再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

王曉菡， 柳炳康， 胡 波， 吳 童

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

再生混凝土是將廢棄混凝土塊體經(jīng)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(huán)利用，既能解決開山采石對天然生態(tài)環(huán)境造成的破壞，又能減少城市廢棄物的填埋占地和環(huán)境污染問題［2］，可發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，符合人類的可持續(xù)發(fā)展需求，具有廣闊的應(yīng)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(chǔ)墊層等非結(jié)構(gòu)件中［3］，為了探討再生混凝土技術(shù)推廣應(yīng)用于抗震設(shè)防地區(qū)承重結(jié)構(gòu)的可行性，需要開展再生混凝土梁、柱、節(jié)點(diǎn)等基本構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)研究。本文通過2榀再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件擬靜力試驗(yàn)研究，了解節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和破壞過程，分析縱筋和箍筋應(yīng)力、應(yīng)變分布以及延性、耗能能力等。基于ABAQUS軟件建立節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，并將2榀試件的混凝土以及鋼筋數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文研究對象是再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)，再生骨料取代率均為100%，試件根據(jù)文獻(xiàn)［4］進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)主要變化參數(shù)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率、梁端縱筋配筋率和試驗(yàn)軸壓比。本次試驗(yàn)共制作2榀試件，試件SEJ－1設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞，梁端配筋較強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)配筋薄弱，梁端配有322受力縱筋，核心區(qū)只配有16箍筋，用以了解節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞模式和承載能力。試件SEJ－2設(shè)計(jì)為梁端彎曲破壞，梁端配筋較弱，節(jié)點(diǎn)配筋較強(qiáng)，梁端配有316受力縱筋，核心區(qū)配有36箍筋，用以了解梁端承載能力和延性指標(biāo)。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(yàn)裝置

利用正交試驗(yàn)對再生骨料混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè)150mm×150mm×150mm立方體試塊，混凝土試塊實(shí)測抗壓強(qiáng)度平均值為36.5MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35.3MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.43MPa。鋼筋實(shí)測力學(xué)性能見表1所列。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(wěn)定的豎向軸力，然后在梁端施加低周反復(fù)荷載。試件SEJ－1柱的軸壓比為0.2；SEJ－2軸壓比為0。

試驗(yàn)的加載裝置如圖2所示。

表1 實(shí)測鋼筋力學(xué)性能 MPa

圖2 試驗(yàn)加載裝置

1.3 加載方案

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，采用擬靜力試驗(yàn)方案，在梁端施加上下反復(fù)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(yù)估屈服荷載的20%，之后每級遞增預(yù)估屈服荷載的10%，每級荷載循環(huán)1次。如果發(fā)現(xiàn)受拉縱向鋼筋應(yīng)變達(dá)到或超過屈服應(yīng)變，即停止加載，并記錄相應(yīng)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(huán)按照5mm遞增，每個(gè)循環(huán)重復(fù)3次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，直到試件破壞終止。

1.4 量測內(nèi)容及量測設(shè)備

梁端反復(fù)荷載是通過MTS作動器施加的，實(shí)驗(yàn)過程中所施加的荷載及對應(yīng)的位移值由計(jì)算機(jī)及伺服控制系統(tǒng)同步自動記錄。在試件梁柱端部縱筋和核心區(qū)箍筋上分別粘貼電阻應(yīng)變片，用以量測鋼筋應(yīng)變。試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用混凝土應(yīng)變花量測混凝土最大主應(yīng)變，并在試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的另一側(cè)面對角線方向布置位移計(jì)，用以量測核心區(qū)剪切變形。利用靠近節(jié)點(diǎn)的梁端上下設(shè)置的位移計(jì)測量梁端塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)角。實(shí)驗(yàn)過程觀察梁端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開裂、裂縫寬度與分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

