再生混凝土框架边节点抗震性能试验研究

2012-09-28王晓菡柳炳康

合肥工业大学学报（自然科学版） 2012年10期

王晓菡，柳炳康，胡波，吴童

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122）

再生混凝土是将废弃混凝土块体经过回收、破碎、筛分后，按一定的比例与级配混合形成再生骨料，它可部分或全部代替天然骨料配制混凝土［1］。再生混凝土循环利用，既能解决开山采石对天然生态环境造成的破坏，又能减少城市废弃物的填埋占地和环境污染问题［2］，可发挥巨大的经济和社会效益，符合人类的可持续发展需求，具有广阔的应用前景。

以往对再生混凝土的研究大多为建筑物或道路的基础垫层等非结构件中［3］，为了探讨再生混凝土技术推广应用于抗震设防地区承重结构的可行性，需要开展再生混凝土梁、柱、节点等基本构件抗震性能试验研究。本文通过2榀再生混凝土框架边节点试件拟静力试验研究，了解节点的受力状态和破坏过程，分析纵筋和箍筋应力、应变分布以及延性、耗能能力等。基于ABAQUS软件建立节点有限元分析模型，并将2榀试件的混凝土以及钢筋数值计算结果与试验实测结果进行比较。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文研究对象是再生混凝土框架边节点，再生骨料取代率均为100%，试件根据文献［4］进行设计。试验主要变化参数为节点核心区配箍率、梁端纵筋配筋率和试验轴压比。本次试验共制作2榀试件，试件SEJ－1设计为节点核心区剪切破坏，梁端配筋较强，节点配筋薄弱，梁端配有322受力纵筋，核心区只配有16箍筋，用以了解节点核心区破坏模式和承载能力。试件SEJ－2设计为梁端弯曲破坏，梁端配筋较弱，节点配筋较强，梁端配有316受力纵筋，核心区配有36箍筋，用以了解梁端承载能力和延性指标。试件编号、试件尺寸及配筋，如图1所示。

图1 试件尺寸及配筋图

1.2 材料性能与试验装置

利用正交试验对再生骨料混凝土配合比进行设计，混凝土配合比按水泥、黄沙、再生骨料、水取1∶0.917∶1.95∶0.42。试件同批次浇筑再生混凝土，制作6个150mm×150mm×150mm立方体试块，混凝土试块实测抗压强度平均值为36.5MPa，抗压强度标准值为35.3MPa，抗拉强度标准值为2.43MPa。钢筋实测力学性能见表1所列。试验设计为固定柱的上下端，梁端通过MTS电液压伺服作动器加载。首先通过液压千斤顶对柱上端施加稳定的竖向轴力，然后在梁端施加低周反复荷载。试件SEJ－1柱的轴压比为0.2；SEJ－2轴压比为0。

试验的加载装置如图2所示。

表1 实测钢筋力学性能 MPa

图2 试验加载装置

1.3 加载方案

根据文献［5］，采用拟静力试验方案，在梁端施加上下反复荷载。采用荷载和位移双控制方法，具体过程如下：试件屈服以前按照荷载值控制加载，首次加载为预估屈服荷载的20%，之后每级递增预估屈服荷载的10%，每级荷载循环1次。如果发现受拉纵向钢筋应变达到或超过屈服应变，即停止加载，并记录相应的屈服位移和屈服荷载。试件屈服后加载改为位移控制阶段，位移加载循环按照5mm递增，每个循环重复3次进入下一个循环，直到试件破坏终止。

1.4 量测内容及量测设备

梁端反复荷载是通过MTS作动器施加的，实验过程中所施加的荷载及对应的位移值由计算机及伺服控制系统同步自动记录。在试件梁柱端部纵筋和核心区箍筋上分别粘贴电阻应变片，用以量测钢筋应变。试件节点核心区采用混凝土应变花量测混凝土最大主应变，并在试件节点核心区的另一侧面对角线方向布置位移计，用以量测核心区剪切变形。利用靠近节点的梁端上下设置的位移计测量梁端塑性铰区域的转角。实验过程观察梁端和节点核心区混凝土开裂、裂缝宽度与分布。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

试件SEJ－1呈节点核心区剪切破坏，再生混凝土试件从加载到破坏节点核心区经历了弹性阶段、开裂阶段、通裂阶段和破坏阶段［6］，通裂时试件节点核心区的裂缝分布形态如图3a所示。初裂荷载约为极限荷载的50%，裂缝宽度很小，卸载后裂缝闭合。随着反复荷载的施加，裂缝宽度加大，裂缝数量增多，通裂荷载约为极限荷载的80%，核心区裂缝宽度达到0.5mm左右，混凝土保护层起壳并脱落，核心区箍筋屈服。继续加载，核心区混凝土大块脱落，承载能力下降为极限荷载的70%左右，试验结束。

