鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架抗震性能及損傷演變

孟二從， 余亞琳， 張 旭， 蘇益聲， 陳宗平

(1.西南大學 工程技術學院, 重慶 400715；2.廣西大學 土木建筑工程學院, 南寧 530004)

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete， RAC)是指將廢棄的混凝土塊進行破碎、篩分、清洗，將其部分或全部替代天然骨料配制而成的新型混凝土[1-2]。由于再生骨料表面附著水泥砂漿，并且在骨料破碎過程中，骨料內部會產生大量的微裂縫，因而再生骨料本身會有一定的原始損傷，從而由再生骨料配制出來的混凝土也會存在一定的性能缺陷，因而再生混凝土一般常用于非承重結構之中，這一缺陷嚴重影響了再生混凝土的進一步發展及應用[3]，如何解決和彌補這一缺陷是擺在科研工作者面前的一個熱點問題。

當混凝土處于三向受壓狀態時，其力學性能及變形能力會得到大幅度提升[4]，由此想到將再生混凝土填充于鋼管中形成鋼管再生混凝土結構，利用鋼管對再生混凝土的約束作用，從而達到改善再生混凝土力學性能的目的。目前關于鋼管再生混凝土結構的研究正處于起步階段，并且大多集中于構件層面[5-12]，總的研究表明：鋼管再生混凝土結構具有良好的力學性能，可推廣應于實際工程之中。而從結構層面的研究還相對較少，除本課題組前期完成相關100%取代率全再生鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架的探索性研究外[13-15]，還未發現其它相關研究報道。

在實際工程中，鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架結構是常見的一種組合結構形式，在相關圖集規范如文獻[16-17]中已給出了該類結構的相關構造措施及設計方法，相對而言，關于該類框架結構的研究已較為成熟。而對于鋼管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架結構，由于再生混凝土與普通混凝土力學性能上的差異，將鋼管混凝土的相關設計理論直接應用于鋼管再生混凝土中顯然是不合適的，因此有必要對鋼管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架結構進行深入研究。

與此同時，在現代建筑中，隨著建筑功能要求的不斷增多，常在某些部位形成短梁，如縱向內走廊兩側布置柱時出現的大量框架短梁、消防疏散通道、高層建筑中的轉換層等部位。短梁上剪應力與彎曲應力的比值一般較高，因而常常發生脆性的剪切破壞[18]，一旦這些部位出現損壞，就極有可能出現不可挽回的人員財產損失。與此同時，課題組及相關研究人員關于再生混凝土材料層面的研究均表明：對于受剪切破壞的試件，再生混凝土與普通混凝土的破壞機理是存在差別的，而將其拓展到結構層面，這一差別對結構的影響程度究竟如何還不清楚。為此，本文在課題組的前期研究基礎之上，設計了3榀不同取代率鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在低周反復荷載作用下的抗震性能試驗，以此來研究取代率對該類框架抗震性能及損傷演變的影響，旨在為鋼管再生混凝土結構的進一步理論研究及推廣應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

3榀框架試件編號分別記為KJ0、KJ50及KJ100，表示其再生粗骨料取代率分別為0%、50%及100%，框架梁及鋼管內的RAC設計強度等級為C40，不同取代率RAC配合比見表1。

鋼管采用Q235B的方鋼管，其壁厚為6 mm，RAC梁截面尺寸為100 mm×200 mm，凈距為1 000 mm，梁內縱筋采用HRB400，直徑14 mm的鋼筋，箍筋采用φ6@80 mm，梁柱節點采用穿筋式連接，為保證梁端傳遞彎矩及梁端鋼筋在節點處的錨固要求，防止梁端鋼筋在節點部位的錨固失效，參照文獻[17]提出的穿筋式連接節點構造形式，試件節點處鋼筋布置形式為鋼筋從一端穿越，在另一端通過角鋼與鋼管壁焊接在一起；同時，為保證“強節點弱構件”的設計要求，在內節點焊接節點板，框架的相關構造及幾何尺寸見圖1，節點詳圖見圖2。