試件SEJ－1呈節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞，再生混凝土試件從加載到破壞節(jié)點(diǎn)核心區(qū)經(jīng)歷了彈性階段、開裂階段、通裂階段和破壞階段［6］，通裂時(shí)試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的裂縫分布形態(tài)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(fù)荷載的施加，裂縫寬度加大，裂縫數(shù)量增多，通裂荷載約為極限荷載的80%，核心區(qū)裂縫寬度達(dá)到0.5mm左右，混凝土保護(hù)層起殼并脫落，核心區(qū)箍筋屈服。繼續(xù)加載，核心區(qū)混凝土大塊脫落，承載能力下降為極限荷載的70%左右，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 試件破壞時(shí)裂縫形態(tài)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(xiàn)在梁端，寬度約為0.1mm，當(dāng)裂縫寬度增大到0.6mm左右時(shí)梁端縱筋屈服，屈服荷載約為極限荷載的80%，此時(shí)核心區(qū)出現(xiàn)微裂縫，梁端破壞形態(tài)如圖3b所示。繼續(xù)施加反復(fù)荷載，梁端到達(dá)極限狀態(tài)，受壓區(qū)混凝土剝落，承載能力下降到極限荷載的60%左右，試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 鋼筋應(yīng)變滯回曲線

試件SEJ－1梁端上、下部的縱筋在反復(fù)荷載作用下鋼筋荷載－應(yīng)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(yīng)變隨荷載正負(fù)交替呈直線變化，鋼筋受拉應(yīng)變明顯大于受壓應(yīng)變，這是因?yàn)榱憾嘶炷灵_裂后，受拉區(qū)縱筋應(yīng)力可以充分發(fā)揮，而受壓區(qū)縱筋受到混凝土壓應(yīng)變限制應(yīng)力較小。加載至最大荷載120kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)拉區(qū)鋼筋應(yīng)變達(dá)到2500×10－6，縱筋屈服。繼續(xù)加載位移增加，承載力明顯下降，鋼筋應(yīng)力隨之下降。梁端卸載為0時(shí)，鋼筋應(yīng)變不能恢復(fù)為0，這是由于卸載后梁端位移不能完全恢復(fù)，鋼筋仍存在殘余拉壓力。

圖4c所示為SEJ－1核心區(qū)箍筋的荷載－應(yīng)變滯回曲線，由圖可知，荷載循環(huán)初期節(jié)點(diǎn)尚未開裂，節(jié)點(diǎn)剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔(dān)，箍筋應(yīng)力很小。加載至核心區(qū)出現(xiàn)通長裂縫，與裂縫相交的箍筋應(yīng)變達(dá)1520×10－6，箍筋達(dá)屈服應(yīng)力。隨加載循環(huán)的增加，梁端卸載為0時(shí)，箍筋應(yīng)變不能回到0點(diǎn)，說明箍筋為約束節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土的橫向膨脹產(chǎn)生了拉力［7］。

圖4 試件SEJ－1鋼筋荷載－應(yīng)變滯回曲線

試件SEJ－2梁端上、下部的縱筋在反復(fù)荷載作用下鋼筋荷載－應(yīng)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(shí)，梁上部受拉區(qū)縱筋應(yīng)變達(dá)到4000×10－6左右，鋼筋屈服應(yīng)變片損壞。梁下部受拉區(qū)縱筋應(yīng)變達(dá)到2800×10－6時(shí)，鋼筋屈服應(yīng)變突增至4000×10－6，隨著加載數(shù)值變化，鋼筋應(yīng)變穩(wěn)定在4000×10－6左右，說明縱筋屈服后殘余應(yīng)變無法恢復(fù)。

圖5c所示為SEJ－2核心區(qū)箍筋的荷載－應(yīng)變滯回曲線，由圖可知，在加載初期節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處于彈性階段，核心區(qū)剪力主要由混凝土承擔(dān)，箍筋應(yīng)力幾乎為0。隨著荷載的增大箍筋應(yīng)變逐漸增大。加載至最大荷載60kN時(shí)，箍筋的最大應(yīng)變沒有超過1600×10－6，說明箍筋沒有屈服，這一現(xiàn)象與試驗(yàn)觀測到的宏觀裂縫發(fā)展形態(tài)吻合。梁端卸載為0時(shí)，箍筋應(yīng)變不能回到0點(diǎn)，說明節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土也存在橫向膨脹，導(dǎo)致箍筋產(chǎn)生了拉力。

