一種基于再生混凝土的裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究

李想 孫建剛 張書進 王尊策 徐蕾 崔利富 沙東

摘要： 為了研究低成本抗震節(jié)能結(jié)構(gòu)體系，進行了以建筑垃圾為骨料的再生混凝土力學性能試驗。對再生混凝土剪力墻進行了擬靜力試驗，分析了以建筑垃圾為骨料的再生混凝土剪力墻承載力、破壞形態(tài)以及滯回特性。提出一種隔震裝置以及裝配式結(jié)構(gòu)，通過模擬地震動振動臺試驗分析隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能并檢驗隔震裝置的有效性。結(jié)果表明：再生混凝土的力學性能隨著聚丙烯纖維的加入而提高;再生混凝土剪力墻具有較高的抗震性能和承載能力;裝配式結(jié)構(gòu)洞口處和墻柱連接處為薄弱部位，地震作用下洞口處裂縫呈現(xiàn)X形分布，墻柱連接處幾乎形成貫通的裂縫。在不同地震波作用下，隔震后結(jié)構(gòu)沿高度方向上的振動趨于整體平動，表明該隔震裝置對于結(jié)構(gòu)隔離地震作用具有一定的效果，但該隔震裝置的隔震效果與輸入地震波的頻譜特性有關(guān)，設計時，需要選擇適當?shù)膱龅亍?/p>

關(guān)鍵詞： 隔震結(jié)構(gòu); 建筑垃圾; 振動臺試驗; 新型裝配式結(jié)構(gòu); 擬靜力試驗

中圖分類號： TU352.12 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-4523（2021）05-0899-12

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.05.003

引 言

占中國總建筑面積50%以上的村鎮(zhèn)建筑發(fā)展緩慢，研究裝配式低層村鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)體系成為村鎮(zhèn)發(fā)展和建設的迫切需求。基于中國村鎮(zhèn)建筑量大、面廣，村鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展落后、抗震節(jié)能技術(shù)薄弱的現(xiàn)狀，研究采用建筑垃圾為骨料的低層裝配式隔震結(jié)構(gòu)具有較強的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學者對于低層裝配式結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，Goggins等[1]、Landolfo等[2]、Pourabdollah等[3]較早進行了薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系的研究，并進行了大量的輕鋼龍骨復合墻體抗側(cè)性能試驗與理論分析。Hu等[4]提出了一種新型裝配整體式雙層鋼管混凝土框架體系，并對3個1/2比例的試件進行低周反復荷載試驗。Henry等[5]通過設置軟鋼阻尼器以提高預制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的耗能能力。Marriott等[6]采用軟鋼阻尼器提高預制后張拉搖擺墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。錢稼茹等[7]基于帶邊框的混凝土夾芯輕墻結(jié)構(gòu)，研發(fā)了SW建筑結(jié)構(gòu)體系;賈穗子等[8]提出一種裝配式輕鋼邊框?單排配筋薄墻板組合結(jié)構(gòu)，并對其進行了底周反復荷載試驗。王維等[9]為研究預制混凝土剪力墻隔震結(jié)構(gòu)（PCSW）的抗震性能，進行PCSW的隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)縮尺比例模型的振動臺試驗。袁涌等[10]研究了高阻尼隔震支座的水平剛度和耗能特性。

已有研究大多集中于普通混凝土裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能分析，并未針對采用建筑垃圾為骨料的新型裝配式隔震結(jié)構(gòu)[11?16]進行深入的探討，特別是缺乏低成本裝配式隔震結(jié)構(gòu)的地震動試驗。鑒于此，本文對以建筑垃圾為骨料的再生混凝土進行了力學性能試驗。在此基礎上對再生混凝土剪力墻進行了墻體設計和擬靜力試驗，分析了其抗震性能。提出一種新型隔震裝置以及基于再生混凝土的新型裝配式結(jié)構(gòu)，通過振動臺試驗分析隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能，并檢驗新型隔震裝置的有效性。

