不同軸壓比再生混凝土框架柱抗震性能試驗(yàn)研究

張 靜， 周 安， 柳炳康， 陳麗華， 高斌斌

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 六安 237158；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

不同軸壓比再生混凝土框架柱抗震性能試驗(yàn)研究

張 靜1，2， 周 安1，3， 柳炳康1，3， 陳麗華1，3， 高斌斌1，3

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 六安 237158；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

文章通過對5個粗骨料取代率為100%再生混凝土框架柱低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，研究各試件的破壞形式、滯回特性、延性性能、承載能力，分析軸壓比對試件的抗震性能的影響。結(jié)果表明：在剪跨比、配箍率、混凝土強(qiáng)度都一致的條件下，隨著軸壓比的增加，試件的滯回曲線越來越扁平，耗能能力、延性及極限承載力不斷下降。再生混凝土框架柱抗震性能的變化規(guī)律與普通混凝土柱基本相似，略低于普通混凝土柱構(gòu)件，因而可以確定再生混凝土框架柱適用于低軸壓結(jié)構(gòu)。

再生混凝土；框架柱；軸壓比；抗震性能

目前，國內(nèi)外再生混凝土的研究多集中在材料層次，對再生混凝土結(jié)構(gòu)抗震的研究則剛剛起步［1］。文獻(xiàn)［2－5］進(jìn)行了再生混凝土梁－柱節(jié)點(diǎn)及框架的抗震性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：合理設(shè)計(jì)的再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的延性、耗能均滿足抗震要求［2－4］；合理設(shè)計(jì)的再生混凝土框架，其抗震性能并沒有隨再生骨料摻量的增加而明顯降低，再生混凝土用于地震區(qū)框架結(jié)構(gòu)是可行的［5］。

然而，再生混凝土要正式應(yīng)用于建筑工程的主體結(jié)構(gòu)中，還有許多空白或遠(yuǎn)不充分的研究需要填補(bǔ)。其中軸壓比的大小是影響建筑構(gòu)件在地震中破壞程度的一個重要因素。本文通過對5根粗骨料取代率為100%的再生混凝土框架柱試件，進(jìn)行了低周反復(fù)荷載作用下的受力性能試驗(yàn)，分析不同軸壓比對再生混凝土框架柱的破壞過程、破壞特征、滯回特性、耗能性能、延性和承載力計(jì)算等抗震性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)制作5根粗骨料取代率100%的再生混凝土框架柱［6］，試件高度均為850mm，箍筋形式均為8＠100，采用低周反復(fù)加載方法，研究不同軸壓比對再生混凝土柱的抗震性能的影響，試件的試驗(yàn)參數(shù)見表1所列，配筋構(gòu)造如圖1所示。

表1 試件試驗(yàn)參數(shù)

圖1 試件尺寸及配筋圖

1.2 材料的力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能如下：強(qiáng)度等級RC30，再生粗骨料取代率為100%，平均fcu為35MPa，平均為24MPa；鋼筋的材料力學(xué)性能見表2所列?；炷翗?gòu)件由于制作的原因，軸心抗壓強(qiáng)度值均有差異，但差別不大，故取試驗(yàn)平均值進(jìn)行研究。

表2 鋼筋材料力學(xué)性能 MPa

1.3 試驗(yàn)裝置和加載制度

試驗(yàn)裝置如圖2所示。反復(fù)荷載采用荷載－位移混合控制加載制度［7］，試件屈服前采用荷載控制分級加載，每級循環(huán)1次，試體屈服后采用位移控制，位移值取屈服時試體的最大位移值并以該位移值的倍數(shù)為級差控制加載，每級循環(huán)3次，直至試件的承載力下降到極限承載力的85%為止。

圖2 試驗(yàn)加載裝置簡圖

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

（1）鋼筋采用預(yù)先埋設(shè)的應(yīng)變片量測應(yīng)變情況，縱筋和箍筋布置在離基座100mm高度處，其中縱筋每根布置1個，在一道箍筋上布置2個。

（2）在柱底兩側(cè)高度為100mm左右分別布置2個混凝土應(yīng)變片，測量混泥土的應(yīng)變。

（3）在柱底側(cè)面和反面分別布置位移計(jì)，測量柱底位移。

具體鋼筋應(yīng)變片布置如圖3所示?；炷亮芽p由人工進(jìn)行觀察，并拍照記錄。

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過程及破壞特征

試件的裂縫開展情況與破壞形式分別如圖4、圖5所示。各試件的破壞特征具有以下特點(diǎn)。

（1）力控制階段。柱正面出現(xiàn)彎曲水平裂縫，逐漸貫通；柱側(cè)面出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)斜裂縫不斷延伸時伴隨柱腳混凝土脫落，縱向鋼筋屈服，即轉(zhuǎn)為位移控制。

