反復(fù)荷載下CRC梁柱節(jié)點(diǎn)縱筋黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

楚留聲，王啟源，王帥起，程站起，王起帆

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401331)

0 引言

由于車輛數(shù)量不斷增多，隨之產(chǎn)生的報(bào)廢輪胎及其處理對(duì)全球環(huán)境的影響越來越大。垃圾填埋場(chǎng)中的廢舊輪胎不僅占用空間、易引起火災(zāi)，而且由于其不可降解的特點(diǎn)，會(huì)進(jìn)一步污染土壤。在建筑材料中將廢料再利用已成為減少環(huán)境污染、同時(shí)生產(chǎn)具有相似甚至更好性能的新型可持續(xù)材料的全球趨勢(shì)。橡膠混凝土(CRC)是將廢舊輪胎切碎或磨碎成顆粒，然后引入混凝土混合物中以代替天然細(xì)骨料而形成的材料[1-2]，具有優(yōu)異的性能，如更好的延性和韌性，更輕的重量，更高的抗裂性、耐磨性和抗凍性等[3]。由于這些特點(diǎn)，橡膠混凝土在公路[4]、路堤[5]、輕質(zhì)保溫填充材料[6]、路邊隔墻[7]等方面均有廣泛的應(yīng)用。

橡膠混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)將橡膠混凝土應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)中，其延性及耗能能力等性能均得以提升[8]。良好的黏結(jié)錨固性能是確保橡膠混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)中的鋼筋能與橡膠混凝土共同工作的前提，也是保證節(jié)點(diǎn)抗震性能的關(guān)鍵因素。目前，大多數(shù)學(xué)者是通過拉拔試驗(yàn)來研究鋼筋與橡膠混凝土間的黏結(jié)錨固性能。文鵬[9]、薛剛等[10]均是通過中心拉拔試驗(yàn)分別研究了凍融循環(huán)次數(shù)以及橡膠顆粒的摻量、粒徑，鋼筋直徑、外形等對(duì)橡膠混凝土黏結(jié)錨固性能的影響。但在地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)處于反復(fù)受力狀態(tài)，橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)的縱筋黏結(jié)性能無法通過拉拔試驗(yàn)準(zhǔn)確反映。因此，有必要對(duì)地震作用下橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)的縱筋黏結(jié)性能進(jìn)行深入研究。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)制作4個(gè)足尺梁柱中節(jié)點(diǎn)試件，通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，探討以下兩個(gè)方面問題：其一，相同軸壓比下添加橡膠集料對(duì)節(jié)點(diǎn)梁內(nèi)縱筋黏結(jié)性能的影響；其二，不同軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)梁內(nèi)縱筋黏結(jié)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

4個(gè)試件中，1個(gè)為普通混凝土試件，3個(gè)為橡膠取代率相同的橡膠混凝土試件，設(shè)計(jì)依據(jù)為GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，遵循強(qiáng)柱弱梁、弱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則。各個(gè)試件尺寸和配筋相同，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35。對(duì)于橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)試件，每立方米混凝土中加入粒徑1～3 mm的橡膠集料40 kg替代細(xì)集料，橡膠取代率為15%，此為目前最優(yōu)的取代率[13-14]。根據(jù)規(guī)范[12]，抗震等級(jí)為二級(jí)時(shí)，柱軸壓比限值為0.75，因此本文分別取值0.59、0.37和0.15來研究高、中、低軸壓比下，橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)縱筋黏結(jié)性能的變化規(guī)律。各試件的尺寸、配筋等基本參數(shù)見圖1和表1。

表1 試件基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of specimens

圖1 試件尺寸及配筋詳圖(mm)Figure 1 Size and reinforcement details of specimens(mm)

1.2 材料性能

在澆筑試件的同時(shí)，預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在和試件同等的條件下分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，并測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。分別對(duì)預(yù)留的不同直徑鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到了其屈服強(qiáng)度fy、極限強(qiáng)度fu和彈性模量E等材性數(shù)據(jù)，如表3所示。

表2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of concrete mechanical properties