1 再生混凝土力學性能試驗

1.1 試驗材料

本文采用42.5R級普通硅酸鹽水泥，再生細骨料和再生粗骨料為大連金石灘某拆除建筑廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗和篩分制得，實測再生細骨料粒徑小于5 mm，再生粗骨料粒徑為5?32 mm，再生骨料物理性質(zhì)如表1所示。本文采用加入聚丙烯纖維的方法提高再生混凝土的強度，聚丙烯纖維物理性質(zhì)如表2所示。

1.2 再生混凝土配合比設計

根據(jù)再生細骨料和再生粗骨料的物理性質(zhì)，采用不同水膠比將再生混凝土的配合比分為A組、B組和C組?；诃h(huán)保、經(jīng)濟及材料強度等因素，在進行配合比設計時分別加入聚丙烯纖維和粉煤灰，同時鑒于該再生混凝土中的再生骨料吸水率較高，故加入附加水，具體配合比設計如表3所示。

參照文獻[17]制作和養(yǎng)護36個再生混凝土立方體抗壓強度標準試件。

1.3 再生混凝土表觀密度試驗

通過試驗測得采用建筑垃圾為骨料的再生混凝土表觀密度，如表4所示。

從表4可知本文所提出的再生混凝土密度均小于普通混凝土密度（2500 kg/m3），表明該新型再生混凝土具有輕質(zhì)的特點。

1.4 再生混凝土立方體抗壓強度試驗

立方體抗壓強度屬于再生混凝土基本的力學性能指標，目前關(guān)于再生混凝土抗壓強度國內(nèi)外試驗結(jié)果不盡相同。Ridzuan[18]通過試驗得出再生混凝土的立方體抗壓強度要高于普通混凝土，肖建莊等[19]則認為普通混凝土的立方體抗壓強度要高于再生混凝土。目前關(guān)于摻有一定比例粉煤灰、聚丙烯纖維和附加水的再生混凝土研究較少，故本文對于以建筑垃圾為骨料的新型再生混凝土的研究具有應用意義。

1.4.1 再生混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果及現(xiàn)象

A，B，C三組再生混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果如表5所示。在整個試驗過程中發(fā)現(xiàn)再生混凝土試件和普通混凝土試件的破壞形態(tài)相似，在豎向荷載作用下，再生混凝土試件呈現(xiàn)水平伸長和豎向壓縮的變形狀態(tài)，而且隨著荷載的逐漸增大，試件側(cè)面的中部首先出現(xiàn)豎向裂縫，隨后裂縫延伸至角部，形成八字形裂縫，而后混凝土立方體試塊邊緣逐步壓碎剝落，最終形成正倒相連的四角錐形的破壞形態(tài)，如圖1所示。

