廢棄纖維再生混凝土框架中柱節(jié)點抗震性能試驗研究

周靜海， 康天蓓， 王鳳池， 舒云聰

(1.沈陽建筑大學(xué) 建筑節(jié)能研究院，沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168)

廢棄纖維再生混凝土框架中柱節(jié)點抗震性能試驗研究

周靜海1， 康天蓓2， 王鳳池2， 舒云聰2

(1.沈陽建筑大學(xué) 建筑節(jié)能研究院，沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168)

完成了再生骨料取代率為50%，廢棄纖維長度分別為12 mm、19 mm、30 mm以及廢棄纖維體積摻量分別為0.08%、0.12%、0.16%的5個廢棄纖維再生混凝土框架中柱節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗研究。主要對不同廢棄纖維長度、不同廢棄纖維體積摻量下梁柱節(jié)點的破壞形態(tài)、滯回特性、延性性能、耗能特性等問題進行了對比分析。結(jié)果表明：廢棄纖維再生混凝土框架節(jié)點的破壞均經(jīng)歷了初裂、通裂、極限、破壞四個特征階段，當(dāng)纖維長度為19 mm，廢棄纖維體積摻量為0.12%時，廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)件的滯回性能、延性性能及耗能性能較好；廢棄纖維的體積摻量比廢棄纖維長度對梁柱節(jié)點抗震性能的影響大。提出了廢棄紡織纖維再生混凝土的抗剪承載力計算公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

再生混凝土；框架中柱節(jié)點；廢棄纖維長度；廢棄纖維體積摻入量；抗震性能

隨著環(huán)境及資源問題的日益凸顯，再生混凝土的應(yīng)用順應(yīng)了綠色建筑的發(fā)展趨勢。再生混凝土內(nèi)部普遍存在瑕疵、微裂縫，已有研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土的力學(xué)性能相對普通混凝土差[1-4]，纖維的加入可以改善再生混凝的力學(xué)性能，因此纖維再生混凝土的深入研究對推進再生混凝土發(fā)展有重要意義[5-6]。國內(nèi)外學(xué)者對加入不同纖維種類的混凝土的力學(xué)性能方面的研究已有所開展[7-8]，鋼纖維及聚丙烯纖維的加入均可以不同程度的改善再生混凝土的基本力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)性能。但目前國內(nèi)外對纖維再生混凝土的力學(xué)性能以及構(gòu)件抗震方面的研究較少[9-11]。

目前有關(guān)纖維混凝土節(jié)點抗震性能的研究并沒有考慮纖維長度以及纖維摻量對再生混凝土梁柱節(jié)點的影響，這在一定程度上限制了纖維再生混凝土在建筑行業(yè)的推廣和應(yīng)用前景?；诖?，本文針對再生骨料取代率為50%，不同纖維長度以及不同纖維體積摻量情況下的再生混凝土梁柱節(jié)點進行抗震試驗性能分析，通過對構(gòu)件的破壞形態(tài)及抗震指標(biāo)的分析，得出制備廢棄纖維再生混凝土最優(yōu)纖維長度和纖維體積摻量，并提出了廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點承載力計算方法。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗采用本溪山水工源水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，含水率為4.14%，表觀密度為2 620 kg/m3。試驗所用再生粗骨料來自沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗室初始強度為C40的廢棄混凝土，經(jīng)過人工破碎、清洗、篩分等處理后，形成粒徑在5～25 mm的再生粗骨料。廢棄纖維采用丙綸地毯，經(jīng)過人工拆分成長度分別為12 mm、19 mm 、30 mm的廢棄纖維。砂的篩分結(jié)果及再生骨料基本材性指標(biāo)見表1和表2。

表1 砂的篩分

表2 再生骨料的基本材性指標(biāo)