圖5 試件SEJ－2鋼筋荷載－應(yīng)變滯回曲線

3 有限元數(shù)值模擬

采用ABAQUS軟件建立了節(jié)點(diǎn)有限元模型，再生混凝土采用20節(jié)點(diǎn)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(jié)關(guān)系［8］。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)加載實(shí)際狀況，在柱上、下端施加3個(gè)方向的位移約束和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動約束，在梁上設(shè)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(diào)加載和反向單調(diào)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(yīng)力圖如圖6a、圖6b所示，從中可以看出，核心區(qū)混凝土最大主應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，與試驗(yàn)過程中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開裂現(xiàn)象一致。試件SEJ－1鋼筋的Mises應(yīng)力圖如圖6c、圖6d所示，從中可以看出，核心區(qū)僅有的1根箍筋最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到屈服強(qiáng)度，梁端縱筋尚未完全屈服，說明構(gòu)件率先發(fā)生核心區(qū)剪切破壞。

試件SEJ－2中混凝土的 Mises應(yīng)力圖如圖7a、圖7b所示，從中可以看出，梁上、下兩端壓區(qū)混凝土的最大應(yīng)力都已達(dá)到或大于混凝土極限壓應(yīng)力，說明壓區(qū)混凝土已被壓碎破壞。試件SEJ－2鋼筋的Mises應(yīng)力圖如圖7c、圖7d所示，從中可以看出，核心區(qū)設(shè)置的3根箍筋的最大應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度，梁端縱筋出現(xiàn)超過屈服強(qiáng)度的最大拉應(yīng)力，說明構(gòu)件率先發(fā)生梁端彎曲破壞。

圖6 試件SEJ－1混凝土和鋼筋Mises應(yīng)力分布

圖7 試件SEJ－2再生混凝土和鋼筋Mises應(yīng)力分析結(jié)果

上述2榀試件的有限元數(shù)值模擬較好地反映了試件實(shí)際破壞情況，混凝土及鋼筋應(yīng)力應(yīng)變分布與實(shí)際情況吻合較好。采用ABAQUS軟件計(jì)算了梁端極限荷載，見表2所列。從表2的對比結(jié)果可以看出，計(jì)算極限荷載與試驗(yàn)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(yàn)實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較

4 結(jié) 論

（1）通過2榀再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，了解了再生混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞和梁端彎曲破壞形態(tài)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞可以分為初裂、通裂、極限、破壞4個(gè)階段，與普通混凝土節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞形態(tài)基本相同，但是破壞時(shí)核心區(qū)混凝土表現(xiàn)出較明顯脆裂特征。

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

（3）循環(huán)加載初期節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔(dān)，箍筋應(yīng)力很小。加載至核心區(qū)出現(xiàn)通長裂縫，與裂縫相交的箍筋達(dá)屈服應(yīng)力。隨加載循環(huán)的增加，梁端卸載為0時(shí)，核心區(qū)箍筋應(yīng)變不能回到0點(diǎn)，說明節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)混凝土存在橫向膨脹，導(dǎo)致箍筋產(chǎn)生了拉力。

（4）采用ABAQUS軟件建立了節(jié)點(diǎn)有限元模型，采用正向單調(diào)加載和反向單調(diào)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(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合較好，梁端極限荷載計(jì)算值與試驗(yàn)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(shù)最新研究進(jìn)展與評述［J］.混凝土，2003（10）：17－20.

［3］肖建莊，杜 睿，王長青，等.災(zāi)后重建再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能和設(shè)計(jì)研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2009，41（Z1）：1－6.

［4］GB 50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JG J101－96，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.

［6］唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震［M］.南京：東南大學(xué)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(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20（5）：50－58.

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