第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 23 生混凝土结构的研究不多, 影响了再生混凝土的推广应用 框架结构是目前我国一般建筑结构应用最多的结构形式, 也是再生混凝土可能率先应用的结构形式 为了给再生混凝土框架结构工程应用提供依据, 通过对 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50%

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1 第 27 卷, 第 1 期 2011 年 3 月 世界地震工程 WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING Vol. 27,No. 1 Mar 文章编号 : ( 2011) 再生混凝土框架抗震性能试验研究 闵 珍, 孙伟民, 郭樟根 ( 南京工业大学土木工程学院, 南京 ) 摘要 : 通过 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50% 的再生混凝土框架和 1 榀普通对比混凝土框架的低周反复加载试验, 研究了再生混凝土框架的受力全过程 开裂荷载和极限承载力 破坏形态, 分析了再生混凝土框架的滞回曲线 骨架曲线 变形性能 耗能能力等抗震性能, 并和普通混凝土框架进行了对比分析 研究结果表明, 随着再生骨料掺量的增加, 再生混凝土框架的极限承载力 变形能力 耗能能力等抗震性能没有明显降低, 再生混凝土框架具有较好的抗震性能, 再生混凝土框架应用于实际工程是可行的 文中研究成果可为再生混凝土框架结构的工程应用提供依据 关键词 : 再生混凝土 ; 框架 ; 抗震性能 ; 低周反复荷载试验中图分类号 : TU352; P 文献标志码 : A Experimental research on seismic behavior of recycled concrete frames MIN Zhen,SUN Weimin,GUO Zhanggen ( College of Civil Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing ,China) Abstract: Based on low-cyclic reverse lateral loading tests on two recycled aggregate concrete frames with recycled aggregate proportion of 25% and 50% respectively,the seismic behavior of the recycled concrete frames is studied. The failure mechanism,the cracking load,the ultimate strength,the hysteretic characteristics,the skeleton curve,the ductility,deterioration of stiffness,the energy-dissipation and deformation behavior are analyzed. The experimental results indicate that the recycled aggregate concrete frames have well seismic performance,and with the increasing of recycled aggregate proportion,the seismic performance of the recycled aggregate concrete frames have not decreased obviously, which indicate that the recycled aggregate concrete frame applied to practical engineering is feasible. This studied result can be provided for references of the engineering application of the recycled aggregate concrete frames. Key words: recycled aggregate concrete; frame; seismic behavior; low cyclic static loading test 引言 随着城市改造 旧建筑物的拆除和建筑物的淘汰换新速度不断加快, 建筑拆除的垃圾产量越来越大, 由此引发的环境问题受到世界各国的关注 同时, 大量新建建筑需要生产混凝土, 随着对天然砂石的不断开采, 生态环境遭到了巨大破坏 将废弃混凝土块经破碎 分级, 按一定的比例混合后形成的骨料称为再生骨料或再生混凝土骨料, 用再生骨料作为部分或全部骨料配制再生骨料混凝土是废弃混凝土再生利用的有效 [1 - 方法之一 目前, 国内外对再生混凝土的配制及基本力学性能进行了大量试验研究和理论分析 7], 但对再 收稿日期 : ; 修订日期 : 通讯作者 : 江苏省自然科学基金 ; 江苏省六大人才高峰项目作者简介 : 闵珍 ( ), 女, 讲师, 主要从事再生混凝土与新型砌体方面的研究与应用. mz21963@ tom. com 通讯作者 : 孙伟民 ( ), 男, 教授, 主要从事建筑工程领域的教学与研究. swmduy@ njut. edu. cn