1.2 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了5個廢棄纖維再生混凝土框架梁柱節(jié)點，梁柱節(jié)點的再生混凝土取代率均為50%，試件設(shè)計變量為廢棄纖維長度及廢棄纖維摻入量體積分?jǐn)?shù)，再生混凝土質(zhì)量配比為水泥：砂子：水：天然骨料：再生骨料=390:709：205:578:578，設(shè)計參數(shù)列于表3中。根據(jù)普通框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的彎矩分布情況，試件柱的長度取上下柱的反彎點處，梁的長度同樣按照跨中反彎點的位置進行選取，采用十字型試件，試件形狀、尺寸及配筋情況均相同，試件尺寸及配筋情況如圖1所示，鋼筋材料性能如表4所示。

表3 試件設(shè)計及抗壓強度測試結(jié)果

表4 鋼筋力學(xué)性能

圖1 試件幾何尺寸及配筋圖Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

1.3 試驗設(shè)備及加載制度

試驗在沈陽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗室的計算機—電液伺服加載器聯(lián)機系統(tǒng)上進行，柱頂設(shè)置100 t的油壓千斤頂，以施加預(yù)先設(shè)定的恒定軸向力N，試驗過程中軸向力N保持不變，試件的軸壓比為0.4，梁自由端(取上下柱反彎點比為1處)[12]布置兩個25 tMTS施加低周反復(fù)荷載P模擬地震作用，試驗全過程由伺服控制器及微機控制，試驗裝置及現(xiàn)場加載情況如圖2所示。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

采用荷載-位移混合控制加載制度對試件進行加載。試件屈服(梁縱筋屈服或節(jié)點核心區(qū)通裂)前采用荷載控制，首次加載控制力為試件屈服荷載的20%，以后每級遞增10%，試件屈服后改為位移控制加載，以構(gòu)件屈服時的位移為位移控制加載的首個循環(huán)，此后每級位移增加5 mm，逐級加載直至試件破壞為止。當(dāng)試件荷載下降至85%峰值荷載時，視為試件破壞，停止加載。加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度Fig.3 Loading system

2 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)

節(jié)點核心區(qū)破壞形態(tài)如圖4所示，摻入不同纖維長度以及不同纖維體積摻量的廢棄纖維再生混凝土構(gòu)件的破壞形式基本一致，經(jīng)歷了初裂-通裂-極限-破壞四個階段，且其破壞現(xiàn)象均為節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞。加載初期，梁身出現(xiàn)多條豎向微裂縫，構(gòu)件呈彈性工作階段，隨著荷載的增加，梁端裂縫出現(xiàn)貫通裂縫，但是沒有加寬，節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)微斜裂縫，繼續(xù)加載，節(jié)點區(qū)出現(xiàn)明顯的通裂縫，試件發(fā)生屈服，試件屈服后改為位移加載，節(jié)點核心區(qū)通縫繼續(xù)加寬。試驗結(jié)束時，不同試件節(jié)點核心破壞區(qū)主要有三種現(xiàn)象：①剝落出部分新老砂漿，這說明新老砂漿與再生骨料之間界面較為薄弱；②部分節(jié)點核心區(qū)的新老砂漿靠纖維與構(gòu)件體相連，沒有完全剝落，這說明纖維可以提高再生混凝土的抗裂性能；③少數(shù)有纖維被拉斷的現(xiàn)象。

對于添加不同纖維長度的構(gòu)件SJ-1、SJ-2、SJ-3，從節(jié)點區(qū)的最終破壞形式上可以看出，隨著纖維長度的增加，節(jié)點核心區(qū)的混凝土的剝落情況依次變好，摻入較長纖維可以加強再生混凝土中新老砂漿之間的黏結(jié)作用，提高再生混凝土的抗裂性能。

對于添加不同纖維體積摻量的構(gòu)件SJ-2、SJ-4、SJ-5，當(dāng)纖維體積摻量為0.16%時的構(gòu)件SJ-5的節(jié)點破壞最嚴(yán)重，節(jié)點核心區(qū)左側(cè)的混凝土全部剝落。究其原因，筆者分析主要是因為在制備廢棄纖維再生混凝土構(gòu)件時，廢棄纖維體積摻量較多，導(dǎo)致纖維易抱團，不易分散開，形成纖維團，因此造成混凝土內(nèi)部出現(xiàn)薄弱區(qū)域。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

