废弃纤维再生混凝土框架中柱节点抗震性能试验研究

周静海， 康天蓓， 王凤池， 舒云聪

(1.沈阳建筑大学 建筑节能研究院，沈阳 110168；2.沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

废弃纤维再生混凝土框架中柱节点抗震性能试验研究

周静海1， 康天蓓2， 王凤池2， 舒云聪2

(1.沈阳建筑大学 建筑节能研究院，沈阳 110168；2.沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

完成了再生骨料取代率为50%，废弃纤维长度分别为12 mm、19 mm、30 mm以及废弃纤维体积掺量分别为0.08%、0.12%、0.16%的5个废弃纤维再生混凝土框架中柱节点在低周反复荷载作用下的抗震性能试验研究。主要对不同废弃纤维长度、不同废弃纤维体积掺量下梁柱节点的破坏形态、滞回特性、延性性能、耗能特性等问题进行了对比分析。结果表明：废弃纤维再生混凝土框架节点的破坏均经历了初裂、通裂、极限、破坏四个特征阶段，当纤维长度为19 mm，废弃纤维体积掺量为0.12%时，废弃纤维再生混凝土梁柱节点构件的滞回性能、延性性能及耗能性能较好；废弃纤维的体积掺量比废弃纤维长度对梁柱节点抗震性能的影响大。提出了废弃纺织纤维再生混凝土的抗剪承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。

再生混凝土；框架中柱节点；废弃纤维长度；废弃纤维体积掺入量；抗震性能

随着环境及资源问题的日益凸显，再生混凝土的应用顺应了绿色建筑的发展趋势。再生混凝土内部普遍存在瑕疵、微裂缝，已有研究发现再生混凝土的力学性能相对普通混凝土差[1-4]，纤维的加入可以改善再生混凝的力学性能，因此纤维再生混凝土的深入研究对推进再生混凝土发展有重要意义[5-6]。国内外学者对加入不同纤维种类的混凝土的力学性能方面的研究已有所开展[7-8]，钢纤维及聚丙烯纤维的加入均可以不同程度的改善再生混凝土的基本力学性能及结构性能。但目前国内外对纤维再生混凝土的力学性能以及构件抗震方面的研究较少[9-11]。

目前有关纤维混凝土节点抗震性能的研究并没有考虑纤维长度以及纤维掺量对再生混凝土梁柱节点的影响，这在一定程度上限制了纤维再生混凝土在建筑行业的推广和应用前景。基于此，本文针对再生骨料取代率为50%，不同纤维长度以及不同纤维体积掺量情况下的再生混凝土梁柱节点进行抗震试验性能分析，通过对构件的破坏形态及抗震指标的分析，得出制备废弃纤维再生混凝土最优纤维长度和纤维体积掺量，并提出了废弃纤维再生混凝土梁柱节点承载力计算方法。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用本溪山水工源水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。细骨料采用天然河砂，细度模数为2.8，含水率为4.14%，表观密度为2 620 kg/m3。试验所用再生粗骨料来自沈阳建筑大学结构力学实验室初始强度为C40的废弃混凝土，经过人工破碎、清洗、筛分等处理后，形成粒径在5～25 mm的再生粗骨料。废弃纤维采用丙纶地毯，经过人工拆分成长度分别为12 mm、19 mm 、30 mm的废弃纤维。砂的筛分结果及再生骨料基本材性指标见表1和表2。

表1 砂的筛分

表2 再生骨料的基本材性指标

1.2 试件设计

试验设计了5个废弃纤维再生混凝土框架梁柱节点，梁柱节点的再生混凝土取代率均为50%，试件设计变量为废弃纤维长度及废弃纤维掺入量体积分数，再生混凝土质量配比为水泥：砂子：水：天然骨料：再生骨料=390:709：205:578:578，设计参数列于表3中。根据普通框架结构在水平荷载作用下的弯矩分布情况，试件柱的长度取上下柱的反弯点处，梁的长度同样按照跨中反弯点的位置进行选取，采用十字型试件，试件形状、尺寸及配筋情况均相同，试件尺寸及配筋情况如图1所示，钢筋材料性能如表4所示。

表3 试件设计及抗压强度测试结果

表4 钢筋力学性能

图1 试件几何尺寸及配筋图Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

1.3 试验设备及加载制度

试验在沈阳建筑大学结构工程试验室的计算机—电液伺服加载器联机系统上进行，柱顶设置100 t的油压千斤顶，以施加预先设定的恒定轴向力N，试验过程中轴向力N保持不变，试件的轴压比为0.4，梁自由端(取上下柱反弯点比为1处)[12]布置两个25 tMTS施加低周反复荷载P模拟地震作用，试验全过程由伺服控制器及微机控制，试验装置及现场加载情况如图2所示。