1.4.2 試驗結(jié)果分析

從表5可知，A組（水膠比為0.5）再生混凝立方體抗壓強度最高，且均高于普通混凝土（30 MPa），其中A4組的再生混凝土立方體抗壓強度比普通混凝土立方體抗壓強度提高了13%。在試件水膠比為0.5的情況下，再生混凝土的抗壓強度隨著聚丙烯纖維的加入而提高，這主要是因為：（1）聚丙烯纖維可以明顯提高混凝土的抗塑性收縮能力，混凝土澆筑完成后，裂縫產(chǎn)生的主要原因是材料內(nèi)部水分蒸發(fā)不一致，造成體積的不均勻收縮，漿體收縮所產(chǎn)生的拉應力可導致混凝土開裂，而聚丙烯纖維可以抵消部分應力，從而抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。（2）聚丙烯纖維可以有效地降低裂紋尖端的應力集中，抑制裂縫的發(fā)展。當裂縫形成后，會在尖端處產(chǎn)生應力集中，因此裂縫會繼續(xù)擴展，當尖端發(fā)展到與聚丙烯纖維相交時，聚丙烯纖維可以抵消部分應力，因為在混凝土中聚丙烯纖維呈三維狀態(tài)分布，所以可有效地防止裂縫發(fā)展成貫穿裂縫。因此聚丙烯纖維可以提高再生混凝土立方體的抗壓強度。再生混凝土加入粉煤灰后其立方體抗壓強度雖然有所降低，但是粉煤灰具有環(huán)保、經(jīng)濟、可再生的特征，而且其抗壓強度也高于普通混凝土立方體抗壓強度（30 MPa），所以適當增加粉煤灰在未來的研究中可以作為一個重要的參考。綜上分析，再生混凝土立方體抗壓強度比普通混凝土提高的原因主要可能為：（1）加入聚丙烯纖維提高再生混凝土立方體抗壓強度;（2）再生細骨料和再生粗骨料的吸水率較大，混凝土的拌和中儲水與吸水作用明顯;（3）再生細骨料和再生粗骨料表面粗糙，故其與砂漿的摩擦系數(shù)大，使得在試驗時界面的摩擦力增大。通過對比各組試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)A4組最優(yōu)。

2 采用建筑垃圾為骨料的再生混凝土剪力墻擬靜力試驗

2.1 墻體設計

本文采用A4組再生混凝土配合比進行再生混凝土墻體的設計和制作，配合比如表6所示。參考試驗加載條件設計墻體長1.5 m，高1.45 m，厚150 mm，在墻體兩側(cè)設置暗柱以增強整體性，其中暗柱截面長170 mm，寬150 mm，再生混凝土剪力墻墻體設計及制作流程如圖2所示。

2.2 地梁制作

采用插入式裝配方法連接墻體和地梁。在地梁頂部設計凹槽，然后將墻體插入到凹槽中，并在縫隙中灌入砂漿，使地梁和墻體構(gòu)成一個整體，這樣可以有效地限制墻體在外荷載作用下發(fā)生傾覆和滑移，地梁設計圖如圖3所示。

2.3 試驗裝置和加載制度

2.3.1 試驗裝置

試驗裝置如圖4（a）所示。在豎向作動器和水平作動器上布置力傳感器，在墻體的側(cè)面沿高度布置5個位移傳感器，如圖4（b）所示。試驗現(xiàn)場照片如圖4（c）所示。

2.3.2 加載制度

首先通過豎向作動器在分配梁頂面中心處施加豎向荷載80 kN，加載過程中保持恒定。試驗開始前，對墻體進行豎向預加載，預加載值為實際試驗豎向荷載的30%。預加載過程中檢查傳感器是否正常，并保證墻體受力穩(wěn)定和均勻。確保傳感器等正常工作后，在水平方向施加低周往復荷載，且水平荷載的施加從0開始，每級增加20 kN，直到墻體開裂。每到峰值處持時90 s，以便觀測墻體的裂縫狀況和記錄數(shù)據(jù)。當墻體達到屈服強度并開裂后，改用以位移為控制值的加載方式，其加載值取墻體開裂寬度的2倍，并逐漸增大，每周期位移值循環(huán)2次，直至水平荷載下降到極限荷載的85%，試驗停止。

2.4 再生混凝土剪力墻抗震性能試驗結(jié)果及分析

2.4.1 試驗現(xiàn)象及原因分析

試驗前期，墻體未有明顯變化。當水平荷載達到140 kN時，墻體的左下角和右下角出現(xiàn)45°交叉斜裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增大，墻面的裂縫逐漸增多。當水平荷載達到180 kN時，墻體的左上角至右下角和右上角至左下角出現(xiàn)兩條貫穿墻體的斜裂縫，呈現(xiàn)X形。當水平荷載增加至210 kN時墻體從底部被剪斷，整體結(jié)構(gòu)破壞，如圖5所示。