（2）位移控制階段。柱身混凝土保護(hù)層大面積剝落，鄰近破壞時，能夠聽到柱身內(nèi)發(fā)出呲呲聲，此時受壓區(qū)混凝土被壓碎、箍筋外露嚴(yán)重，承載力下降到極限承載力的85%試件最終破壞。

軸壓比較大的試件斜裂縫較明顯。隨著軸壓比的增加，混凝土保護(hù)層剝落的高度增加，試件裂縫開展較少。達(dá)極限荷載后軸壓比較大試件承載力下降迅速。同時，柱根角部混凝土被壓碎剝落，縱筋外露嚴(yán)重，它們呈現(xiàn)彎曲破壞為主的形態(tài)。

圖4 各試件側(cè)面裂縫開展云圖

圖5 試件最終破壞形式

KZRC5破壞形式為小偏壓破壞。施加往復(fù)水平力為－80kN時，柱身混凝土突然壓崩，承載力下降迅速，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)果表明反復(fù)荷載作用下，高軸壓比再生混凝土框架柱的破壞較嚴(yán)重，因此抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格控制構(gòu)件的軸壓比。

2.2 滯回曲線

滯回曲線是構(gòu)件在力循環(huán)往復(fù)作用下的荷載－位移曲線，滯回曲線的形狀是反映結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)。同時滯回環(huán)曲線所包圍的面積反映了結(jié)構(gòu)耗能的大小，滯回環(huán)越豐滿，包圍的面積越大反映地震耗散能力強(qiáng)，構(gòu)件的延性好；滯回環(huán)越扁平，包圍的面積越小反映地震的耗散能力差，延性差［8］。荷載－位移滯回曲線如圖6所示。

普通混凝土柱在低軸壓比情況下，滯回環(huán)骨架曲線的下降段比較平緩，框架柱承受變形的能力較大，而承載力降低不明顯。在高軸壓比情況下，滯回環(huán)骨架曲線的下降段較陡，滯回曲線的豐滿程度較差［9－10］。觀察各試件滯回曲線所呈現(xiàn)的情況，可得出以下結(jié)論：

（1）低軸壓比時曲線形狀稍顯飽滿，延性相對較大；隨著軸壓比的增大，構(gòu)件的滯回曲線有捏攏現(xiàn)象，延性降低，但幅度不明顯。

（2）各試件隨著軸壓比的增大極限承載力有所降低。達(dá)到極限承載力之后，高軸壓比再生混凝土柱的承載力降低較快。

（3）從圖6中還可以觀察出，各試件滯回曲線在正反（正負(fù)）2個方向加載的圖形并不對稱。當(dāng)施加的反復(fù)荷載值不大時，一個方向作用水平荷載時對應(yīng)一側(cè)混凝土出現(xiàn)彎曲裂縫，當(dāng)在反方向作用水平荷載時，前期出現(xiàn)的裂縫能夠完全閉合或基本閉合。后期，當(dāng)施加的水平荷載較大時，導(dǎo)致前期混凝土裂縫不能完全閉合，滯回曲線出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)論與普通混凝土柱構(gòu)件基本相同，且類似軸壓比下再生混凝土柱的滯回曲線降低較普通鋼筋混凝土柱捏攏嚴(yán)重，但仍能足夠滿足變形性能的要求。

圖6 各試件滯回曲線

2.3 骨架曲線

取荷載－位移曲線各級循環(huán)峰值連接起來的包絡(luò)線作為試件的骨架曲線，各骨架曲線分別如圖7所示。

圖7 骨架曲線

對各試件骨架曲線進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）各試件骨架曲線相似，均有明顯的彈性段、強(qiáng)化段和強(qiáng)度退化段。

（2）試件承載力隨著軸壓比的增大，呈下降趨勢，到達(dá)荷載峰值后，隨著柱身保護(hù)層的不斷脫落，鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力下降，導(dǎo)致試件承載力下降較快。

2.4 延性性能

各試件荷載特征值記錄見表3所列。

觀察表3中各試件的荷載特征值，其中，極限位移為極限荷載對應(yīng)的位移值，破壞荷載為承載力下降至極限荷載值的85%所對應(yīng)的荷載，位移為最大位移。隨著軸壓力的增加，試件的平均屈服荷載升高而極限荷載在下降?？傮w來看，軸壓比在一定范圍內(nèi)，構(gòu)件承載力較高；當(dāng)軸壓比超過了一定的限制，承載力較低。

各試件的位移特征值記錄見表4所列。

表4中延性系數(shù)μ＝uu／uy，其中，uu為試件破壞時所對應(yīng)的最大位移，且為正反方向的平均值；uy為試件屈服荷載所對應(yīng)位移平均值。實(shí)測最大轉(zhuǎn)角為uu／h。