澆筑RAC前，首先在鋼管預定位置處機械開孔，然后在鋼管底部焊接一塊250 mm×250 mm×8 mm的底板，并在距鋼管底部100～200 mm處，沿著加載方向在鋼管表面各焊接1根I10型鋼，工字鋼的長度為300 mm，隨后把綁扎好的鋼筋骨架通過孔洞穿越鋼管，在另一端與角鋼通過鋼管壁按設計要求焊接，以此來固定兩者之間的位置。框架中的混凝土分三次進行澆筑，首先在鋼管中澆筑再生混凝土(立式澆筑)，其次澆筑基座梁，基座梁采用C50的商品混凝土臥式澆筑完成，最后澆筑再生混凝土梁；本試驗中，再生混凝土均采用自落式攪拌機進行人工攪拌，先將70%的水與水泥、砂攪拌1 min，攪拌均勻后再將剩余的水及粗骨料投入攪拌2 min，隨后測其坍落度，并對每種再生混凝土預留3組標準立方體試塊。

表1 再生混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of RAC

圖1 框架構造及幾何尺寸(mm)Fig.1 Frame construction and geometrical dimensions(mm)

圖2 梁柱節點詳圖Fig.2 Details of specimen node

1.2 材料性能

再生混凝土設計強度等級為C40，按文獻[19]測得試驗時同等條件養護下0%、50%、100%取代率標準立方體試塊抗壓強度值分別為54 MPa、46 MPa及53 MPa；28d標準養護條件下0%、50%、100%取代率標準立方體試塊抗壓強度值分別為56 MPa、48 MPa及54 MPa。

表2 鋼材實測性能Tab.2 Measured mechanical behavior of steels

鋼材材性試驗按文獻[20]進行，鋼材的力學性能實測值見表2。

1.3 加載裝置及制度

試驗加載裝置如圖3所示。試件就位后，首先通過油壓千斤頂施加豎向荷載至預設值(軸壓比為0.2)，隨后通過量程為500 kN的伺服作動器來施加水平荷載，其加載制度按文獻[21]的相關規定，屈服前采用荷載控制，加載增量為10 kN，每級循環一次直至屈服；屈服后，采用位移控制，以屈服位移Δy為加載增量(Δy取6 mm)，每級位移循環3次，直至荷載下降至峰值荷載的85%左右時停止試驗。

2 試驗結果

2.1 破壞過程及特征

從試件的破壞過程及特征來看，3榀試件基本相似。在力控階段，當荷載達到±60 kN左右時，兩側梁端在距柱9～18 cm處開始出現彎曲裂縫，隨著荷載的增大，原有裂縫不斷地擴展，并不斷出現新的彎曲裂縫；當荷載達到±110 kN左右時彎曲裂縫已基本出齊，其間距在8～15 cm之間，隨著荷載的進一步增大，彎曲裂縫逐漸向斜裂縫演化，當荷載達到±140 kN左右時，梁端已出現較為明顯的斜裂縫。直至力控加載結束，橫梁以彎曲裂縫為主，框架柱未見鼓曲的現象，但實測鋼管應變已達到屈服。

在位控階段，當加載位移為±Δy時，原有的彎曲裂縫繼續擴展、延伸，并在梁端1/10～1/5跨處，形成較明顯的交叉斜裂縫；當加載位移達到±2Δy時，原有的彎曲裂縫基本不再延伸發展，此時主要以斜裂縫的產生及發展為主，斜裂縫與梁軸線的夾角在30°～70°之間，此時梁端的再生混凝土開始出現被細微壓酥的痕跡，同時澆筑混凝土時殘留在底部鋼管壁上已硬化的水泥砂漿開始剝落；當加載位移達到±3Δy時，梁保護層位置處開始形成縱向的劈裂裂縫，且斜裂縫逐漸形成主交叉裂縫，其寬度顯著擴大；當加載位移達到±4Δy時，縱筋保護層處的混凝土開始剝離脫開，同時柱底的應變片也開始脫落；當達到±5Δy時，主斜裂縫區域的保護層被掀起，柱底有較為明顯的鼓曲手感；當達到±6Δy時，鋼管柱底的鼓曲現象已較為明顯， 此時正負向荷載均已下降到峰值荷載的85%，停止加載。加載結束后試件的典型破壞形態見圖4。