墻體破壞主要是因為墻體受到水平剪切荷載的作用，隨著剪切力的不斷增大，墻體進入彈塑性狀態(tài)，墻體表面出現(xiàn)微小的裂縫。此時水平剪切荷載繼續(xù)增大，墻體裂縫不斷增多、擴展，且主要以斜裂縫為主，墻體進入塑性狀態(tài)。最后，在力的作用下墻身鋼筋網(wǎng)片被拉斷，墻體兩端暗柱鋼筋屈服，墻體破壞。

2.4.2 滯回曲線

從圖6中可以看出試驗前期水平方向位移較小，荷載位移呈直線分布，墻體表面開裂前處于彈性工作狀態(tài)。隨著水平荷載的繼續(xù)增大，墻體逐漸開裂，當水平荷載達到140 kN時，墻體出現(xiàn)斜裂縫，此時墻體進入彈塑性狀態(tài)，當水平荷載繼續(xù)增大，裂縫逐漸變寬、增多、延伸，滯回曲線所圍面積也逐漸增大，且曲線呈梭形。隨著水平荷載的進一步增大，墻體進入塑性階段，墻面出現(xiàn)X形裂縫，滯回曲線所圍成的面積繼續(xù)增加，表明耗能能力增強，且滯回曲線逐漸由梭形變?yōu)楣巍?/p>

2.4.3 骨架曲線和剛度退化曲線

從圖7墻體的骨架曲線中可以看出，再生混凝土剪力墻體在試驗的整個階段，骨架曲線的斜率呈現(xiàn)由大到小的變化趨勢，試驗剛開始時墻體的骨架曲線斜率最大，表明再生混凝土剪力墻剛度大，此時墻體處于彈性階段。隨著水平荷載的逐漸增大，墻體出現(xiàn)微小裂縫，骨架曲線的斜率開始逐漸減小，此時墻體處于彈塑性階段。繼續(xù)增加水平荷載，發(fā)現(xiàn)墻體的骨架曲線斜率持續(xù)下降，表明墻體的承載能力逐漸降低。從圖8墻體剛度退化曲線可以看出隨著位移進一步增大，墻體剛度逐漸減小，初始階段剛度退化明顯，退化速度較快;隨著位移的增大，墻體剛度退化速度逐漸降低，且當墻體處于極限荷載時，墻體剛度最小，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 基于再生混凝土的新型裝配式結(jié)構(gòu)地震動臺試驗

3.1 結(jié)構(gòu)概況

為了研究低成本抗震節(jié)能結(jié)構(gòu)體系，基于再生混凝土力學性能試驗和再生混凝土剪力墻擬靜力試驗，明確了試驗材料的力學性能、墻體的抗震性能和承載力。提出一種基于再生混凝土的新型插入式裝配結(jié)構(gòu)體系，旨在提供一種工廠化生產(chǎn)，低成本，安裝簡單的新型裝配式結(jié)構(gòu)，并提出一種造價低廉適用于該結(jié)構(gòu)的復合滾動隔震裝置。

3.2 振動臺試驗方案

3.2.1 新型裝配式結(jié)構(gòu)模型尺寸

受振動臺尺寸的限制，將原型結(jié)構(gòu)設計成1∶3縮尺模型，如圖9所示。模型尺寸長×寬×高=2.6 m×1.6 m×1.5 m。根據(jù)實際尺寸計算模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量為4.3 t（包括底座重量），屋頂配重1.2 t。最終確定的相似比關(guān)系如表7所示。

3.2.2 新型裝配式結(jié)構(gòu)模型砌筑

為了響應國家節(jié)能減排，建設節(jié)約型社會的號召，該新型裝配式結(jié)構(gòu)模型的材料采用以建筑垃圾為骨料的再生混凝土，其具體配合比如表6所示。模型砌筑過程中首先澆筑混凝土地梁，而后綁扎帶有凹槽的異形柱鋼筋，并在地梁上支模，澆筑異形柱，同時砌筑墻體。待墻體和異形柱等養(yǎng)護完畢，將墻體插入異形柱凹槽，并在異形柱和墻體縫隙中灌注砂漿，實物模型砌筑過程如圖10所示。

