再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究★

楊召剛 張 旭

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.中國建筑第六工程局土木工程有限公司，天津 300457)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究★

楊召剛1,2張 旭1

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.中國建筑第六工程局土木工程有限公司，天津 300457)

通過再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗，對廢棄混凝土的再生利用進(jìn)行了分析，并探討了混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗中存在的問題，提出了未來廢棄混凝土方面的研究方法和建議，從而解決廢棄混凝土的污染問題。

廢棄混凝土，再生混凝土，抗震性能，框架結(jié)構(gòu)

隨著近幾年我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國土木工程建設(shè)也以較快的速度呈現(xiàn)在人們面前，除了建成許多抗震性能較好的建筑之外，也留下了很多拆遷產(chǎn)生的垃圾——廢棄混凝土，這些廢棄混凝土因不能得到合理的利用而污染著環(huán)境，因此對于廢棄混凝土的研究迫在眉睫[1]。經(jīng)過閱讀文獻(xiàn)我們可以知道，對于再生混凝土結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，是對廢棄建筑材料的又一次循環(huán)利用，并且是將建筑垃圾資源化的又一重要手段。到目前為止，對已有再生混凝土結(jié)構(gòu)研究主要表現(xiàn)在三個方面：1)以低、中強再生混凝土為主的基本力學(xué)性能的研究；2)以縮尺模型試驗為主的整體結(jié)構(gòu)模型的研究；3)復(fù)雜受力研究，基于此提出的設(shè)計理論和方法亟待完善與發(fā)展。通過對文獻(xiàn)的閱讀，我們不難得出再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗的研究可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)以后。在經(jīng)歷過二戰(zhàn)之后，世界上的大多數(shù)國家的許多地方全是戰(zhàn)爭留下的廢墟，而廢墟中絕大多數(shù)是廢棄的混凝土。這些廢棄混凝土又該何去何從，給這些國家的重建過程帶來了很大的難題[2]。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對其開展了很多研究，并取得了一些令人矚目的成果。單就我國來說，目前我國經(jīng)濟發(fā)展面臨著資源和環(huán)境的雙重壓力，資源相對短缺，環(huán)境破壞嚴(yán)重，如果能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄混凝土的再利用，它既可以有效的處理舊建筑拆除和新建筑施工過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，又能緩解日趨緊張的資源問題，同時又有利于維持生態(tài)環(huán)境的平衡和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，對于廢棄混凝土受力性能以及其再生利用的研究，不可避免的已是當(dāng)下以及未來科研工作者研究的一項熱門課題[3]。本文通過閱讀國內(nèi)有關(guān)研究再生混凝土結(jié)構(gòu)的論文期刊，對再生混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的受力性能和抗震性能進(jìn)行總結(jié)，在分析其動力反應(yīng)以及動力特性之后，對其抗震性能進(jìn)行了一個客觀的評價。簡而言之，就是在總結(jié)了國內(nèi)再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗的研究現(xiàn)狀、內(nèi)容和方法后，指出了目前再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究領(lǐng)域存在的一些問題和尚未涉及的方面，為再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗進(jìn)行下一步深入研究奠定基礎(chǔ)并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 半再生與全再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究

