不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究1

尹海鵬 曹萬(wàn)林 張亞齊 張建偉

1）北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124

2）城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124

不同配筋率的再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究1

尹海鵬1,2)曹萬(wàn)林1,2)張亞齊1)張建偉1)

1）北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124

2）城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124

本文對(duì)1根普通混凝土柱和4根全再生混凝土柱模型進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，模型按1/2縮尺。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了其承載力、剛度及其退化過(guò)程、滯回特性、延性、耗能能力、破壞形態(tài)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(shí)，建立了基于再生混凝土強(qiáng)度折減的承載力實(shí)用計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。

再生混凝土 柱 配筋率 抗震性能 試驗(yàn)研究

引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，老舊建筑的拆除所產(chǎn)生的大量建筑垃圾和廢料帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染（陸凱安，1999）。在建設(shè)工程中應(yīng)用再生混凝土，能夠同時(shí)解決天然骨料的消耗和建筑垃圾的污染問(wèn)題（施鐘毅等，2004）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)體系之一，框架柱作為該體系中承擔(dān)水平側(cè)力的構(gòu)件，必須具有可靠的抗震性能，而目前對(duì)于再生混凝土柱抗震性能的試驗(yàn)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(jìn)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(fù)荷載試驗(yàn)，為再生混凝土柱的工程應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)5根1/2縮比的混凝土柱，試件編號(hào)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(diǎn)至基礎(chǔ)距離625mm，剪跨比均為2.5，其相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)軸壓比分別為0.4、0.4、0.4、0.4、0.8。普通混凝土設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)為C30，再生混凝土設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)為RC30。CZB-1為普通混凝土柱，CZB-2、CZB-3、CZB-4、CZB-5的再生粗、細(xì)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(jiàn)圖1。

模型制作所采用的廢棄混凝土取自北京市昌平區(qū)某廢棄的水泥廠，此廢棄混凝土經(jīng)加工制成試件混凝土的再生粗骨料和再生細(xì)骨料。鋼筋的主要力學(xué)性能見(jiàn)表1?；炷恋闹饕W(xué)性能見(jiàn)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(xué)性能實(shí)測(cè)值Table 1 Experimental results of concrete mechanical properties

表2 混凝土材料力學(xué)性能實(shí)測(cè)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(yàn)采用低周反復(fù)加載。水平加載前先對(duì)柱施加軸力使柱達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)軸壓比，并保持軸力穩(wěn)定不變。在距基礎(chǔ)頂面625mm高度處用拉壓千斤頂施加低周反復(fù)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(lián)合控制加載。采用聯(lián)機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄水平荷載、水平位移和鋼筋應(yīng)變等，手工測(cè)繪試件裂縫。試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖2。

2 試驗(yàn)結(jié)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(shí)測(cè)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(diǎn)相對(duì)應(yīng)的水平位移。

圖3 “荷載F-位移U”滯回曲線Fig.3 Hysteretic curves of “l(fā)oad F-displacement U”

由圖3可見(jiàn)：

（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(lái)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(xiàn)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(guān)系，卸載后試件的殘余變形很?。划?dāng)試件屈服后，隨著加載循環(huán)次數(shù)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(shí)測(cè)所得各試件的骨架曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)， 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(jiàn)：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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shuō)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(shuō)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?。籆ZB-5的極限荷載比CZB-3提高了24.79%，說(shuō)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(jié)論是一致的。

2.3 特征位移與延性

所有試件的特征位移實(shí)測(cè)值列于表4，其中：Uc為開(kāi)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(shù)μU=Uu/Uy。為了比較各試件的變形能力，表4同時(shí)給出了試件在不同階段的實(shí)測(cè)位移角以及各位移角的符號(hào)及算式。

表4 特征位移實(shí)測(cè)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(shù)平均值分別為4.16和4.02。這說(shuō)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(shù)均大于3.8，說(shuō)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(shù)小4.23%，說(shuō)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(duì)小的多層結(jié)構(gòu)中較為適合。

需要指出的是，由于試驗(yàn)的最終荷載并沒(méi)有下降到極限荷載的85%，所以取結(jié)構(gòu)位移角為1/20時(shí)的加載點(diǎn)水平位移為加載的最終位移Uu。CZB-2的延性系數(shù)大于其它試件，是由于其屈服位移較小所致。

2.4 剛度

實(shí)測(cè)各試件的各階段剛度及其衰減系數(shù)列于表5。表中：K=F/U，為試件抗側(cè)移剛度，其中F為水平荷載，U為與水平荷載相對(duì)應(yīng)的水平位移；Ko為初始彈性剛度；Kc為明顯開(kāi)裂割線剛度；Ky為明顯屈服割線剛度；βco=Kc/Ko為明顯開(kāi)裂剛度與初始剛度的比值，反映試件從初始階段到明顯開(kāi)裂時(shí)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(shí)剛度的衰減。