表3 鋼筋材料性能Table 3 Material properties of reinforcing steel bars

1.3 加載裝置及制度

本文采用擬靜力加載方式，在試件的柱頂通過千斤頂提供豎向軸壓力來控制軸壓比，梁兩端由MTS作動(dòng)器提供低周反復(fù)荷載，加載裝置如圖2所示。采取荷載與位移混合控制的加載制度：試件未屈服時(shí)，以荷載控制逐級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)1次；試件屈服之后，以位移控制逐級(jí)加載，取梁端屈服位移為初級(jí)位移，每級(jí)循環(huán)3次，加載至試件破壞即停止試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)加載裝置圖Figure 2 Diagram of test loading device

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

為了更全面地分析貫穿節(jié)點(diǎn)核心區(qū)縱筋與橡膠混凝土的黏結(jié)性能，選取梁上下2根貫穿核心區(qū)的縱筋，在柱側(cè)梁端處預(yù)先黏結(jié)應(yīng)變片(BX120-3AA型)，全程記錄其應(yīng)變值。縱筋應(yīng)變片的預(yù)埋位置及代號(hào)如圖3所示。其中，應(yīng)變片S1、S2對(duì)應(yīng)梁上方縱筋，S3、S4對(duì)應(yīng)梁下方縱筋。

圖3 縱筋應(yīng)變片位置及代號(hào)Figure 3 Position and number of the longitudinal reinforcement strain gauges

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在低周反復(fù)荷載下，4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的破壞模式均為核心區(qū)的剪切破壞。與普通混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)相似，橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)破壞過程包括初裂、屈服、極限和破壞4個(gè)階段，不同材料的節(jié)點(diǎn)破壞過程如圖4～5所示。試件BCJ-3及BCJ-4的各階段破壞形態(tài)與試件BCJ-2非常接近。在該過程中，柱兩側(cè)梁端截面的破壞形式為彎曲破壞，受拉區(qū)縱向鋼筋屈服。

圖4 試件BCJ-1破壞過程Figure 4 Destruction process of specimen BCJ-1

圖5 試件BCJ-2破壞過程Figure 5 Destruction process of specimen BCJ-2

2.2 荷載-位移滯回曲線

通過試驗(yàn)得到各試件在反復(fù)荷載下的荷載-位移滯回曲線，如圖6所示。其中，初裂階段的各試件滯回環(huán)如圖7所示。

圖7 初裂階段滯回環(huán)對(duì)比Figure 7 Comparison of hysteresis loops in initial fracture stage

從圖6～7看出，對(duì)比試件BCJ-1與BCJ-2滯回曲線，滯回環(huán)大致相同，而節(jié)點(diǎn)的殘余變形與鋼筋黏結(jié)性能有較大關(guān)系，由此也可初步判斷鋼筋與橡膠混凝土間的黏結(jié)性能和普通混凝土相比大致相當(dāng)。軸壓比不同的情況下，隨著軸壓比的增大，同一階段滯回環(huán)所圍成的面積逐漸增大，且軸壓比越大，第一條裂縫出現(xiàn)的時(shí)間越晚，因此軸壓比增大會(huì)抑制裂縫的發(fā)展，從而保證混凝土的完整性及混凝土與鋼筋黏結(jié)的可靠性，提高黏結(jié)性能。

2.3 縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力滯回曲線

梁柱節(jié)點(diǎn)試件在反復(fù)荷載下，核心區(qū)梁中縱筋一端受拉，而另一端受壓，拉壓轉(zhuǎn)換就是依靠縱筋的黏結(jié)力來實(shí)現(xiàn)的[15]，即可通過鋼筋的應(yīng)力變化率來反映鋼筋與混凝土黏結(jié)力的大小。測(cè)量整個(gè)加載過程中柱側(cè)梁端貫穿節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的縱筋應(yīng)力變化情況，通過同一根縱向鋼筋柱兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變差計(jì)算該區(qū)間內(nèi)縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力，由式(1)分別可得4個(gè)試件的平均黏結(jié)應(yīng)力τ：

(1)

式中：Es為縱筋彈性模量，MPa；ε1、ε2為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值；d為縱筋直徑，mm；l為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離，mm。