图3 试件破坏时裂缝形态图

试件SEJ－2呈梁端弯曲破坏，初裂荷载约为极限荷载的40%，初始裂缝出现在梁端，宽度约为0.1mm，当裂缝宽度增大到0.6mm左右时梁端纵筋屈服，屈服荷载约为极限荷载的80%，此时核心区出现微裂缝，梁端破坏形态如图3b所示。继续施加反复荷载，梁端到达极限状态，受压区混凝土剥落，承载能力下降到极限荷载的60%左右，试验结束。

2.2 钢筋应变滞回曲线

试件SEJ－1梁端上、下部的纵筋在反复荷载作用下钢筋荷载－应变滞回曲线如图4a、图4b所示。从图中可以看出，加载至纵筋屈服前，钢筋应变随荷载正负交替呈直线变化，钢筋受拉应变明显大于受压应变，这是因为梁端混凝土开裂后，受拉区纵筋应力可以充分发挥，而受压区纵筋受到混凝土压应变限制应力较小。加载至最大荷载120kN时，节点核心区达到极限状态，此时拉区钢筋应变达到2500×10－6，纵筋屈服。继续加载位移增加，承载力明显下降，钢筋应力随之下降。梁端卸载为0时，钢筋应变不能恢复为0，这是由于卸载后梁端位移不能完全恢复，钢筋仍存在残余拉压力。

图4c所示为SEJ－1核心区箍筋的荷载－应变滞回曲线，由图可知，荷载循环初期节点尚未开裂，节点剪力主要由核心区混凝土承担，箍筋应力很小。加载至核心区出现通长裂缝，与裂缝相交的箍筋应变达1520×10－6，箍筋达屈服应力。随加载循环的增加，梁端卸载为0时，箍筋应变不能回到0点，说明箍筋为约束节点核芯区混凝土的横向膨胀产生了拉力［7］。

图4 试件SEJ－1钢筋荷载－应变滞回曲线

试件SEJ－2梁端上、下部的纵筋在反复荷载作用下钢筋荷载－应变滞回曲线如图5a、图5b所示。从图中可以看出，加载至最大荷载60kN时，梁上部受拉区纵筋应变达到4000×10－6左右，钢筋屈服应变片损坏。梁下部受拉区纵筋应变达到2800×10－6时，钢筋屈服应变突增至4000×10－6，随着加载数值变化，钢筋应变稳定在4000×10－6左右，说明纵筋屈服后残余应变无法恢复。

图5c所示为SEJ－2核心区箍筋的荷载－应变滞回曲线，由图可知，在加载初期节点核心区处于弹性阶段，核心区剪力主要由混凝土承担，箍筋应力几乎为0。随着荷载的增大箍筋应变逐渐增大。加载至最大荷载60kN时，箍筋的最大应变没有超过1600×10－6，说明箍筋没有屈服，这一现象与试验观测到的宏观裂缝发展形态吻合。梁端卸载为0时，箍筋应变不能回到0点，说明节点核芯区混凝土也存在横向膨胀，导致箍筋产生了拉力。

图5 试件SEJ－2钢筋荷载－应变滞回曲线

3 有限元数值模拟

采用ABAQUS软件建立了节点有限元模型，再生混凝土采用20节点六面体2次完全积分单元，钢筋采用T3D2单元，通过在主体单元中定义嵌入单元的方式来模拟钢筋和混凝土之间的黏结关系［8］。

根据实验加载实际状况，在柱上、下端施加3个方向的位移约束和3个方向的转动约束，在梁上设置刚性垫块，在刚性垫块上施加正反两向荷载与位移，采用正向单调加载和反向单调加载的方法近似模拟试件的受力状况。

试件SEJ－1混凝土的Mises应力图如图6a、图6b所示，从中可以看出，核心区混凝土最大主应力已经达到混凝土抗拉强度，与试验过程中节点核心区混凝土开裂现象一致。试件SEJ－1钢筋的Mises应力图如图6c、图6d所示，从中可以看出，核心区仅有的1根箍筋最大应力已经达到屈服强度，梁端纵筋尚未完全屈服，说明构件率先发生核心区剪切破坏。

试件SEJ－2中混凝土的 Mises应力图如图7a、图7b所示，从中可以看出，梁上、下两端压区混凝土的最大应力都已达到或大于混凝土极限压应力，说明压区混凝土已被压碎破坏。试件SEJ－2钢筋的Mises应力图如图7c、图7d所示，从中可以看出，核心区设置的3根箍筋的最大应力未达到屈服强度，梁端纵筋出现超过屈服强度的最大拉应力，说明构件率先发生梁端弯曲破坏。