與課題組前期完成的1榀100%取代率鋼管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架(梁為一般淺梁)[14]破壞形態對比可知，鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在破壞過程中，梁的破壞形態并沒有呈現出延性的彎曲破壞特征，而是呈剪切破壞特性，梁上也未形成明顯的彎曲塑性鉸。由此可知，在鋼管再生混凝土框架結構中，在形成短梁的部位，要特別注意其安全保護，以防止其在強震下的突然剪切破壞。

圖4 試件典型破壞形態Fig.4 Typical specimen failure mode

2.2 滯回曲線

圖5為試件實測滯回曲線，由圖可知，在整個加載過程中，3榀不同取代率試件的滯回曲線均未發生明顯捏縮現象，總體上均呈飽滿的梭形，表明鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架依然具有良好的抗震耗能性能，RAC的存在并沒有顯著降低框架的耗能能力。

圖5 試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 骨架曲線

試件的骨架曲線見圖6，由圖可知：不同取代率試件骨架曲線形狀較為相似，試件的受力過程基本均可劃分為3個工作階段，即彈性工作階段、彈塑性工作階段、快速破壞階段。

在彈性階段試件骨架曲線近乎重合，說明取代率對結構初始剛度影響不大。當達到峰值荷載后，曲線下降段存在著一些差別，100%取代率試件的下降幅度略大于50%取代率試件，而兩者的下降幅度要明顯大于取代率為0%的試件，這主要是因為再生骨料在破碎過程中產生了一定原始損傷，使得其內部存在著一定的細微裂縫，此外由于再生骨料表面附著有部分水泥砂漿等原因，使得其強度要小于普通天然骨料，相關RAC材料性能的試驗研究表明[2]：當RAC試件在多軸應力下發生剪切破壞時，其破壞面會出現在界面處或沿著骨料被劈開，而對于普通混凝土試件，其破壞面處的骨料均呈現粉碎性破壞；在本試驗中，框架的破壞主要從再生混凝土短梁發生剪切破壞開始，而對于不同取代率試件(50%、100%)，其破壞過程存在著一定的波動性，從而導致100%取代率試件的下降幅度略微大于50%取代率試件，但兩者的下降幅度均要明顯大于取代率為0%的試件。

與此同時，從骨架曲線上看，KJ0的正向承載能力要高于其它兩個再生混凝土試件，而其反向承載能力則要低于其它兩個再生混凝土試件，出現這一現象的原因可能與試件在受力過程中的損傷演變有關：對于普通鋼管混凝土試件KJ0，由于其使用的混凝土材料不像再生混凝土那樣存在著一定的原始損傷，從而使得其正向加載的承載能力要高于其它兩個再生混凝土試件；而當試件達到其正向承載能力之后，試件內部的累積損傷已經很大，并且當其所受荷載越大，其內部所累積的損傷也會越大，因而當達到正向峰值荷載時，試件KJ0內部的損傷程度要大于其它2個試件；同時，因試件的加載順序是先正向后反向， 從而使得KJ0在達到正向峰值荷載后的下一循環反向加載作用下，其承載能力要弱于其它2個內部損傷較小的試件，從而出現了這一現象。

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of specimens

2.4 特征點參數

表3為試件在各特征點處的實測值，其中，Py為試件屈服荷載，由等能量法確定，Pm為峰值荷載，Pu為破壞荷載(取峰值荷載下降到85%時對應的荷載值)；Δy(θy)、Δm(θm)、Δu(θu)分別為各特征點荷載對應的位移(層間位移轉角)；u為試件的位移延性系數，μ=Δu/Δy。

表3 特征點試驗結果Tab.3 Test results of characteristic points

3 抗震性能指標分析

3.1 承載能力

圖7為試件在屈服及峰值點處正負向荷載平均值。由圖可知，不同取代率試件的屈服荷載、峰值荷載均相差不大，相比于取代率為0%的試件，50%及100%試件的屈服荷載、峰值荷載波動幅度均在5%以內，說明外部鋼管可以有效約束RAC的相關性能缺陷，使得RAC與普通混凝土達到了相近的力學性能，從而使得各試件承載能力的變化不大。這與文獻[11]從構件層面的研究結論相一致，這也進一步說明了取代率對鋼管再生混凝土結構抗震承載能力的影響相對較小。由此可知：在鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架結構之中，取代率對其承載能力影響不大。