節(jié)點兩側(cè)滯回曲線無明顯差異，圖5給出了5個試件右端梁的P-Δ滯回曲線，對比分析可知：①各試件的P-Δ滯回曲線形狀相似，位移控制加載后期滯回曲線中間稍有捏縮現(xiàn)象，說明鋼筋發(fā)生了滑移。②荷載控制初期，各試件滯回曲線所圍成的面積較小，荷載回到原點時，位移也回到零點附近，荷載和位移基本呈線性關(guān)系，殘余變形小，構(gòu)件處于彈性階段。當(dāng)位移增加時，滯回曲線開始向位移軸傾斜，滯回環(huán)的面積加大，當(dāng)位移回到零點時，水平荷載有一定的值，表明構(gòu)件進入了非線性階段，整體剛度開始降低，并且每次卸載后的殘余應(yīng)力越來越大，達到極限荷載后，由于節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，使得承載力降低。

對纖維長度不同的試件SJ-1、SJ-2、SJ-3可以看出，循環(huán)荷載作用下，纖維長度為12 mm和19 mm時滯回環(huán)的形狀、及分布情況基本相同。當(dāng)纖維長度為30 mm時，在與SJ-1相同的循環(huán)次數(shù)時，滯回環(huán)分布不均勻，說明試件SJ-3后期的耗能能力和延性不如試件SJ-1、SJ-2，分析主要是因為當(dāng)纖維長度較長時，纖維易抱團，不易分散，且在混凝土中形成較長的強度薄弱區(qū)，因此在地震作用下吸收地震能的作用較差。

對不同纖維摻量的試件SJ-2、SJ-4、SJ-5可以看出，纖維摻量為0.12%時滯回環(huán)的飽滿程度明顯好于纖維摻量為0.08%和0.16%的情況，纖維體積摻量過多或過少都會對試件的抗震性能有不利影響。

圖4 節(jié)點核心區(qū)破壞形態(tài)Fig.4 The shear failure pattern

圖5 試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curve of each specimen

3.2 骨架曲線

各試件的骨架曲線如圖6所示。各試件骨架曲線呈“S”型，有明顯的彈性段、強化段和強度退化段。在低周往復(fù)荷載作用下，節(jié)點處于彈性階段時，骨架曲線為直線，隨著往復(fù)荷載的增加，節(jié)點塑性變形增大，骨架曲線出現(xiàn)曲線段，試件的變形先于承載力的增長速度。當(dāng)達到荷載峰值后，隨著梁柱節(jié)點的保護層脫落，鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力下降，試件承載力下降較快。

圖6 骨架曲線Fig.6 Skeleton curve

圖6(a)可知，對于不同纖維長度的構(gòu)件，控制位移Δ在-10～10 mm時，節(jié)點的骨架曲線基本完全重合，說明纖維長度在該階段對承載力的影響極小，隨著往復(fù)荷載的增加，曲線出現(xiàn)差異，纖維長度為19 mm時承載力最大。由圖6(b)可知，對于不同纖維體積摻量的試件，節(jié)點骨架曲線重合段較短，承載力隨控制位移Δ變化明顯，當(dāng)體積摻量為0.12%時承載力最大，體積摻量為0.16%時最小。

綜合分析骨架曲線的變化規(guī)律分析可知：當(dāng)纖維長度較短或體積摻量較大節(jié)點的承載力相對較低，對于不同纖維長度的構(gòu)件骨架曲線重合段多于不同纖維摻量構(gòu)件的骨架曲線，說明纖維摻量的多少對承載力的退化影響較大。