如果一棟建筑物的粗骨料由建筑廢料組成，剩下的成分與一般混凝土相同，那么這種結(jié)構(gòu)稱為半再生混凝土結(jié)構(gòu)。但是其組成結(jié)構(gòu)與普通混凝土存在很大差別，若要將其運用到實際工程當(dāng)中，就必須對其抗震性能進(jìn)行研究，因此北京工業(yè)大學(xué)教授呂西林等人用半再生混凝土做成框架結(jié)構(gòu)模型來模擬地震振動臺試驗。考慮到本次試驗的目的是要檢驗半再生混凝土結(jié)構(gòu)在8度設(shè)防水準(zhǔn)下的抗震設(shè)防能力，為了盡可能的驗證試驗前的假設(shè)，呂西林教授做了充分的準(zhǔn)備工作。一是制作了一個1/4縮尺每層層高3 m的8層框架結(jié)構(gòu)模型并在模型各層設(shè)置了39個加速度傳感器。二是進(jìn)行適配，由于在此之前沒有任何試驗來研究此種混凝土的配合比，故在試驗之前先進(jìn)行適配，以找出合適配合比。三是確定常數(shù)，為避免重力失真，他根據(jù)牛頓第二定律以及相似理論確定了加速度常數(shù)、長度相似常數(shù)以及密度相似常數(shù)，又根據(jù)地震波反應(yīng)譜和規(guī)范設(shè)計確定了四條合適的地震波。在進(jìn)行試驗時他除了對不同階段模型梁柱節(jié)點破壞現(xiàn)象進(jìn)行對比匯總外，又用CANNY軟件對模型做出彈塑性時程分析和易損分析。在對其破壞現(xiàn)象、模型結(jié)構(gòu)的動力特性、加速度放大系數(shù)的變化以及結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)進(jìn)行精確分析比較后可得以下結(jié)論：1)用于該試驗的模型破壞模式為強柱弱梁；2)當(dāng)遇到多遇地震和罕遇地震時，模型的層間位移角永遠(yuǎn)小于規(guī)范的限值，完全滿足抗震設(shè)防烈度為8度的要求；3)試驗所用的模型所產(chǎn)生的位移角符合規(guī)范規(guī)定；4)在發(fā)生多遇地震時，該結(jié)構(gòu)的層間位移角超過正常使用狀態(tài)的可能性僅為0.793，但遇到罕遇地震時，其層間位移角超過生命安全狀態(tài)的可能性是0.514，這說明該結(jié)構(gòu)依概率完全滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求[4]。

當(dāng)混凝土中的粗細(xì)骨料均來自廢棄混凝土?xí)r稱之為全再生混凝土，其性能不論是與普通混凝土相比還是和半再生混凝土相比都是有一定的區(qū)別，因此對全再生混凝土框架結(jié)構(gòu)建立縮尺模型，通過模擬振動臺試驗對它的抗震性能進(jìn)行探索毋庸置疑。目前已經(jīng)有學(xué)者對全再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并且取得了相應(yīng)的成果，但其形式主要表現(xiàn)在三方面：一是對其力學(xué)性能的研究；二是對其構(gòu)件或子構(gòu)件滯回性能的研究；三是對其動力性能的研究。如果我們對這些結(jié)論深思熟慮一番后不難得出此類研究是基于構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)，并未有人對其整體結(jié)構(gòu)各方面的性能進(jìn)行研究。所以呂西林教授在研究半再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗的基礎(chǔ)上，又對全再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗進(jìn)行了深一步的研究。其模型的建立與之前所研究的半再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗時相似，也是先按照1∶4的比例制作一個8層框架結(jié)構(gòu)模型，之后在觀察振動臺試驗現(xiàn)象的同時用CANNY軟件對模型進(jìn)行彈塑性時程分析和易損性分析，以便對全再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能做出一個綜合的評定。結(jié)果表明：一個框架結(jié)構(gòu)如果完全由全再生混凝土建造，在設(shè)計階段只要設(shè)計合理，對于抗震設(shè)防烈度為8度的設(shè)防水準(zhǔn)要求基本可以滿足[5]。

