJ－2設計為梁端彎曲破壞，梁端配筋較弱，節點配筋較強，梁端配有316受力縱筋，核心區配有36箍筋，用以了解梁端承載能力和延性指標。試件編號、試件尺寸及配筋，如圖1所示。

圖1 試件尺寸及配筋圖

1.2 材料性能與試驗裝置

利用正交試驗對再生骨料混凝土配合比進行設計，混凝土配合比按水泥、黃沙、再生骨料、水取1∶0.917∶1.95∶0.42。試件同批次澆筑再生混凝土，制作6個150mm×150mm×150mm立方體試塊，混凝土試塊實測抗壓強度平均值為36.5MPa，抗壓強度標準值為35.3MPa，抗拉強度標準值為2.43MPa。鋼筋實測力學性能見表1所列。試驗設計為固定柱的上下端，梁端通過MTS電液壓伺服作動器加載。首先通過液壓千斤頂對柱上端施加穩定的豎向軸力，然后在梁端施加低周反復荷載。試件SEJ－1柱的軸壓比為0.2；SEJ－2軸壓比為0。

試驗的加載裝置如圖2所示。

表1 實測鋼筋力學性能 MPa

圖2 試驗加載裝置

1.3 加載方案

根據文獻［5］，采用擬靜力試驗方案，在梁端施加上下反復荷載。采用荷載和位移雙控制方法，具體過程如下：試件屈服以前按照荷載值控制加載，首次加載為預估屈服荷載的20%，之后每級遞增預估屈服荷載的10%，每級荷載循環1次。如果發現受拉縱向鋼筋應變達到或超過屈服應變，即停止加載，并記錄相應的屈服位移和屈服荷載。試件屈服后加載改為位移控制階段，位移加載循環按照5mm遞增，每個循環重復3次進入下一個循環，直到試件破壞終止。

1.4 量測內容及量測設備

梁端反復荷載是通過MTS作動器施加的，實驗過程中所施加的荷載及對應的位移值由計算機及伺服控制系統同步自動記錄。在試件梁柱端部縱筋和核心區箍筋上分別粘貼電阻應變片，用以量測鋼筋應變。試件節點核心區采用混凝土應變花量測混凝土最大主應變，并在試件節點核心區的另一側面對角線方向布置位移計，用以量測核心區剪切變形。利用靠近節點的梁端上下設置的位移計測量梁端塑性鉸區域的轉角。實驗過程觀察梁端和節點核心區混凝土開裂、裂縫寬度與分布。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

試件SEJ－1呈節點核心區剪切破壞，再生混凝土試件從加載到破壞節點核心區經歷了彈性階段、開裂階段、通裂階段和破壞階段［6］，通裂時試件節點核心區的裂縫分布形態如圖3a所示。初裂荷載約為極限荷載的50%，裂縫寬度很小，卸載后裂縫閉合。隨著反復荷載的施加，裂縫寬度加大，裂縫數量增多，通裂荷載約為極限荷載的80%，核心區裂縫寬度達到0.5mm左右，混凝土保護層起殼并脫落，核心區箍筋屈服。繼續加載，核心區混凝土大塊脫落，承載能力下降為極限荷載的70%左右，試驗結束。

圖3 試件破壞時裂縫形態圖

試件SEJ－2呈梁端彎曲破壞，初裂荷載約為極限荷載的40%，初始裂縫出現在梁端，寬度約為0.1mm，當裂縫寬度增大到0.6mm左右時梁端縱筋屈服，屈服荷載約為極限荷載的80%，此時核心區出現微裂縫，梁端破壞形態如圖3b所示。繼續施加反復荷載，梁端到達極限狀態，受壓區混凝土剝落，承載能力下降到極限荷載的60%左右，試驗結束。

2.2 鋼筋應變滯回曲線

試件SEJ－1梁端上、下部的縱筋在反復荷載作用下鋼筋荷載－應變滯回曲線如圖4a、圖4b所示。從圖中可以看出，加載至縱筋屈服前，鋼筋應變隨荷載正負交替呈直線變化，鋼筋受拉應變明顯大于受壓應變，這是因為梁端混凝土開裂后，受拉區縱筋應力可以充分發揮，而受壓區縱筋受到混凝土壓應變限制應力較小。加載至最大荷載120kN時，節點核心區達到極限狀態，此時拉區鋼筋應變達到2500×10－6，縱筋屈服。繼續加載位移增加，承載力明顯下降，鋼筋應力隨之下降。梁端卸載為0時，鋼筋應變不能恢復為0，這是由于卸載后梁端位移不能完全恢復，鋼筋仍存在殘余拉壓力。

圖4c所示為SEJ－1核心區箍筋的荷載－應變滯回曲線，由圖可知，荷載循環初期節點尚未開裂，節點剪力主要由核心區混凝土承擔，箍筋應力很小。加載至核心區出現通長裂縫，與裂縫相交的箍筋應變達1520×10－6，箍筋達屈服應力。隨加載循環的增加，梁端卸載為0時，箍筋應變不能回到0點，說明箍筋為約束節點核芯區混凝土的橫向膨脹產生了拉力［7］。

圖4 試件SEJ－1鋼筋荷載－應變滯回曲線

試件SEJ－2梁端上、下部的縱筋在反復荷載作用下鋼筋荷載－應變滯回曲線如圖5a、圖5b所示。從圖中可以看出，加載至最大荷載60kN時，梁上部受拉區縱筋應變達到4000×10－6左右，鋼筋屈服應變片損壞。梁下部受拉區縱筋應變達到2800×10－6時，鋼筋屈服應變突增至4000×10－6，隨著加載數值變化，鋼筋應變穩定在4000×10－6左右，說明縱筋屈服后殘余應變無法恢復。