3.3 剛度退化曲線

節(jié)點剛度與位移和滯回周數(shù)有關(guān)，隨著往復(fù)荷載和位移幅值增大塑性變形不斷發(fā)展，剛度逐漸退化。根據(jù)文獻[13]的規(guī)定，在位移不變的條件下，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，節(jié)點剛度將有所降低，構(gòu)件的剛度退化曲線如圖7所示。從彈性階段到開裂階段，剛度急劇下降，剛度退化曲線斜率較大。從開裂到最后破壞，剛度退化緩慢，剛度退化曲線較為平緩。剛度退化曲線越平緩，說明滯回曲線越穩(wěn)定，試件耗能能力越好。從圖7中不難看出試件SJ-4具有更高的剛度，并且各試件在整個加載過程中剛度退化持續(xù)、均勻、穩(wěn)定。

圖7 剛度退化曲線Fig.7 The stiffness degradation curve

3.4 試件的特征荷載

試件特征荷載和位移的確定方法如圖8所示。延性系數(shù)μ為極限荷載對應(yīng)位移Δu與屈服荷載對應(yīng)位移Δy之比，極限位移Δu為荷載降至極限荷載Pm的85%所對應(yīng)的位移[14]。各數(shù)據(jù)列于表5中。

圖8 特征荷載和位移確定方法Fig.8 Determination of characteristic loads and displacements

由表5可知，每個試件的正負(fù)向加載的極限荷載相差不大，試件SJ-2的極限荷載明顯好于其他試件。各試件的延性系數(shù)基本都在3.0以上，其中試件SJ-2的正向加載下的延性系數(shù)達到了4.0，其利用滯回特性吸收能量的能力好于其他試件。

表5 各試件的位移延性系數(shù)

Tab.5 The ductility coefficient of the specimens

試件編號加載方向Py/kNΔy/mmPm/kNΔm/mmΔu/mmμSJ-1正向78．510．3115．324．133．163．2負(fù)向80．611．5123．523．732．42．8SJ-2正向81．69．2134．824．336．74．0負(fù)向88．410．3145．322．934．43．3SJ-3正向80．59．8124．223．935．23．6負(fù)向74．910．8140．224．636．13．3SJ-4正向80．111．7118．521．131．32．7負(fù)向72．310．1119．120．431．53．1SJ-5正向76．111．3117．926．234．43．0負(fù)向80．211．9129．526．537．83．1

3.5 節(jié)點能量耗散能力

能量耗散能力以荷載-變形滯回曲線包圍的面積來衡量[15]，如圖9所示，每個往復(fù)加載所耗散的能量為ABCD的面積。能量隨循環(huán)次數(shù)及累積能量隨循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖10和圖11所示。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試件的耗能能力有著明顯的提高，從累積耗能曲線可以看出試件SJ-2的耗能能力最強。

圖9 滯回曲線耗能示意圖Fig.9 The hysteretic energy dissipation curve diagram

圖10 不同纖維長度試件耗能對比圖Fig.10 Different waste fiber length specimen energy

圖11 不同纖維摻量試件耗能對比圖Fig.11 Different fiber volume content specimen energy

采用等效黏滯阻尼系數(shù)來反應(yīng)耗能能力的大小。he越大則耗能能力越大。等效黏滯阻尼系數(shù)按照式(1)計算。各試件的最大荷載所對應(yīng)的黏滯阻尼系數(shù)列于表6中。

· (1)

SJ-2的等效黏滯阻尼系數(shù)最大，說明纖維長度12 mm，廢棄纖維體積摻量0.12%時，再生混凝土的耗能能力最好。與累積耗能曲線所得出的結(jié)論一致。

4.6 廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點受剪承載力計算

廢棄纖維再生混凝土的抗剪承載力主要由混凝土抗剪承載力Vc，箍筋抗剪承載力Vs以及纖維抗剪承載Vf三部分共同承擔(dān)，纖維再生混凝土梁節(jié)點的抗剪承載力Vu按式(2)計算：

Vu=Vc+Vs+Vf

(2)

其中，Vc和Vs的計算公式：

(3)

(4)