各試件延性系數(shù)較接近，KZRC3比KZRC1位移延性降低4.5%；KZRC4比KZRC3延性系數(shù)降低2.4%。這說明在相同剪跨比、相同配箍率下，軸壓比越小的構(gòu)件塑性越好，這與普通混凝土表現(xiàn)的性能一致。

再生混凝土框架柱試件最大轉(zhuǎn)角隨著軸壓力的增大而降低，根據(jù)各試件延性與位移轉(zhuǎn)角的比較，軸壓比較小的試件表現(xiàn)較好的變形能力。

表3 荷載特征值kN

表4 位移特征值mm

2.5 軸壓比對耗能的影響

耗能能力是衡量構(gòu)件抗震性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。把試件所有的力－位移峰值滯回曲線所包圍的面積相加，就是結(jié)構(gòu)的總耗能情況。軸壓比與試件總耗能的關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同軸壓比柱總耗能曲線

KZRC1試件的總耗能為25 639kN·mm，KZRC3試件的結(jié)構(gòu)總耗能為19 691kN·mm，KZRC3比KZRC1的總耗能值下降了23.2%?？梢姡S著軸壓比的增加，再生混凝土框架柱的耗能性能越來越差，抗震性能也越來越差。

3 結(jié) 論

（1）由于軸壓比的不同，各試件的延性和承載力及耗能情況也有所不同。低軸壓比試件具有較好的延性及較高的承載力，高軸壓比的試件延性及耗能情況均較低。

（2）由于構(gòu)件制作的不對稱性，滯回曲線有一定的不對稱性；正反向的承載力、破壞形態(tài)、延性等也有所不同。

（3）再生鋼筋混凝土框架柱與普通混凝土框架柱在不同軸壓下的抗震性能變化一致，可按現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范限制再生混凝土框架柱的軸壓比。經(jīng)合理設(shè)計(jì)的再生混凝土框架柱可用于框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震。

［1］肖建莊.再生混凝土［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：147－152.

［2］O’Mahony M M.An analysis of the shear strength of recycled aggregates［J］.Journal of Materials and Structures，1997，30：599－606.

［3］Corinaldesi V.Recycled aggregate concrete under cyclic loading［C］／／Proceedings of the International Symposium on Role of Concrete in Sustainable Development，2003：509－518.

［4］肖建莊，朱曉暉.再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（4）：436－440.

［5］孫躍東，周德源，肖建莊，等.不同軸力下再生混凝土框架抗震性能的試驗(yàn)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（8）：1013－1018.

［6］胡 波，柳炳康，張李黎.再生混凝土氯離子滲透性能測試與分析 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（8）：1240－1243.

［7］JGJ 101－96，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.

［8］肖建莊，李 杰.鋼筋混凝土框架柱軸壓比限值問題研究［J］.世界地震工程，1998，14（4）：17－22.

［9］郭子雄，呂西林.高軸壓比框架柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999，20（3）：258－263.

［10］張國軍，呂西林，劉伯權(quán).鋼筋混凝土框架柱在軸壓比超限時抗震 性 能 的 研 究 ［J］.土 木 工 程 學(xué) 報(bào)，2006，39（3）：47－54.

Experimental study of seismic behavior of recycled concrete frame columns with different axial compression ratios

ZHANG Jing1，2， ZHOU An1，3， LIU Bing－kang1，3， CHEN Li－h(huán)ua1，3， GAO Bin－bin1，3

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Dept.of Architectural Engineering，Lu’an Vocational and Technical College，Lu’an 237158，China；3.Key Lab of Civil Structure and Material of Anhui Province，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Based on the experimental study of five concrete frame columns with 100%replacement ratio of recycled coarse aggregates under the low cyclic loading test，the failure shapes，hysteretic characteristics，ductility factors，load carrying capacity and the relative effects from the variation of axial compression ratios on the seismic behavior of the columns were discussed separately.The testing results indicated that the hysteretic curves became flat step by step and the energy dissipation capacity，ductility and ultimate bearing capacity gradually dropped down with the increase of axial compression ratios at the specified condition of the same shear span，stirrup reinforcement ratio and concrete strength.Basically，the seismic behavior of recycled concrete frame columns are similar to or a little worse than those of the normal reinforced concrete columns，indicating that the recycled concrete can be applied to the concrete columns structures with special low axial compression ratio.

recycled concrete；frame column；axial compression ratio；seismic behavior

TU375.4

A

1003－5060（2012）04－0503－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.017

2011－06－22；

2012－02－22

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（090414163）

張 靜（1979－），女，安徽六安人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生，六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師；

周 安（1964－），男，安徽六安人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師；

柳炳康（1952－），男，安徽鳳陽人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張淑艷）