再生混凝土墙体抗震性能试验

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  【摘 要】设计制作三片相同尺寸、不同配筋率、不同轴压比的格构式再生混凝土墙体,分析轴压比、配筋率对墙体抗震性能的影响。结果表明,再生混凝土墙体破坏机理同普通混凝土墙体基本一致,破坏形态均以剪切破坏为主。相对于再生混凝土墙体,加强边柱配筋其延性系数提高了48.7%,提高轴压比,延性系数提高了46.5%,说明提高轴压比和加强边柱配筋能够抑制裂缝的发展,延缓墙体的破坏进程。再生混凝土墙体抗震性能优于普通混凝土墙体。
  【关键词】再生混凝土;再生骨料;抗震性能;轴压比;配筋率
  再生混凝土即再生骨料混凝土,是指将废弃的混凝土经破碎、清洗、分级筛选后形成的再生骨料,部分或者全部替代天然骨料配制而成的混凝土。我国每年新建房屋大约6.5亿平方米,每平方米排出建筑垃圾500~600吨,全年仅施工单位就能产生建筑垃圾4000万吨[1-2]。如何有效处理这些建筑垃圾,已经成为刻不容缓的问题。再生骨料混凝土技术作为一种有效方法,近些年来得到了国内外众多学者的研究[3-6]。使用再生混凝土制成新的建材产品,既解决了环境问题,又使废弃资源得到了重新利用,实现建筑资源环境的可持续发展,具有重要意义。基于此笔者结合本课题组已有研究,设计了三片相同尺寸、不同配筋率、不同轴压比的格构式墙体,分析其抗震性能,为再生混凝土墙体研究提供参考依据。
  1试验概况
  1.1试验材料
  废弃混凝土原标号为C20,经人工破碎处理,粒径在5~30mm,采用裹浆法预处理。经处理后的再生骨料在自然环境下放置28d。对比处理前后的再生粗骨料,可以看到处理前的骨料表面较为粗糙,棱角较多,处理后的骨料表面相对光滑,棱角少。试验采用HRB335和HPB235两种钢筋,水泥采用普通硅酸盐水泥,强度等级为32.5。砂子采用河砂、细度模数为中级。拌合用水采用沈阳市自来水。外加剂采用辽宁省建设科学研究院生产的高浓高效减水剂。处理后的骨料放置28d后,与天然骨料按照1:1的比例混合作为本次试验的粗骨料。
  1.2墙体设计
  设计的三片墙体编号分别为RCSW1、RCSW2、RCSW3,所有墙体的地梁和顶梁均采用普通混凝土,强度等级为C30, RCSW1、RCSW2边柱加强配筋,RCSW3边柱不加强配筋,墙体的设计编号及参数见表1。
  表1 墙体试件主要参数
  Table1 The main parameters of the test walls
  试件编号 轴压比 边柱竖向钢筋 边柱箍筋 水平钢筋
  RCSW1 0.15 4φ10 φ6@150 φ6@150
  RCSW2 0.22 4φ10 φ6@150 φ6@150
  RCSW3 0.15 1φ6 无 φ6@150
  1.3试验装置
  参照《建筑抗震试验方法规范》(JGJ10196),采用拟静力试验方法对试件进行低周反复荷载试验。利用日本建研式四连杆结构,该装置能保证墙体在水平力作用下,试件顶面只传递弯矩和剪力,墙体顶部不发生转角。水平荷载采用美国MTS电液伺服系统,调整高度,使其水平中心线通过墙体尺寸的1/2高度处;竖向荷载采用两个倒挂液压千斤顶,千斤顶的前端各连接有拉压传感器,传感器的下面放置有球铰,为减小竖向荷载在加载过程中产生的摩擦影响,在球铰的下方与L形曲梁中间放置两个滑板。
  1.4加载制度