3.2.3 復合滾動隔震裝置設計

1）滾動隔震裝置模型力學性能分析

滾動隔震裝置中滾球在凹槽的滾動過程中摩擦力和水平剛度非常小，所以有效地阻止了絕大部分水平地震力向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，而且凹槽可以有效地限制振動過程中底板所產(chǎn)生的滑動位移。將隔震裝置上部結(jié)構(gòu)假定為剛體運動，質(zhì)量為M，僅考慮單向的自由振動，其整體簡圖如11所示。

只取一個鋼球進行滾動隔震裝置力學分析，其質(zhì)量為m。其運動與幾何關(guān)系如圖12所示。

可以得到動力方程為

式中 為地震波加速度，為上部結(jié)構(gòu)相對于地面的加速度，為隔震層阻尼，為隔震層剛度，為隔震層所受的水平力。

由基礎的運動和幾何關(guān)系知

2）復合滾動隔震裝置的研制

地震作用下，滾動隔震裝置依靠滾球在凹槽內(nèi)滾動來消耗地震能量，并且在上部結(jié)構(gòu)的重力作用下自身復位。雖然有很好的隔震效果，但由于沒有限制滾球滾動量的措施，滾球仍有可能從凹槽中滾出，導致建筑物發(fā)生傾覆，失去隔震意義。

基于滾動隔震裝置的優(yōu)缺點，結(jié)合橡膠自身特性，本文提出了一種新型的復合滾動隔震裝置，如圖14所示，該裝置由5個廢舊橡膠柱體和4個滾動隔震支座并聯(lián)而成，其中滾動隔震支座由向上和向下開口的曲率相同的凹槽所組成，并在凹槽內(nèi)放置鋼球，該凹槽和鋼球的直徑可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量和隔震周期的具體情況來確定;在滾動隔震支座頂部和底部焊接上下墊板，其中鋼球采用軸承鋼GCr15，上下凹槽采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345B，上下墊板采用鑄鋼ZG270?500;同時在4個滾動隔震支座的周圍布置5個具有一定剪切剛度的廢舊橡膠柱體，限制隔震層位移，以防止鋼球從凹槽中滾落。隔震裝置如圖14所示，隔震裝置布置如圖15所示。

3）新型隔震裝置的優(yōu)點

（1）橡膠柱起到限位、消能、復位的作用，造價低廉。

（2）橡膠柱增大隔震層的有效剛度和阻尼，對于減小地震對結(jié)構(gòu)的破壞起到很大的作用。

（3）新型隔震裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于取材，安裝施工簡單，具有瞬時復位功能，其既能支撐上部結(jié)構(gòu)，又能隔離地震向上部結(jié)構(gòu)的輸入。

（4）與單一滾動隔震支座相比，該新型復合滾動隔震裝置具有更好的豎向承載能力和恢復力。

3.2.4 測點布置

試驗在大連民族大學結(jié)構(gòu)實驗室的3.00 m×3.00 m振動臺上完成。為了測量房屋關(guān)鍵部位的加速度和位移，在模型上分別布置了若干加速度計和位移計，其測點布置如圖16所示。

3.2.5 試驗工況

為了考察結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震等級作用下的動態(tài)特性和響應規(guī)律，基于振動臺的限制選擇如下4種位移波：Jinmen波、EL?Centro波、Taft波和Pasadena波，進行了16個試驗工況。試驗模型的短邊方向為振動臺的振動方向。進行名義加速度峰值分別為0.1g，0.2g，0.3g和0.4g的加振試驗，根據(jù)相似比對4種地震波按照設計峰值加速度進行比例縮放，持續(xù)時間與原波相同，其中Jinmen波和EL?Centro波的位移時程曲線如圖17?18所示。