圖5c所示為SEJ－2核心區箍筋的荷載－應變滯回曲線，由圖可知，在加載初期節點核心區處于彈性階段，核心區剪力主要由混凝土承擔，箍筋應力幾乎為0。隨著荷載的增大箍筋應變逐漸增大。加載至最大荷載60kN時，箍筋的最大應變沒有超過1600×10－6，說明箍筋沒有屈服，這一現象與試驗觀測到的宏觀裂縫發展形態吻合。梁端卸載為0時，箍筋應變不能回到0點，說明節點核芯區混凝土也存在橫向膨脹，導致箍筋產生了拉力。

圖5 試件SEJ－2鋼筋荷載－應變滯回曲線

3 有限元數值模擬

采用ABAQUS軟件建立了節點有限元模型，再生混凝土采用20節點六面體2次完全積分單元，鋼筋采用T3D2單元，通過在主體單元中定義嵌入單元的方式來模擬鋼筋和混凝土之間的黏結關系［8］。

根據實驗加載實際狀況，在柱上、下端施加3個方向的位移約束和3個方向的轉動約束，在梁上設置剛性墊塊，在剛性墊塊上施加正反兩向荷載與位移，采用正向單調加載和反向單調加載的方法近似模擬試件的受力狀況。

試件SEJ－1混凝土的Mises應力圖如圖6a、圖6b所示，從中可以看出，核心區混凝土最大主應力已經達到混凝土抗拉強度，與試驗過程中節點核心區混凝土開裂現象一致。試件SEJ－1鋼筋的Mises應力圖如圖6c、圖6d所示，從中可以看出，核心區僅有的1根箍筋最大應力已經達到屈服強度，梁端縱筋尚未完全屈服，說明構件率先發生核心區剪切破壞。

試件SEJ－2中混凝土的 Mises應力圖如圖7a、圖7b所示，從中可以看出，梁上、下兩端壓區混凝土的最大應力都已達到或大于混凝土極限壓應力，說明壓區混凝土已被壓碎破壞。試件SEJ－2鋼筋的Mises應力圖如圖7c、圖7d所示，從中可以看出，核心區設置的3根箍筋的最大應力未達到屈服強度，梁端縱筋出現超過屈服強度的最大拉應力，說明構件率先發生梁端彎曲破壞。

圖6 試件SEJ－1混凝土和鋼筋Mises應力分布

圖7 試件SEJ－2再生混凝土和鋼筋Mises應力分析結果

上述2榀試件的有限元數值模擬較好地反映了試件實際破壞情況，混凝土及鋼筋應力應變分布與實際情況吻合較好。采用ABAQUS軟件計算了梁端極限荷載，見表2所列。從表2的對比結果可以看出，計算極限荷載與試驗值吻合較好，相差僅在1.3%～10.3%之間。

表2 試件梁端極限荷載試驗實測值與理論計算值的比較

4 結 論

（1）通過2榀再生混凝土框架邊節點試件在低周反復荷載作用下的試驗，了解了再生混凝土框架邊節點核心區剪切破壞和梁端彎曲破壞形態，節點核心區破壞可以分為初裂、通裂、極限、破壞4個階段，與普通混凝土節點核心區破壞形態基本相同，但是破壞時核心區混凝土表現出較明顯脆裂特征。

（2）試件梁端上、下部的縱筋在反復荷載作用下，鋼筋應變隨荷載正負交替呈直線變化，鋼筋受拉應變明顯大于受壓應變，這是因為受壓區縱筋受到混凝土壓應變限制應力不能充分發揮。加載至極限荷載后，梁端卸載為0時，梁端位移不能完全恢復，鋼筋仍存在殘余拉壓力。

（3）循環加載初期節點核心區處于彈性階段，節點剪力主要由核心區混凝土承擔，箍筋應力很小。加載至核心區出現通長裂縫，與裂縫相交的箍筋達屈服應力。隨加載循環的增加，梁端卸載為0時，核心區箍筋應變不能回到0點，說明節點核芯區混凝土存在橫向膨脹，導致箍筋產生了拉力。

（4）采用ABAQUS軟件建立了節點有限元模型，采用正向單調加載和反向單調加載的方法近似模擬試件的受力狀況。2榀試件的混凝土以及鋼筋應力數值計算結果與試驗實測結果吻合較好，梁端極限荷載計算值與試驗值相差僅在1.3%～10.3%之間。

［1］孫躍東，肖建莊.再生混凝土骨料［J］.混凝土，2004（6）：33－36.

［2］肖建莊，李佳彬，蘭 陽.再生混凝土技術最新研究進展與評述［J］.混凝土，2003（10）：17－20.

［3］肖建莊，杜 睿，王長青，等.災后重建再生混凝土框架結構抗震性能和設計研究［J］.四川大學學報：工程科學版，2009，41（Z1）：1－6.

［4］GB 50010－2010，混凝土結構設計規范［S］.

［5］JG J101－96，建筑抗震試驗方法規程［S］.

［6］唐九如.鋼筋混凝土框架節點抗震［M］.南京：東南大學出版社，1989：80－98.

［7］柳炳康，黃慎江，周 安，等.鋼筋混凝土框架梁柱偏心節點抗震性能的試驗研究［J］.建筑結構學報，1999，20（5）：50－58.

［8］莊 茁，張 帆，芩 松，等.ABAQUS非線性有限元分析與實例［M］.北京：科學出版社，2005.