除此之外，同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室的王長青與肖建莊兩位教授也對全再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了模擬地震振動臺試驗。他們按1∶4縮尺制作了一個6層框架結(jié)構(gòu)模型，通過人為輸入地震波再現(xiàn)當(dāng)時的地震動過程并以此來研究再生混凝土結(jié)構(gòu)的自振頻率、結(jié)構(gòu)阻尼比、結(jié)構(gòu)等效剛度、位移反應(yīng)、加速度反應(yīng)等，之后在所觀察到的試驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上去分析該框架結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)以及動力特性，從而來正確客觀的評估該結(jié)構(gòu)的抗震能力，為再生混凝土結(jié)構(gòu)在今后的廣泛應(yīng)用提供一些理論依據(jù)。由于在他們研究時并沒有任何一個期刊或者一篇文獻(xiàn)來報道針對再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模擬地震振動臺試驗的研究，因此在模型設(shè)計階段他們對模型的設(shè)計要求就是再生混凝土用量為100%且粗骨料強度為C30的細(xì)粒徑，在確定配合比所用的水泥時就用平時的42.5R普通硅酸鹽水泥，并且按照規(guī)范要求進(jìn)行配筋計算和構(gòu)造設(shè)計。對于地震波的選用則是選取了兩組天然波和一組人工波，即汶川波、EI Centro波和上海波，試驗通過施加不同的波形來觀察模型的位移、加速度、自振頻率、結(jié)構(gòu)的阻尼比、梁柱節(jié)點的應(yīng)變以及每個構(gòu)件的裂縫開展，塑性鉸的發(fā)育情況等。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)卣饛姸炔粩嗉訌姇r，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定程度的破壞，繼而自振頻率開始下降，框架結(jié)構(gòu)的阻尼比逐漸開始增大。經(jīng)過多次試驗后，雖然再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞較為嚴(yán)重，但并未倒塌，說明再生混凝土具有良好的變形能力和抗震能力[6]。

2 帶暗支及帶耗能支撐再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究

根據(jù)前人的研究，再生混凝土結(jié)構(gòu)不論其基本的力學(xué)性能還是其構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)的抗震能力相比混凝土結(jié)構(gòu)均有所降低，但是實際工程中任何結(jié)構(gòu)都必須滿足抗震設(shè)防的要求，而帶耗能支撐或者帶暗支撐可以有效的加強結(jié)構(gòu)的整體性能。因此，北京工業(yè)大學(xué)曹萬林教授課題組分別對帶耗能支撐和帶暗支撐的再生混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了研究。該試驗通過與不帶耗能支撐和不帶暗支撐的普通混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比試驗來模擬地震振動臺試驗。結(jié)果表明：1)由于耗能支撐所起的作用，其結(jié)構(gòu)破壞程度較未設(shè)置耗能支撐結(jié)構(gòu)顯著減輕且?guī)Ш哪苤卧偕炷量蚣堋袅Y(jié)構(gòu)抗震能力較未設(shè)置耗能支撐的結(jié)構(gòu)明顯提高，對于抗震規(guī)范中的要求完全可以滿足[7]。2)帶暗支撐再生混凝土中高剪力墻在各階段的位移反應(yīng)比普通再生混凝土剪力墻明顯減小，抗震耗能能力明顯提高[8]。

3 預(yù)制再生混凝土振動臺試驗研究

預(yù)制再生混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究也是眾多科研工作者研究的一項熱題。因為預(yù)制再生鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)約材料和勞動力、改善施工工效、加快施工進(jìn)度、提高施工質(zhì)量的特點，同時還可以降低環(huán)境污染，取得巨大的經(jīng)濟效益[9]。為此同濟大學(xué)的肖建莊等人首先根據(jù)自己所研究的課題內(nèi)容以相似關(guān)系制作了一個再生粗骨料取代率為100%的1/4縮尺結(jié)構(gòu)模型。在進(jìn)行振動臺試驗時通過改變不同的地震波形來觀察結(jié)構(gòu)的動力特性，以觀察到的試驗現(xiàn)象來研究模型的加速度、樓層剪力、位移動力反應(yīng)等。結(jié)果表明：在整個試驗過程中，模型結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段前期抗震性能較好，在彈塑性階段后期，可以觀察到節(jié)點區(qū)損傷較為嚴(yán)重、梁端和節(jié)點區(qū)均出現(xiàn)塑性鉸、后澆混凝土和預(yù)制構(gòu)件的結(jié)合面出現(xiàn)水平裂縫、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度迅速退化等現(xiàn)象，且在8度多遇和8度罕遇地震下的最大層間位移角均不滿足規(guī)范要求。但是雖然經(jīng)過多次的重復(fù)的試驗，模型結(jié)構(gòu)依舊沒有倒塌，說明預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)有良好的變形能力和抗震能力，若在實際中推廣，還需采取必要措施加強梁柱節(jié)點的耗能能力[10]。