3.3 試驗結(jié)果及分析

3.3.1 試驗現(xiàn)象

地震波輸入后，隔震層出現(xiàn)明顯的位移，且隨著地震波加速度峰值的增加，隔震層位移也逐漸增大。試驗過程中隔震層位移呈現(xiàn)平動反應。當臺面輸入地震波加速度峰值達到0.2g時，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，處于彈性工作狀態(tài)。當臺面輸入地震波加速度峰值達到0.3g時，結(jié)構(gòu)在洞口處、墻柱連接處開始出現(xiàn)微裂縫。當臺面地震波加速度峰值達到0.4g時，結(jié)構(gòu)在洞口處、墻柱連接處產(chǎn)生裂縫，但未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的損壞與倒塌，其中洞口處裂縫呈現(xiàn)X形分布，墻柱連接處幾乎形成貫通的裂縫。0.4g地震波輸入后激振方向結(jié)構(gòu)裂縫如圖19所示。

3.3.2 模型加速度反應

地震波加速度為0.1g，0.2g，0.3g和0.4g時，結(jié)構(gòu)沿高度方向加速度放大系數(shù)如圖20所示。

從圖20中可以看出，隨著臺面地震加速度的不斷增大，其上部結(jié)構(gòu)的加速度也逐漸增大。就不同地震動輸入來看，在卓越頻率相對較高的EL?Centro波、Jinmen波和Taft波的作用下，結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)明顯小于卓越頻率相對較低的Pasadena波，這說明該隔震裝置的隔震效果與輸入地震波的頻譜特性有關(guān)，設計時，需要選擇適當?shù)膱龅?。當輸入地震波的加速度越低，結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)越小，隔震效果越好，表明該隔震裝置適合于震級較小的地震。

3.3.3 模型位移反應

地震波加速度為0.1g，0.2g，0.3g和0.4g時，結(jié)構(gòu)沿高度方向位移峰值如圖21所示。

從圖21中可以看出，隨著臺面地震位移的不斷增大，結(jié)構(gòu)的位移也逐漸增大。在不同地震動輸入的情況下，隔震后結(jié)構(gòu)沿高度方向上的振動趨于整體平動，表明該裝置對于結(jié)構(gòu)隔震具有一定的效果。

4 結(jié) 論

（1）采用建筑垃圾為骨料的再生混凝土表觀密度具有輕質(zhì)的特征，摻入聚丙烯纖維后再生混泥土的抗壓性能有所提高，且破壞時碎片剝落較少，具有較強的整體性。

（2）采用插入式連接的再生混凝土剪力墻其抗震性能與普通剪力墻類似，彈性階段位移和荷載呈近似直線分布狀態(tài)，彈塑性階段位移增速明顯高于彈性階段，塑性階段墻體產(chǎn)生較大位移，隨即倒塌，且墻體滯回曲線飽滿呈現(xiàn)梭形和弓形，具有一定的耗能能力。

（3）該新型裝配式結(jié)構(gòu)洞口處和墻柱連接處為薄弱部位，在地震作用下洞口處裂縫呈現(xiàn)X形分布，墻柱連接處幾乎形成貫通的裂縫，建議對結(jié)構(gòu)的洞口進行加固改造，同時對墻柱連接處加強拉結(jié)。在不同地震動輸入的情況下，隔震后結(jié)構(gòu)沿高度方向上的振動趨于整體平動，表明該裝置對于結(jié)構(gòu)隔離地震作用具有一定的效果，但該隔震裝置的隔震效果與輸入地震波的頻譜特性密切相關(guān)，設計時，需要選擇適當?shù)膱龅亍?/p>

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作者簡介： 李 想（1989-），男，博士研究生，講師。電話：（0411）87557345; E-mail：idealityme@163.com

通訊簡介： 孫建剛（1959-），男，博士，教授。電話：（0411）87557350; E-mail：277602125@qq.com