圖7 試件在屈服及峰值點處正負向荷載平均值Fig.7 Average load of specimens at yield and peak point

3.2 層間位移轉角

試件屈服時的層間位移轉角θy在1/107～1/95之間，均遠大于規定的限值(對于多、高層鋼結構與鋼筋混凝土框架結構，這一規定限值分別為1/250與1/550[22])，表明鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在彈性階段的變形能力能夠較好的滿足要求，可以保證其在正常使用階段的舒適度要求；試件破壞時的層間位移轉角θu在1/39～1/36之間，均遠大于規定限值(鋼筋混凝土框架與多、高層鋼結構均為1/50)，表明在罕遇地震下，該結構具有較強的抗倒塌能力。

3.3 延性系數

圖8為不同試件的延性系數。由圖可知，3榀試件的平均延性系數均未達到3，這主要是因為框架梁是短梁，而短梁主要發生的是剪切脆性破壞，從而導致了該結構的延性相對較差；此外，相對于KJ0，KJ50和KJ100在正負向的平均延性系數分別下降了9.70%和20%，說明在鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架中，隨著取代率的增加，其延性會逐漸變差。

圖8 試件延性系數Fig.8 Ductility coefficients of specimens

課題組前期研究成果表明，對于鋼管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架(梁為一般淺梁)，其延性系數大于3，由此可知，當鋼管再生混凝土框架結構存在再生混凝土短梁時，其延性較一般的鋼管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架會變差。

3.4 耗能性能

表4為每級循環位移下第一次循環的等效黏滯阻尼系數he[15]實測值，圖9為各級循環位移下試件的he變化情況。

由表4及圖9可知：試件的he均隨著加載位移的增大而增大，說明隨著加載位移的增加，試件的滯回環越來越飽滿，耗散的能量也越來越多，試驗結束時試件的he值均達到了0.3以上，表現出了良好的抗震耗能性能；隨著取代率增加，試件在各加載位移處的he并沒有呈現明顯變小的變化規律，甚至在4Δ后，呈現出變大的變化趨勢。由此說明，相比于普通鋼管混凝土框架，鋼管再生混凝土框架的抗震耗能性能并沒有出現明顯的削弱趨勢。

表4 各試件實測的等效黏滯阻尼系數heTab.4 Measured he at various level displacement

圖9 各級循環位移下試件的heFig.9 The he of specimens at each cyclic displacement

3.5 剛度退化

圖11為試件在加載過程中的割線剛度退化曲線，其中Kj1為試件在第j加載級第1循環時的割線剛度，其計算公式為試件在第j加載級第1循環的正負向最大荷載(+Fj1和-Fj1)的絕對值之和與相應的位移(+Δj1和-Δj1)絕對值之和的比值，即：

(1)

由圖11可知，試件的剛度退化呈現如下規律：

(1)試件的剛度退化速率均呈先快后慢的趨勢，是因為在加載初期，隨著再生混凝土梁不斷出現裂縫以及鋼管內部再生混凝土不斷開裂損傷等原因，使得試件的割線剛度快速退化；隨后，當試件屈服后，再生混凝土梁的裂縫基本出齊，柱底塑性鉸逐漸形成等原因，使得試件的剛度退化速率逐漸變緩。

圖10 各級循環位移下試件剛度退化Fig.10 Stiffness degradation at each cyclic displacement

(2)不同取代率試件的剛度退化曲線近乎重合，這主要是因為外部鋼管的存在可以有效彌補再生混凝土的相關性能缺陷，從而使得不同取代率試件的剛度退化曲線近乎重合，這與文獻[11]從構件層面的研究結論相一致，這也進一步說明了取代率對鋼管再生混凝土結構剛度退化的影響不是很大。由此可知，在鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架結構之中，取代率對其剛度退化的影響相對較少。

4 損傷演變分析

作為一種新型組合結構形式，對其在地震作用下的損傷演變進行分析是必不可少的過程，目前從結構層面對鋼管再生混凝土結構在地震作用下損傷演變的研究還近乎空白。與此同時，國內外對結構進行損傷評估的模型不止一種[23]，本文則基于Park-Ang雙參數損傷評估模型[24]對鋼管再生混凝土柱—再生混凝土短梁框架在地震作用下的損傷演變進行分析，該模型表達式為