4 存在的問題及今后研究的趨勢

4.1 存在問題

雖然國內(nèi)外專家已對混凝土振動臺的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，也取得了很多成果，但由于其力學(xué)性能復(fù)雜的特殊性，目前對混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗的研究仍存在許多缺陷，仍然有許多不足之處需要科研工作者深入探索。

1)再生混凝土振動臺試驗的研究主要集中在靜力學(xué)方面，而對混凝土構(gòu)件動力特性等方面的研究卻缺乏成熟的理論知識；2)對于普通混凝土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系已被大家所公認(rèn)，然而再生混凝土的力學(xué)性能相對于普通混凝土來說有所下降，故其本構(gòu)關(guān)系有待進(jìn)一步驗證；3)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)雖然是今后發(fā)展的趨勢，同時也具有良好的變形能力和抗震能力，但是在地震多發(fā)地帶和抗震設(shè)防較高的地區(qū)，其力學(xué)性能有待進(jìn)一步探究。

4.2 發(fā)展趨勢

發(fā)展綠色混凝土是實現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一。因此未來混凝土結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究的方向是對由半再生混凝土、全再生混凝土、預(yù)制再生混凝土、帶暗支撐或耗能結(jié)構(gòu)組成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。而且目前對再生混凝土的力學(xué)性能研究由主要集中在靜力學(xué)方面開始一步步向動力學(xué)特性方面轉(zhuǎn)移。根據(jù)前人已有的經(jīng)驗，筆者覺得：

1)為更好的了解再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力及再生混凝土剪力墻與框架柱的協(xié)調(diào)工作性能，建議開展再生混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的模擬地震振動臺試驗研究及其理論分析；2)為提高再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算精度，建議深入開展再生混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究，確立與現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中混凝土本構(gòu)關(guān)系相統(tǒng)一的再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型曲線；增設(shè)暗支撐的同時亦增加耗能結(jié)構(gòu)，并開展相應(yīng)的振動臺實驗研究；在借鑒已有相關(guān)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善有限元軟件建模與分析工作，為其建立科學(xué)合理的抗震設(shè)計方法提供可靠理論基礎(chǔ)。

[1] 孟少賓.再生混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2013.

[2] 池彥忠.不同高寬比再生混凝土剪力墻振動臺試驗研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2012.

[3] 曹萬林,張勇波,董宏英,等.再生混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展與評述[J].地震工程與工程振動,2013(6):63-73.

[4] 呂西林,張翠強,周 穎,等.半再生混凝土框架的抗震性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(4):1214-1226.

[5] 呂西林,張翠強,周 穎,等.全再生混凝土框架抗震性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(6):1932-1942.

[6] 張建偉,丹 姍,曹萬林,等.帶暗支撐再生混凝土中高剪力墻振動臺試驗研究[J].工程力學(xué),2012(S1):101-106.

[7] 張建偉,孟少賓,曹萬林,等.帶耗能支撐再生混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究[J].工程力學(xué),2012(S2):176-181，194.

[8] 王長青,肖建莊.再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012(12):1766-1772.

[9] 肖建莊,丁 陶,范氏鸞,等.預(yù)制再生混凝土框架模型模擬地震振動臺試驗[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(2):190-197.

[10] 丁 淘,肖建莊,范氏鸞,等.預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的設(shè)計研究[A].第三屆全國再生混凝土學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2012.

Experimental research on the vibrostand with recycled concrete structure★

Yang Zhaogang1,2Zhang Xu1

(1.CollegeofCivil&Hydrology,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.ChinaBuilding6thEngineeringBureauCivilEngineeringCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

Based on vibrostand test with recycled concrete structure, the paper analyzes waste concrete recycling, explores problems existing concrete structure vibrostand test, and puts forward waste concrete research approaches and proposals in future, so as to solve waste concrete pollution problem.

waste concrete, recycled concrete, seismic-resisting performance, framework

1009-6825(2017)14-0014-03

2017-03-05★：2016年校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(X2016385)

楊召剛(1993- )，男，在讀本科生； 張 旭(1995- ),男，在讀本科生

TU375

A