  参照《建筑抗震方法规程》(JGJ101-96),首先对墙体施加竖向荷载,并保持恒定,然后施加计算水平开裂荷载的20%,进行预加载两次,观察墙体受力是否正常,有无平面外失稳,仪表是否正常,待稳定后开始正式加载。正式加载采用荷载位移双控制加载制度,首先施加计算开裂荷载的30%,每次增加20kN,每级推拉一次,直到观察出现墙体裂缝后改为位移控制,取开裂位移的2倍向上递增,每级循环2次,直到水平荷载下降到极限荷载的85%,此时认为墙体已经破坏,试验停止。
  2试验现象及破坏形态
  2.1 RCSW1
  试件RCSW1竖向荷载取485kN,水平荷载从110kN开始施加,每次增加20kN,当荷载达到250kN时,墙体部分连梁处出现竖向裂缝,加载系统显示开裂位移Δ为1.15mm,此后改为位移控制加载,墙体进入弹塑性阶段;当位移达到2Δ时,斜裂缝延伸至连梁下端,开始出现交叉裂缝;极限加载,控制位移为4Δ时,可以看到斜裂缝明显,墙体底部上部均开始出现细微斜向裂缝;以6Δ位移控制时,底部受拉侧出现明显的斜裂缝,墙体出现横向裂缝;位移达到8Δ时,原有裂缝不断变宽,连梁处交叉裂缝混凝土被压酥,轻微剥落;10Δ时,连梁处混凝土大量剥落,开始显出钢筋;12Δ时,连梁处X裂缝破坏,混凝土剥落严重,钢筋裸露严重,停止试验。
  2.2 RCSW2
  试件RCSW2竖向荷载取610kN,水平荷载从116kN开始施加,每次增加20kN,往复荷载达到220kN时,在上部第二层连梁上部和下部出现细微斜向裂缝,此时MTS系统显示墙顶位移Δ为1.2mm,随后改为位移控制,级差取2Δ。随着位移的增加,连梁处裂缝不断发展、延长,长度大致为60mm;当位移增加到4Δ时,连梁处出现细微的环状裂缝,到达6Δ循环时,环状裂缝内部出现交叉裂缝,大致成45度;以8Δ控制时墙体底部出现裂缝,连梁处交叉裂缝发展明显,几乎所有连梁处都出现了X裂缝;10Δ时,墙体底端裂缝向上不断延伸,宽度达5mm,墙体上部也出现了细微裂缝,长度为220mm左右,混凝土开始剥落;12Δ时,下部裂缝延伸长度达到750mm,底部最大裂缝可达8mm,混凝土剥落严重,钢筋出现,墙体承载力下降到极限荷载的85%,停止试验。
  2.3 RCSW3
  试件RCSW3竖向荷载为610kN,水平荷载从116kN开始施加,每次增加20kN。当荷载达到236kN时,滞回曲线出现拐点,此时开裂位移为0.81mm,说明墙体进入弹塑性阶段,然后改为位移控制,级差Δ取1.62mm。以2Δ控制加载时,连梁处出现明显斜向裂缝,4Δ时,连梁处出现交叉裂缝,并伴随有混凝土剥落;随着控制位移的增大,裂缝明显增大、延伸,混凝土被压碎,连梁下部出现裂缝,墙体上部出现横向裂缝;达到8Δ时,横向裂缝明显增大,墙体上的斜向裂缝发展明显;10Δ时,连梁处混凝土出现剥落,显露出钢筋,承载力下降迅速,试验停止。   3结果分析
  3.1滞回曲线分析
  墙体的滞回曲线如图1所示。墙体开裂前,滞回环狭长窄小,近似为直线,几乎没有残余应变,表明墙体处于弹性阶段;墙体开裂后,滞回环的面积逐渐增大,开始向X轴倾斜,由于“捏缩效”,滞回环形状从原来的梭形向反S形过渡,残余变形变大,墙体用耗能的方式来抵抗不断增加的外力,有明显的刚度退化,此时墙体处于弹塑性工作阶段。达到极限荷载后,承载力随着位移的增加而逐渐下降,滞回环的捏缩现象更为显著,残余变形继续增加,说明墙体发生了较大的剪切滑移,残余变形较大。
  (a)RCSW1 (a)RCSW2 (a)RCSW3
  图1 滞回曲线