表5 各試件的剛度實(shí)測(cè)值及其衰減系數(shù)Table 5 Experimental results of stiffness and their attenuation coefficients

圖5 K-θ 關(guān)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(dāng)水平位移達(dá)到屈服位移時(shí)，剛度退化速度明顯變緩；后期剛度退化進(jìn)一步變慢。剛度衰減規(guī)律呈現(xiàn)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(kāi)裂剛度提高。其中，CZB-3、CZB-4的開(kāi)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(yàn)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(yīng)的開(kāi)裂剛度和屈服剛度提高的比例相對(duì)較大。其原因在于：在加載的初期混凝土對(duì)試件剛度的貢獻(xiàn)較大，而本文再生混凝土柱所采用的再生混凝土相同；開(kāi)裂后受拉區(qū)混凝土退出工作，受拉區(qū)鋼筋對(duì)試件剛度的貢獻(xiàn)比例加大。

2.5 耗能

試件在加載過(guò)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(huán)面積的累加為試件總耗能的大小。在試驗(yàn)中，由于每個(gè)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(lái)比較各試件的相對(duì)耗能能力。實(shí)測(cè)所得各試件的耗能代表值Ep及其相對(duì)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(shí)測(cè)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(tài)如圖6。試件的破壞特征具有以下特點(diǎn)：

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

（1）5個(gè)試件的剪跨比一致，試驗(yàn)中它們的破壞機(jī)制均為受拉區(qū)縱筋先屈服，之后受壓區(qū)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(kāi)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(xiàn)彎曲破壞為主的形態(tài)。

（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(gè)試件小，其根部只產(chǎn)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(xiàn)彎曲破壞為主的形態(tài)。

（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(gè)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(xiàn)彎剪破壞的形態(tài)。

（5）CZB-5的軸壓比為0.8，配筋率為2.31%，由于其設(shè)計(jì)軸壓比大于其它4個(gè)試件，柱根角部混凝土被壓碎剝落嚴(yán)重，鋼筋壓屈更為明顯，CZB-5比其它試件的壓壞現(xiàn)象明顯。

3 承載力計(jì)算

基于本文試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)柱對(duì)稱配筋且在大偏壓破壞條件下，其水平承載力計(jì)算模型如圖7所示，相應(yīng)的水平承載力計(jì)算公式如下：

試件水平承載力：

式（1）—（5）中，x為柱截面受壓區(qū)高度；b為柱截面寬度；fy、為柱縱筋抗拉、抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)到截面邊緣的距離；aa、為柱腹板受拉、受壓縱筋合力點(diǎn)到截面邊緣的距離；H為模型水平加載點(diǎn)至基礎(chǔ)頂面距離；F為水平承載力。

式中，γ為再生混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)；ρ為再生骨料取代率。

上述各式與普通混凝土柱承載力計(jì)算公式類似，主要區(qū)別是公式中增加了再生混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)γ，并且依據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果提出了γ隨再生骨料取代率增加，混凝土抗壓強(qiáng)度減小的近似確定方法，當(dāng)再生骨料取代率為0%時(shí)，取為1.0；當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí)，取為0.8，其它取代率可按線性插值得到。

按上式計(jì)算所得各試件的承載力與實(shí)測(cè)值的比較列于表7。

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

表7 試件承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為2.58%、?2.51%、3.81%、4.41%和?4.43%，符合較好。進(jìn)行再生混凝土試件承載力計(jì)算時(shí)，對(duì)其混凝土抗壓強(qiáng)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(xiàn)象愈加明顯；同時(shí)，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(jié)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(shì)，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(yīng)的開(kāi)裂剛度和屈服剛度提高的比例相對(duì)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(guó)建筑垃圾的現(xiàn)狀與綜合利用. 施工技術(shù)，28（5）：44—45.

施鐘毅，李陽(yáng)，2004. 再生混凝土的試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用. 粉煤灰，（4）：3—4.

沈宏波，2005. 再生混凝土柱受力性能試驗(yàn)研究. 上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院.

孫躍東，肖建莊，周德源等，2006. 再生混凝土框架抗震性能的試驗(yàn)研究. 土木工程學(xué)報(bào)，39（5）：9—15.

肖建莊，李佳彬，蘭陽(yáng)，2002. 再生混凝土技術(shù)研究最新進(jìn)展與評(píng)述. 混凝土，（10）：17—20.

Andrze A., Alina K., 2002. Influence of recycled aggregate on mechanical properties of HS/ HPC. Cement and Concrete Composites, 24 (2): 269—279.

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(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D07050601670701）；國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃課題（2008BAJ08B14）；北京市自然科學(xué)基金（8102010）；北京工業(yè)大學(xué)博士創(chuàng)新計(jì)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(wàn)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(yàn)研究. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（1）：99—107.