图2 加载装置Fig.2 Loading device

采用荷载-位移混合控制加载制度对试件进行加载。试件屈服(梁纵筋屈服或节点核心区通裂)前采用荷载控制，首次加载控制力为试件屈服荷载的20%，以后每级递增10%，试件屈服后改为位移控制加载，以构件屈服时的位移为位移控制加载的首个循环，此后每级位移增加5 mm，逐级加载直至试件破坏为止。当试件荷载下降至85%峰值荷载时，视为试件破坏，停止加载。加载制度如图3所示。

图3 加载制度Fig.3 Loading system

2 试验现象与破坏形态

节点核心区破坏形态如图4所示，掺入不同纤维长度以及不同纤维体积掺量的废弃纤维再生混凝土构件的破坏形式基本一致，经历了初裂-通裂-极限-破坏四个阶段，且其破坏现象均为节点核心区发生剪切破坏。加载初期，梁身出现多条竖向微裂缝，构件呈弹性工作阶段，随着荷载的增加，梁端裂缝出现贯通裂缝，但是没有加宽，节点核心区出现微斜裂缝，继续加载，节点区出现明显的通裂缝，试件发生屈服，试件屈服后改为位移加载，节点核心区通缝继续加宽。试验结束时，不同试件节点核心破坏区主要有三种现象：①剥落出部分新老砂浆，这说明新老砂浆与再生骨料之间界面较为薄弱；②部分节点核心区的新老砂浆靠纤维与构件体相连，没有完全剥落，这说明纤维可以提高再生混凝土的抗裂性能；③少数有纤维被拉断的现象。

对于添加不同纤维长度的构件SJ-1、SJ-2、SJ-3，从节点区的最终破坏形式上可以看出，随着纤维长度的增加，节点核心区的混凝土的剥落情况依次变好，掺入较长纤维可以加强再生混凝土中新老砂浆之间的黏结作用，提高再生混凝土的抗裂性能。

对于添加不同纤维体积掺量的构件SJ-2、SJ-4、SJ-5，当纤维体积掺量为0.16%时的构件SJ-5的节点破坏最严重，节点核心区左侧的混凝土全部剥落。究其原因，笔者分析主要是因为在制备废弃纤维再生混凝土构件时，废弃纤维体积掺量较多，导致纤维易抱团，不易分散开，形成纤维团，因此造成混凝土内部出现薄弱区域。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

节点两侧滞回曲线无明显差异，图5给出了5个试件右端梁的P-Δ滞回曲线，对比分析可知：①各试件的P-Δ滞回曲线形状相似，位移控制加载后期滞回曲线中间稍有捏缩现象，说明钢筋发生了滑移。②荷载控制初期，各试件滞回曲线所围成的面积较小，荷载回到原点时，位移也回到零点附近，荷载和位移基本呈线性关系，残余变形小，构件处于弹性阶段。当位移增加时，滞回曲线开始向位移轴倾斜，滞回环的面积加大，当位移回到零点时，水平荷载有一定的值，表明构件进入了非线性阶段，整体刚度开始降低，并且每次卸载后的残余应力越来越大，达到极限荷载后，由于节点核心区发生剪切破坏，使得承载力降低。

对纤维长度不同的试件SJ-1、SJ-2、SJ-3可以看出，循环荷载作用下，纤维长度为12 mm和19 mm时滞回环的形状、及分布情况基本相同。当纤维长度为30 mm时，在与SJ-1相同的循环次数时，滞回环分布不均匀，说明试件SJ-3后期的耗能能力和延性不如试件SJ-1、SJ-2，分析主要是因为当纤维长度较长时，纤维易抱团，不易分散，且在混凝土中形成较长的强度薄弱区，因此在地震作用下吸收地震能的作用较差。

对不同纤维掺量的试件SJ-2、SJ-4、SJ-5可以看出，纤维掺量为0.12%时滞回环的饱满程度明显好于纤维掺量为0.08%和0.16%的情况，纤维体积掺量过多或过少都会对试件的抗震性能有不利影响。