2 第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 23 生混凝土结构的研究不多, 影响了再生混凝土的推广应用 框架结构是目前我国一般建筑结构应用最多的结构形式, 也是再生混凝土可能率先应用的结构形式 为了给再生混凝土框架结构工程应用提供依据, 通过对 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50% 再生混凝土框架和 1 榀普通对比混凝土框架的低周反复加载试验, 研究了再生混凝土框架的受力全过程 开裂荷载和极限承载力 破坏形态, 分析了再生混凝土框架的滞回曲线 骨架曲线 变形性能 以及耗能能力等抗震性能 [7,8] 1 试验概况 1. 1 试件设计与制作构件按 1: 2 的缩尺比例进行设表 1 材料力学性能试验结果计, 共 3 榀, 分别编号为 F0 F25 F50, Table 1 Experimental strength of materials F0 为天然骨料混凝土框架 ; F25 F50 分别为再生骨料掺量为 25% 和 50% 的再生混凝土框架, 混凝土设计强度 材料类别混凝土钢筋 8 立方体抗压强度 F0 F25 F50 屈服强度 /MPa /MPa 极限强度 /MPa 等级为 C30 为了便于对比分析,3 榀框架的几何和截面尺寸 配筋情况均相同, 构件尺寸及配筋如图 1 所示 [9] 1. 2 材料力学性能试验在制作试验构件的同时制作材料试样, 在实验的同时进行基本力学性能试验, 测试试验材料的力学性能 具体材料力学性能测试结果见表 1 [10,11] Fig 加载装置 加载制度和测点布置 图 1 框架模型尺寸及配筋图 Frame model drawings and reinforcing details 本试验在南京工业大学江苏省土木工程防灾减灾重点实验 室完成, 试验模型基础通过 4 个 M70 的锚栓固定在静力台座上 竖向荷载通过千斤顶施加, 试验时在柱顶施加 120 kn 竖向 荷载, 水平荷载通过电液伺服加载系统施加 加载装置如图 2 所示 采用位移控制的加载制度, 即由位移控制分级加载, 每级位移循环一次, 每次递增 2mm, 共循环 4 次, 达到 8mm 时, 改为每 级循环 3 次, 以 4 ~ 5mm 递增, 直至试件破坏, 破坏标志即水平荷载下降到极限承载力的 85% 以下 [9] Fig. 2 图 2 试验加载装置 Loading set of the test

3 24 世界地震工程第 27 卷 本试验主要测量了框架梁端 柱端混凝土的应变 ; 梁 柱端纵筋应变 箍筋应变 ; 框架的水平位移 测点布置如图 3 与图 4 所示 试验过程中记录构件开裂荷载和极限承载力 [12] Fig. 3 图 3 钢筋测点布置 The distribution of measuring points on rebars 图 4 混凝土应变片和位移计布置图 Fig. 4 The distribution chart of fraing gauges meters on concrete frame 2 试验结果及分析 2. 1 破坏过程和破坏形态所有框架在柱的竖向荷载和梁端的水平低周反复荷载作用下, 破坏机构是梁铰破坏机制, 即梁端先出现塑性铰, 而后柱下端出现塑性铰, 形成 强柱弱梁 的破坏形态 不同再生骨料掺量的再生混凝土框架的受力过程和破坏形态基本一致, 没有本质的差别, 只是各个阶段的裂缝数量 开裂程度和破坏形态的严重程度不同 普通混凝土和再生混凝土框架的试验全过程如下 : 施加竖向荷载后, 各榀框架的梁端 跨中以及柱均无裂缝出现, 结构处于弹性工作状态 ; 在 = ± 2 ~ 4mm 的加载过程中,F0 和 F25 框架仍无裂缝出现,F50 梁端出现了细小裂缝, 在 = ± 6 ~ 8mm 的加载过程中, 框架梁端出现较多裂缝, 跨中也有裂缝出现, 所有裂缝卸载后都能闭合 ; 在 = ± 10 ~ 16mm 的加载过程中, 框架柱下端外侧出现裂缝, 且随荷载的循环施加而张开 闭合, 卸载后能闭合 ; 继续加载, 梁端和柱端不断出现新裂缝 当位移达到 30mm 后, 裂缝数量基本稳定, 不再有新裂缝产生, 柱端内 外侧面的水平裂缝不断变宽, 柱下端的破坏比柱上端严重, 节点核芯区开始出现水平裂缝和斜裂缝, 并且随着荷载的施加而开展 ; 继续加载, 柱脚处表面混凝土保护层剥落, 且混凝土被压碎, 柱端纵向钢筋被压屈, 构件达到了极限状态 ; 此时, 框架节点的破坏仍不严重, 各框架柱下端水平裂缝的分布形状和位置基本相同, 数量约为 5 ~ 6 条, 最高位置在距基础顶面 60cm 左右处 构件破坏形态如图 5 所示 [12] ( 以框架 F0 为例 ) 图 5 试件破坏形态 ( 框架 F0) Fig. 5 Specimen damage form( Frame F0) 2. 2 滞回曲线试件的滞回曲线如图 6 所示 从图 6 中可以看出 : 在加载初期,3 个试件的滞回曲线基本上为直线, 表明此时试件处于弹性工作状态 裂缝出现后, 滞回曲线逐渐弯曲, 向位移轴倾斜, 滞回环面积增大, 且有 捏缩效应 出现, 形状由原来的梭形向反 S 形转化, 框