廢棄纖維再生混凝土是將廢棄紡織纖維均勻摻和在再生混凝土中制成的，因此纖維和再生混凝土可以看作一個整體共同承擔(dān)剪力，纖維混凝土抗剪承載力Vcf=Vc(1+β)，其中β為廢棄纖維增強系數(shù)，根據(jù)纖維混凝土的文獻資料[5,8]，纖維的加入可以提高承載力的30%～40%，取平均值的50%作為廢棄纖維增強系數(shù)，即β=0.175，因此廢棄紡織纖維再生混凝土抗剪承載力按式(5)計算。廢棄纖維再生混凝土抗剪承載力實驗值Vj與計算值Vu列于表7中。

Vu=0.1(1+β) (5)

由表7可知,Vj/Vu在1.27～1.37之間，有一定的安全儲備，因此纖維增強系數(shù)β取值較為合理，式(5)可以用于廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點的抗剪承載力計算。

4 結(jié) 論

本文通過試驗詳細(xì)研究了不同纖維長度和不同纖維體積摻量對再生混凝土梁柱節(jié)點的抗震性能，主要結(jié)論如下：

(1)廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點具有一定的延性及耗能能力，可以在實際工程中應(yīng)用以提高再生混凝土梁柱節(jié)點的抗震性能。

(2)在不同纖維長度情況下，較長的纖維可以緩解節(jié)點核心區(qū)混凝土的剝落情況，但滯回性能不佳，當(dāng)廢棄纖維長度為19 mm時，廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)件對比其他構(gòu)件具有較好的抗震性能。

(3)在不同纖維體積摻量情況下，廢棄纖維體積摻量為0.12%時，試件的滯回性能、延性性能、耗能性能均最好，廢棄纖維體積摻量的多少對試件剛度的退化影響較大。

(4)提出了廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點的抗剪承載力計算公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，公式可以用于廢棄纖維再生混凝土受剪承載力的計算。

綜上所述，廢棄纖維的摻入可以提高再生混凝土的梁柱節(jié)點的抗震性能，廢棄纖維摻量相對于廢棄纖維長度對構(gòu)件的抗震性能影響大，當(dāng)廢棄纖維長度為19 mm纖維體積摻量為0.12%時再生混凝土梁柱節(jié)點表現(xiàn)出最優(yōu)的抗震性能，滿足一般情況下再生混凝土工程設(shè)計的需要。

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Experimental study on the seismic behaviors of wasted fiber recycled concrete frame joints

ZHOU Jinghai1, KANG Tianbei2, WANG Fengchi2, SHU Yuncong2

(1. Construction Energy Conservation Research Institute, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

The seismic behaviors of interior frame joints composed of wasted fiber recycled aggregate concrete were studied experimentally. The effects of certain design parameters such as the length and volume ratio of wasted fiber with a constant replacement rate of recycled aggregate on the anti-seismic performance of the frame were investigated, 5 full-scale specimens were designed and fabricated, then cyclic loading tests were conducted. In the tests, the replacement rate of recycled aggregate was kept at 50%, the wasted fiber length was 12 mm, 19 mm, 30 mm and volume content was 0.08%, 0.12% and 0.16% respectively. The failure mode, hysteretic property, ductility, energy dissipation characteristics and other issues of frame joints were analyzed with different wasted fiber lengths and volume contents. The experimental results show that the destruction of wasted fiber recycled concrete frame joints experience four stages, they are initial cracking, thorough cracking, ultimate stage and failure stage. With the fiber length of 19 mm and volume content of 0.12%, the wasted fiber recycled concrete beam-column joint has better seismic behaviors. Compared with the wasted fiber length, the volume of wasted fiber content has greater influence on the seismic performance of beam-column joints. A shear strength calculation formula for wasted fiber recycled aggregate concrete was put forward. The calculation results coincide well with the test results.

recycled aggregate; frame joint; waste fiber length; waste fiber volume content; seismic behavior

國家自然科學(xué)基金項目(51178275)

2015-10-15 修改稿收到日期：2016-01-12

周靜海 男，博士，教授，1965年3月生

TU375

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.038