图4 节点核心区破坏形态Fig.4 The shear failure pattern

图5 试件滞回曲线Fig.5 Hysteretic curve of each specimen

3.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线如图6所示。各试件骨架曲线呈“S”型，有明显的弹性段、强化段和强度退化段。在低周往复荷载作用下，节点处于弹性阶段时，骨架曲线为直线，随着往复荷载的增加，节点塑性变形增大，骨架曲线出现曲线段，试件的变形先于承载力的增长速度。当达到荷载峰值后，随着梁柱节点的保护层脱落，钢筋和混凝土之间的黏结力下降，试件承载力下降较快。

图6 骨架曲线Fig.6 Skeleton curve

图6(a)可知，对于不同纤维长度的构件，控制位移Δ在-10～10 mm时，节点的骨架曲线基本完全重合，说明纤维长度在该阶段对承载力的影响极小，随着往复荷载的增加，曲线出现差异，纤维长度为19 mm时承载力最大。由图6(b)可知，对于不同纤维体积掺量的试件，节点骨架曲线重合段较短，承载力随控制位移Δ变化明显，当体积掺量为0.12%时承载力最大，体积掺量为0.16%时最小。

综合分析骨架曲线的变化规律分析可知：当纤维长度较短或体积掺量较大节点的承载力相对较低，对于不同纤维长度的构件骨架曲线重合段多于不同纤维掺量构件的骨架曲线，说明纤维掺量的多少对承载力的退化影响较大。

3.3 刚度退化曲线

节点刚度与位移和滞回周数有关，随着往复荷载和位移幅值增大塑性变形不断发展，刚度逐渐退化。根据文献[13]的规定，在位移不变的条件下，随着荷载循环次数的增加，节点刚度将有所降低，构件的刚度退化曲线如图7所示。从弹性阶段到开裂阶段，刚度急剧下降，刚度退化曲线斜率较大。从开裂到最后破坏，刚度退化缓慢，刚度退化曲线较为平缓。刚度退化曲线越平缓，说明滞回曲线越稳定，试件耗能能力越好。从图7中不难看出试件SJ-4具有更高的刚度，并且各试件在整个加载过程中刚度退化持续、均匀、稳定。

图7 刚度退化曲线Fig.7 The stiffness degradation curve

3.4 试件的特征荷载

试件特征荷载和位移的确定方法如图8所示。延性系数μ为极限荷载对应位移Δu与屈服荷载对应位移Δy之比，极限位移Δu为荷载降至极限荷载Pm的85%所对应的位移[14]。各数据列于表5中。

图8 特征荷载和位移确定方法Fig.8 Determination of characteristic loads and displacements

由表5可知，每个试件的正负向加载的极限荷载相差不大，试件SJ-2的极限荷载明显好于其他试件。各试件的延性系数基本都在3.0以上，其中试件SJ-2的正向加载下的延性系数达到了4.0，其利用滞回特性吸收能量的能力好于其他试件。

表5 各试件的位移延性系数

Tab.5 The ductility coefficient of the specimens

试件编号加载方向Py/kNΔy/mmPm/kNΔm/mmΔu/mmμSJ-1正向78．510．3115．324．133．163．2负向80．611．5123．523．732．42．8SJ-2正向81．69．2134．824．336．74．0负向88．410．3145．322．934．43．3SJ-3正向80．59．8124．223．935．23．6负向74．910．8140．224．636．13．3SJ-4正向80．111．7118．521．131．32．7负向72．310．1119．120．431．53．1SJ-5正向76．111．3117．926．234．43．0负向80．211．9129．526．537．83．1

3.5 节点能量耗散能力

能量耗散能力以荷载-变形滞回曲线包围的面积来衡量[15]，如图9所示，每个往复加载所耗散的能量为ABCD的面积。能量随循环次数及累积能量随循环次数变化曲线如图10和图11所示。随着循环次数的增加，各试件的耗能能力有着明显的提高，从累积耗能曲线可以看出试件SJ-2的耗能能力最强。

图9 滞回曲线耗能示意图Fig.9 The hysteretic energy dissipation curve diagram

图10 不同纤维长度试件耗能对比图Fig.10 Different waste fiber length specimen energy

图11 不同纤维掺量试件耗能对比图Fig.11 Different fiber volume content specimen energy

采用等效黏滞阻尼系数来反应耗能能力的大小。he越大则耗能能力越大。等效黏滞阻尼系数按照式(1)计算。各试件的最大荷载所对应的黏滞阻尼系数列于表6中。

· (1)