4 第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 25 架柱底或梁端纵筋屈服后, 构件刚度逐渐降低, 此后, 荷载稍有增加, 构件便产生较大的位移 达到极限荷载后, 试件滞回环捏缩效应更加显著 在同一加载控制阶段, 后一次循环达到的荷载值均低于前一次, 滞回曲线所包围的面积后一次循环小于前一次循环, 表明框架出现了强度 刚度和耗能能力的退化, 反映了结构累积损伤的影响 图 6 滞回曲线 Fig. 6 Hysteretic curve 从图 6 中还可以看出, 所有框架的滞回曲线形状基本相同, 且曲线都比较丰满, 表明再生混凝土框架和 普通框架一样, 具有良好的耗能能力 2. 3 骨架曲线 框架 F0 F25 和 F50 的骨架曲线如图 7 所示 从图 7 中可以看出 : ( 1) 骨架曲线上有较为明显的开裂点 屈服点 极限荷载点和极限位移点, 即所有框架模型都经历了弹性 弹塑性和极限破坏 3 个阶段 加载初期, 骨架曲线为直线 ; 梁端开裂后, 骨架曲线开始弯曲, 框架的刚度开始降低 ; 框架屈服后, 骨架曲线出现明显的拐点, 此后, 荷载不再增加或增加很小, 但位移迅速增加, 框架刚度明显下降 图 7 骨架曲线 ( 2) 框架屈服以前, 再生骨料的掺入对框架的骨架曲线影响不大, 所有框架的初始刚度基本相同 框架屈服后, 再 Fig. 7 Frame skeleton curve 生骨料的掺入对框架的最大承载能力和极限承载能力有一定影响, 框架 F25 极限承载能力最大,F0 最小, F50 介于前两种之间, 故再生混凝土具有良好的极限承载能力 ( 3) 从变形能力上看, 框架 F50 的变形能力最好, 框架 F0 最差 说明再生骨料的掺入可以增加框架的 延性 2. 4 特征荷载 现将弹性极限点 屈服荷载点 最大荷载点和极限荷载点 4 个特征点的荷载列于表 2 可以看出: 3 榀框 架的开裂荷载基本相等 ; 和框架 F0 相比, 框架 F25 的屈服荷载上升了 9. 3%,F50 下降了 1. 1% ; 框架 F25 F50 的最大荷载分别上升了 18% 9% ; 框架 F25 F50 极限荷载分别上升了 10% 7. 8% 变化无明显规律, 说明再生混凝土材料有一定的离散性, 其框架结构具有良好的开裂荷载和极限承载力 表 2 特征荷载 Table 2 Characteristic loading 框架编号 开裂荷载 P cr /kn 屈服荷载 P y /kn 最大荷载 P max /kn 极限荷载 P u /kn F F F 刚度退化 框架 F0 F25 和 F50 的刚度退化曲线如图 8 所示 从图 8 中可以看出 : 所有框架加载初期的刚度退化 较快, 随着位移的增加, 塑性变形的不断发展, 刚度衰减速度变慢, 整个刚度衰减比较均匀, 没有明显的刚度 突变 框架 F0 和框架 F25 和 F50 的刚度退化规律基本相同, 刚度退化速度基本一致, 表明不同掺量的再生 骨料对框架的刚度退化影响不大

5 26 世界地震工程第 27 卷 2. 6 特征位移及位移延性 试件的位移延性系数见表 3 从表 3 中可以看出 : 所 有框架的位移延性系数在 ~ 之间, 所有框架弹 性阶段的相对变形值 ( 即弹性层间位移转角 ) 在 1 /415 ~ 1 /413 之间,, 极限破坏时的相对变形值在 1 /30 ~ 1 /28, 表明再生混凝土框架和普通混凝土框架一样, 具有较好 的变形能力和延性 表 3 Table 3 延性系数 Ductility factor Fig. 8 图 8 框架刚度退化曲线 Frame stiffness degeneration curves 框架 开裂位移 等效屈服 最大位移 极限位移 延性 相对变形值 编号 cr /mm 位移 y /mm max /mm u /mm 系数 cr /H y /H max /H u /H F /415 1 /98 1 /64 1 /30 F /413 1 /90 1 /47 1 /28 F /413 1 /100 1 /48 1 / 耗能能力采用 Jacobson 提出的等效粘滞系数 ζ e 来表示试件表 4 等效粘滞系数的耗能能力 [8] 各框架在开裂荷载 最大荷载和极限 Table 4 Equivalent viscous damping coefficients 位移循环时的等效粘滞阻尼系数见表 4 从表 4 中可以看出, 随着位移的增加, 等效粘滞阻尼系数增大, 接近破坏时, 构件耗能能力减小, 主要是由于裂缝间骨料的咬合作用受到一定程度得消弱, 构件表现出滑移性质 ; 但所有构件仍具有一定的耗能能力, 等效粘滞阻尼 框架编号 开裂荷载 最大荷载 极限位移 F F F 系数降低幅度不是很大 从表 3 中还可以看出 : 再生混凝土框架等效粘滞系数和普通混凝土框架差别不大, 表明再生混凝土框架和普通混凝土框架一样, 具有较好的耗能能力 3 结论 文中通过 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50% 的再生混凝土框架和 1 榀普通混凝土框架的低周反复加载试验, 得到以下几点结论 : ( 1) 不同再生骨料掺入量的再生混凝土框架和普通混凝土框架, 在低周反复荷载作用下的受力性能 破坏形态和破坏机制没有明显的差别 ( 2) 再生骨料掺入量对再生混凝土框架的延性系数影响不大, 再生混凝土框架和普通混凝土框架一样, 具有较好的延性系数和变形能力 ( 3) 再生骨料掺入量对再生混凝土框架的耗能能力影响不大, 再生混凝土框架和普通混凝土框架一样, 具有较好的抗震性能 ( 4) 再生混凝土框架结构具有良好的开裂荷载和极限承载力 ( 5) 再生混凝土框架在低周反复荷载作用下的强度退化和刚度退化与普通混凝土框架基本相同, 刚度衰减比较均匀, 没有明显的刚度突变 ( 6) 再生混凝土框架具有良好的承载能力 变形能力 耗能能力和抗震性能, 能够满足现行规范对混凝土框架的基本要求, 可以应用于实际工程 参考文献 [1] 闵珍. 