(2)

該模型綜合考慮了累積滯回耗能和最大變形對結構或構件損傷的影響，因而應用較為廣泛。在該模型中，由于累積損傷的存在，δu必然大于δm，參考文獻[25]的研究成果，取δm=0.62δu；對于一般鋼筋混凝土結構，其耗能因子β可按式(3)進行計算：

β=(-0.447+0.073λ+0.24n0+0.314ρt)0.7ρv

(3)

式中：λ為剪跨比，n0為軸壓比，ρt為縱筋配筋率，ρv為箍筋體積配箍率，因該計算公式是基于大量鋼筋混凝土構件的試驗實測結果經回歸分析而得，因而將該公式直接應用于鋼管再生混凝土框架結構之中顯然是不合適的，故在本文中，采用對耗能因子β進行反推的計算方法，即令試件在破壞時D=1，從而反推計算得β值，按此方法，計算得KJ0、KJ50及KJ100的耗能因子β值分別為0.069 7、0.065 7及0.067 7。

將計算所得β值代入式(2)，可求出各級循環位移下試件在第3次循環時的累積損傷指標D，其結果如圖13所示。

由圖可知，隨著加載位移增加，試件累積損傷指標D表現出先慢后快的增加趨勢；在加載初期，取代率對試件損傷演變的影響不是很大，在相同位移下，不同取代率試件的損傷指標D近乎重合；但隨著加載位移的增加，試件的損傷程度隨著取代率增加而呈逐漸增大的變化趨勢，當加載位移達到5Δy時，相比于KJ0，KJ50及KJ100的損傷指標D分別增加了3.16%及10.39%。這主要是因為在加載初期，外部鋼管對RAC有著良好的約束作用，使得再生骨料的相關性能缺陷及初始損傷對結構帶來的影響沒有表現出來，但隨著加載位移的增加，RAC梁逐漸破壞，外部鋼管逐漸鼓曲，使得再生骨料的相關性能缺陷及初始損傷帶來的影響逐漸突顯出來，從而表現出隨著加載位移的增加，試件的損傷程度隨著取代率增加而呈逐漸增大的變化趨勢。

圖11 基于Park-Ang損傷模型下試件累積損傷指標DFig.11 Acumulated damage index D of specimens based on Park-Ang damage model

文獻[23]利用Park-Ang損傷評估模型從構件的層面對鋼管再生混凝土柱的損傷演變進行了分析，其研究表明，對于方鋼管再生混凝土柱，在同一加載位移下，隨著取代率的增加，試件損傷指標D呈逐漸增大的變化趨勢，這與本文從結構層面的研究結論相一致，這也進一步驗證了本文分析的準確性。由此說明，隨著加載位移的增加，方鋼管再生混凝土結構在地震作用下的損傷程度隨取代率的增加而呈逐漸增大的趨勢。

5 結 論

(1)不同取代率試件的受力過程基本均可劃分為3個工作階段，即彈性工作階段、彈塑性工作階段、快速破壞階段。

(2)相比于鋼管再生混凝土柱-再生混凝土淺梁框架，鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架試件的破壞模式并非延性的彎曲破壞，而是呈脆性的剪切破壞特性，其延性性能也要差于淺梁框架試件。

(3)試件滯回曲線呈現為飽滿的梭形，表明鋼管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架具有良好的抗震耗能性能；其在正常使用階段的變形能夠保證舒適度的要求，在罕遇地震作用下也表現出了良好的抗倒塌能力。

(4)取代率對試件破壞過程及形態、承載能力、初始彈性剛度及剛度退化影響較小，但對骨架曲線下降段、延性性能有一定影響，表現為隨著取代率的增加，試件下降段有變陡趨勢，而其延性則逐漸變差。

(5)試件剛度退化速率呈先快后慢的變化趨勢，累積損傷指標D則呈先慢后快的增加趨勢，在加載初期，取代率對試件損傷程度影響不是很大，隨著加載位移的增大，試件的損傷程度隨著取代率增加而呈逐漸變大的趨勢。