  对比三片再生混凝土墙体滞回曲线可以看出:试件RCSW1与RCSW2相比,轴压比较大的RCSW2墙片滞回曲线较为饱满,滞回环面积较大,耗能能力较好;试件RCSW1和RCSW3相比,配制边柱的RCSW1墙片滞回曲线较为饱满,滞回环面积较大,中部捏拢较轻,加强边柱配筋可以显著提高墙体的耗能能力。
  3.2骨架曲线分析
  墙体的骨架曲线如图2所示。从图中可以看出,墙体在整个加载过程中分为三个阶段。弹性阶段:墙体开裂前,骨架曲线近似为直线,往复荷载作用下残余应变较小;弹塑性阶段:墙体开裂后,骨架曲线开始向X轴弯曲;破坏阶段:水平荷载达到极限荷载后,刚度下降较快,墙体的承载力随着位移的增加而迅速下降。
  (a)轴压比的影响 (b)边柱配筋的影响
  图2 骨架曲线对比图
  通过图2(a)可以看出,骨架曲线的整体趋势基本一致,达到极限荷载后刚度下降较为明显,RCSW1所围成的面积较大,极限承载力较大,抗震性能好。从图2(b)可以看出,骨架曲线按同一趋势发展,弹性阶段骨架曲线基本吻合,加强边柱可以提高墙体的极限承载力,但对其刚度下降程度基本没有影响,主要是因为墙体出现裂缝后边柱配筋抵抗了部分外部荷载。
  3.3耗能系数及等效粘滞系数
  耗能能力是指结构或构件在地震荷载作用下发生塑性变形时吸收能量的大小,是评定结构抗震性能的一个重要参数,用耗能系数φ来表示。结构在非弹性阶段受到往复荷载作用时产生滞变阻尼,随着位移的增大而增大,这种阻尼分析可以用等效粘滞阻尼比ζeq来表示。试验墙体的耗能系数φ和ζeq见表2所示。
  表2 墙体耗能系数及等效粘滞系数
  表2 The dissipative coefficient and effective viscosity
  试件 φ ζeq
  RCSW1 0.397 0.063
  RCSW2 0.581 0.093
  RCSW3 0.507 0.081
  与文献[6]中普通混凝土墙体试件对比看出:①提高轴压比不仅可以提高其墙体的承载力,同时也可提高墙体的耗能系数和等效粘滞系数,抗震性能得到提高。加强边柱配筋可以提高墙体的耗能能力。因为在反复荷载作用下,增加竖向配筋抑制了裂缝的发展,开裂面处的相互摩擦消耗了更多的能量,耗能系数和等效粘滞系数得到提高。③对比再生混凝土墙体和普通混凝土墙体的耗能系数和等效粘滞系数,可以看出再生混凝土墙体的耗能性较好。
  4结 论
  (1)再生混凝土墙体的破坏形态与普通混凝土墙体破坏形态类似,均以剪切破坏为主。
  (2)墙体的开裂荷载占极限荷载的60%以上,加强边柱后墙体的极限承载力得到了提高,提高轴压比能够提高墙体的极限承载力。再生混凝土墙体比普通混凝土墙体骨架曲线包裹的面积稍大,说明再生混凝土墙体的抗震性能较好。
  (3)相对于再生混凝土墙体,加强边柱配筋其延性系数提高了48.7%;提高轴压比,延性系数提高了46.5%;随轴压比增大,极限转角和破坏转角均会下降;加强边柱配筋,墙体的极限转角和破坏转角均下降,说明提高轴压比和加强边柱配筋能够抑制裂缝的发展,延缓墙体的破坏进程。
  (4)对比再生混凝土墙体和普通混凝土墙体,能够发现再生混凝土墙体的耗能系数和等效粘滞系数较大,说明再生混凝土墙体的耗能性较好。
  参考文献:
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  基金项目:国家自然科学基金资助项目(51178275);沈阳市科技计划项目(F11-165-9-00)
  作者简介:杨永生(1981—),男,硕士,工程师,主要从事结构工程研究。
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