再生混凝土框架结构抗震性能研究 [D]. 南京 : 南京工业大学,2008. MIN Zhen. Experimental research on seismic behavior of recycled concrete frame[d]. Nanjing: Nanjing University of Technology College of Civil Engineering,2008. [2] Salem M,Burdette E G. Interrelationship of physical properties of concrete made with recycled aggregates [J]. Cement and Concrete Research,

6 第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 ,22( 3) : [3] Kohler G,Kurkowski H. Optimizing the use of RCA [J]. Cement and Concrete Research,2002,42( 5) : [4] Poon C S. Shui X H,Lam L. Influence of moisture states of natural and recycled aggregates on the slump and compressive strength of concrete[j]. Cement and Concrete Research,2004,44( 4) : [5] Sogo M,Sogabe T,Maruyama I,et al. Shear behavior of reinforced recycled concrete Beams[C]/ / Conference On the Use of Recycled Materials in Building and Structures,November 2004,Barcelona,Spain. [6] 李佳彬. 再生混凝土基本力学性能研究 [D]. 上海 : 同济大学土木工程学院,2005. LI Jiabin. Mechanical properties of recycled aggregate concrete[d]. Shanghai: Tongji University College of Civil Engineering,2005. [7] 张 鹏. 再生混凝土框架结构抗震性能非线性分析 [D]. 山东 : 山东科技大学,2005. ZHANG Peng. Nonlinear analysis on seismic behavior of recycled concrete frame[d]. Shandong: Shandong Universiti of Science and Technology, [8] 肖建庄, 朱晓辉, 再生混凝土框架节点抗震性能研究 [J]. 同济大学学报 ( 自然科学版 ),2005,33( 4) : XIAO Jianzhuang,ZHU Xiaohui. Experimental research on seismic behavior of recycled concrete frame joints[j]. Journal of Tongji University, 2005,33,( 4) : [9] JGJ 建筑抗震试验方法规程 [S]. JGJ Code for Seismic Design of Buildings[S]. [10] Nishiura,Noriaki,Kasamatsu,et al.,experimental study on half-precast beams with recycled aggregate Concrete[J]. Transactions of the Japan Concrete Institute,2000,22: [11] Nishiura,Noriaki,Kasamatsu,et al. Experimental study of recycled aggregate concrete half-precast beams with lap joints[j]. Transactions of the Japan Concrete Institute,2001,23: [12] 朱伯龙. 结构抗震试验 [M]. 北京 : 地震出版社,1989. ZHU Bolong. Structural seismic test[m]. Beijing: Earthquake Press,1989.