SJ-2的等效黏滞阻尼系数最大，说明纤维长度12 mm，废弃纤维体积掺量0.12%时，再生混凝土的耗能能力最好。与累积耗能曲线所得出的结论一致。

4.6 废弃纤维再生混凝土梁柱节点受剪承载力计算

废弃纤维再生混凝土的抗剪承载力主要由混凝土抗剪承载力Vc，箍筋抗剪承载力Vs以及纤维抗剪承载Vf三部分共同承担，纤维再生混凝土梁节点的抗剪承载力Vu按式(2)计算：

Vu=Vc+Vs+Vf

(2)

其中，Vc和Vs的计算公式：

(3)

(4)

废弃纤维再生混凝土是将废弃纺织纤维均匀掺和在再生混凝土中制成的，因此纤维和再生混凝土可以看作一个整体共同承担剪力，纤维混凝土抗剪承载力Vcf=Vc(1+β)，其中β为废弃纤维增强系数，根据纤维混凝土的文献资料[5,8]，纤维的加入可以提高承载力的30%～40%，取平均值的50%作为废弃纤维增强系数，即β=0.175，因此废弃纺织纤维再生混凝土抗剪承载力按式(5)计算。废弃纤维再生混凝土抗剪承载力实验值Vj与计算值Vu列于表7中。

Vu=0.1(1+β) (5)

由表7可知,Vj/Vu在1.27～1.37之间，有一定的安全储备，因此纤维增强系数β取值较为合理，式(5)可以用于废弃纤维再生混凝土梁柱节点的抗剪承载力计算。

4 结 论

本文通过试验详细研究了不同纤维长度和不同纤维体积掺量对再生混凝土梁柱节点的抗震性能，主要结论如下：

(1)废弃纤维再生混凝土梁柱节点具有一定的延性及耗能能力，可以在实际工程中应用以提高再生混凝土梁柱节点的抗震性能。

(2)在不同纤维长度情况下，较长的纤维可以缓解节点核心区混凝土的剥落情况，但滞回性能不佳，当废弃纤维长度为19 mm时，废弃纤维再生混凝土梁柱节点构件对比其他构件具有较好的抗震性能。

(3)在不同纤维体积掺量情况下，废弃纤维体积掺量为0.12%时，试件的滞回性能、延性性能、耗能性能均最好，废弃纤维体积掺量的多少对试件刚度的退化影响较大。

(4)提出了废弃纤维再生混凝土梁柱节点的抗剪承载力计算公式，计算结果与试验结果符合较好，公式可以用于废弃纤维再生混凝土受剪承载力的计算。

综上所述，废弃纤维的掺入可以提高再生混凝土的梁柱节点的抗震性能，废弃纤维掺量相对于废弃纤维长度对构件的抗震性能影响大，当废弃纤维长度为19 mm纤维体积掺量为0.12%时再生混凝土梁柱节点表现出最优的抗震性能，满足一般情况下再生混凝土工程设计的需要。

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Experimental study on the seismic behaviors of wasted fiber recycled concrete frame joints

ZHOU Jinghai1, KANG Tianbei2, WANG Fengchi2, SHU Yuncong2

(1. Construction Energy Conservation Research Institute, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

The seismic behaviors of interior frame joints composed of wasted fiber recycled aggregate concrete were studied experimentally. The effects of certain design parameters such as the length and volume ratio of wasted fiber with a constant replacement rate of recycled aggregate on the anti-seismic performance of the frame were investigated, 5 full-scale specimens were designed and fabricated, then cyclic loading tests were conducted. In the tests, the replacement rate of recycled aggregate was kept at 50%, the wasted fiber length was 12 mm, 19 mm, 30 mm and volume content was 0.08%, 0.12% and 0.16% respectively. The failure mode, hysteretic property, ductility, energy dissipation characteristics and other issues of frame joints were analyzed with different wasted fiber lengths and volume contents. The experimental results show that the destruction of wasted fiber recycled concrete frame joints experience four stages, they are initial cracking, thorough cracking, ultimate stage and failure stage. With the fiber length of 19 mm and volume content of 0.12%, the wasted fiber recycled concrete beam-column joint has better seismic behaviors. Compared with the wasted fiber length, the volume of wasted fiber content has greater influence on the seismic performance of beam-column joints. A shear strength calculation formula for wasted fiber recycled aggregate concrete was put forward. The calculation results coincide well with the test results.

recycled aggregate; frame joint; waste fiber length; waste fiber volume content; seismic behavior

国家自然科学基金项目(51178275)

2015-10-15 修改稿收到日期：2016-01-12

周静海 男，博士，教授，1965年3月生

TU375

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.038