各試件荷載-縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力滯回曲線如圖8所示。由圖8可知，在前期加載階段，平均黏結(jié)應(yīng)力與荷載呈現(xiàn)線性增長關(guān)系。加載至屈服階段，平均黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值，試件出現(xiàn)塑性變形，受壓區(qū)縱筋產(chǎn)生拉應(yīng)力，鋼筋附近混凝土損傷，黏結(jié)作用逐漸被破壞，開始相對(duì)滑移，也因此，部分正反荷載下的縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象；黏結(jié)應(yīng)力雖開始退化，但整體黏結(jié)性能仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入極限階段，梁內(nèi)縱筋的黏結(jié)滑移較為明顯，平均黏結(jié)應(yīng)力隨之快速退化，曲線越來越貼近橫軸。綜合考慮各試件曲線斜率的大小及變化程度、后期曲線向橫軸靠攏的程度等方面，可以認(rèn)為添加橡膠會(huì)降低黏結(jié)性能，增大軸壓比可提高黏結(jié)性能。

圖8 荷載-縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力滯回曲線Figure 8 Hysteresis curve of load-average bond stress of longitudinal bars

2.4 縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力

當(dāng)貫穿節(jié)點(diǎn)的縱筋屈服時(shí)，可由式(2)計(jì)算其設(shè)計(jì)黏結(jié)應(yīng)力τc：

(2)

式中：fy為縱筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度，MPa；d為縱筋直徑，mm；l為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離，mm。

表4和表5分別為縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)和相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度。其中，τyc為設(shè)計(jì)屈服黏結(jié)應(yīng)力，τm為實(shí)際黏結(jié)應(yīng)力均值，τm/fcu為相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度。設(shè)Rij為試件BCJ-i與BCJ-j的相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度之比，則由表5可知，R21為0.95，R23為1.07，R42為1.05，R43為1.13。

由表4及表5中數(shù)據(jù)可知，橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)實(shí)際黏結(jié)應(yīng)力值在4.13～4.65 MPa，相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度在0.108～0.122；在同一軸壓比下，普通混凝土中鋼筋的黏結(jié)性能更好，加入橡膠集料使梁柱節(jié)點(diǎn)縱筋黏結(jié)性能下降約5%；軸壓比不同時(shí)，提高

表4 縱筋平均黏結(jié)應(yīng)力相關(guān)數(shù)據(jù)Table 4 Data about the average bond stress of longitudinal bars

表5 縱筋相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度Table 5 Relative bond strength of longitudinal bars

軸壓比，縱筋黏結(jié)應(yīng)力和相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度均隨之變大。相對(duì)于試件BCJ-2及BCJ-3，試件BCJ-4的縱筋黏結(jié)強(qiáng)度增大了5%、13%，表明增大軸壓比可提高鋼筋的黏結(jié)性能；對(duì)比試件BCJ-2及BCJ-1，由于前者添加了15%橡膠，相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度變?。辉嚰﨎CJ-1分別與BCJ-2、BCJ-4相對(duì)比，試件BCJ-2由于橡膠的摻入，相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度變小，試件BCJ-4同樣添加了橡膠，但相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度卻變大，證明高軸壓比(0.59)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的增大作用要大于橡膠對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的減小作用，由此也可說明高軸壓比可較大程度地提高鋼筋的黏結(jié)性能。

3 結(jié)論

通過對(duì)橡膠混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)及縱筋黏結(jié)性能變化規(guī)律，有以下結(jié)論。

(1)低周反復(fù)荷載下，各節(jié)點(diǎn)試件的破壞模式均為核心區(qū)的剪切破壞。

(2)平均黏結(jié)應(yīng)力與荷載呈現(xiàn)出線性增長關(guān)系，進(jìn)入屈服階段后，平均黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值并開始逐漸退化，但試件仍具有較穩(wěn)定的黏結(jié)強(qiáng)度；加載至極限階段，梁內(nèi)縱筋出現(xiàn)明顯的黏結(jié)滑移，黏結(jié)應(yīng)力退化速率加大。

(3)橡膠混凝土中縱筋黏結(jié)性能劣于普通混凝土，橡膠取代率為15%時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)縱筋黏結(jié)強(qiáng)度下降了約5%。增大軸壓比可提高鋼筋的黏結(jié)性能，相對(duì)于試件BCJ-2及BCJ-3，試件BCJ-4的縱筋黏結(jié)強(qiáng)度分別提高了5%、13%。

(4)在15%的橡膠取代率下，高軸壓比(0.59)對(duì)黏結(jié)性能的增強(qiáng)作用要大于橡膠對(duì)其黏結(jié)性能的減弱作用。

(5)橡膠取代率為15%的橡膠混凝土節(jié)點(diǎn)試件實(shí)測(cè)黏結(jié)應(yīng)力值為4.13～4.65 MPa，相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度在0.108～0.122。