再生混凝土结构振动台试验研究★

杨召刚 张 旭

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2.中国建筑第六工程局土木工程有限公司，天津 300457)



·结构·抗震·

再生混凝土结构振动台试验研究★

杨召刚1,2张 旭1

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2.中国建筑第六工程局土木工程有限公司，天津 300457)

通过再生混凝土结构振动台试验，对废弃混凝土的再生利用进行了分析，并探讨了混凝土结构振动台试验中存在的问题，提出了未来废弃混凝土方面的研究方法和建议，从而解决废弃混凝土的污染问题。

废弃混凝土，再生混凝土，抗震性能，框架结构

随着近几年我国经济的发展，我国土木工程建设也以较快的速度呈现在人们面前，除了建成许多抗震性能较好的建筑之外，也留下了很多拆迁产生的垃圾——废弃混凝土，这些废弃混凝土因不能得到合理的利用而污染着环境，因此对于废弃混凝土的研究迫在眉睫[1]。经过阅读文献我们可以知道，对于再生混凝土结构的研究与发展，是对废弃建筑材料的又一次循环利用，并且是将建筑垃圾资源化的又一重要手段。到目前为止，对已有再生混凝土结构研究主要表现在三个方面：1)以低、中强再生混凝土为主的基本力学性能的研究；2)以缩尺模型试验为主的整体结构模型的研究；3)复杂受力研究，基于此提出的设计理论和方法亟待完善与发展。通过对文献的阅读，我们不难得出再生混凝土结构振动台试验的研究可以追溯到第二次世界大战以后。在经历过二战之后，世界上的大多数国家的许多地方全是战争留下的废墟，而废墟中绝大多数是废弃的混凝土。这些废弃混凝土又该何去何从，给这些国家的重建过程带来了很大的难题[2]。到目前为止，国内外学者已经对其开展了很多研究，并取得了一些令人瞩目的成果。单就我国来说，目前我国经济发展面临着资源和环境的双重压力，资源相对短缺，环境破坏严重，如果能够实现废弃混凝土的再利用，它既可以有效的处理旧建筑拆除和新建筑施工过程中所产生的固体废弃物，又能缓解日趋紧张的资源问题，同时又有利于维持生态环境的平衡和社会的可持续发展。因此，对于废弃混凝土受力性能以及其再生利用的研究，不可避免的已是当下以及未来科研工作者研究的一项热门课题[3]。本文通过阅读国内有关研究再生混凝土结构的论文期刊，对再生混凝土构件或结构的受力性能和抗震性能进行总结，在分析其动力反应以及动力特性之后，对其抗震性能进行了一个客观的评价。简而言之，就是在总结了国内再生混凝土结构振动台试验的研究现状、内容和方法后，指出了目前再生混凝土结构振动台试验研究领域存在的一些问题和尚未涉及的方面，为再生混凝土结构振动台试验进行下一步深入研究奠定基础并对其未来发展方向进行了展望。

1 半再生与全再生混凝土结构振动台试验研究

如果一栋建筑物的粗骨料由建筑废料组成，剩下的成分与一般混凝土相同，那么这种结构称为半再生混凝土结构。但是其组成结构与普通混凝土存在很大差别，若要将其运用到实际工程当中，就必须对其抗震性能进行研究，因此北京工业大学教授吕西林等人用半再生混凝土做成框架结构模型来模拟地震振动台试验。考虑到本次试验的目的是要检验半再生混凝土结构在8度设防水准下的抗震设防能力，为了尽可能的验证试验前的假设，吕西林教授做了充分的准备工作。一是制作了一个1/4缩尺每层层高3 m的8层框架结构模型并在模型各层设置了39个加速度传感器。二是进行适配，由于在此之前没有任何试验来研究此种混凝土的配合比，故在试验之前先进行适配，以找出合适配合比。三是确定常数，为避免重力失真，他根据牛顿第二定律以及相似理论确定了加速度常数、长度相似常数以及密度相似常数，又根据地震波反应谱和规范设计确定了四条合适的地震波。在进行试验时他除了对不同阶段模型梁柱节点破坏现象进行对比汇总外，又用CANNY软件对模型做出弹塑性时程分析和易损分析。在对其破坏现象、模型结构的动力特性、加速度放大系数的变化以及结构位移反应进行精确分析比较后可得以下结论：1)用于该试验的模型破坏模式为强柱弱梁；2)当遇到多遇地震和罕遇地震时，模型的层间位移角永远小于规范的限值，完全满足抗震设防烈度为8度的要求；3)试验所用的模型所产生的位移角符合规范规定；4)在发生多遇地震时，该结构的层间位移角超过正常使用状态的可能性仅为0.793，但遇到罕遇地震时，其层间位移角超过生命安全状态的可能性是0.514，这说明该结构依概率完全满足规范所规定的限值要求[4]。

当混凝土中的粗细骨料均来自废弃混凝土时称之为全再生混凝土，其性能不论是与普通混凝土相比还是和半再生混凝土相比都是有一定的区别，因此对全再生混凝土框架结构建立缩尺模型，通过模拟振动台试验对它的抗震性能进行探索毋庸置疑。目前已经有学者对全再生混凝土结构进行了研究，并且取得了相应的成果，但其形式主要表现在三方面：一是对其力学性能的研究；二是对其构件或子构件滞回性能的研究；三是对其动力性能的研究。如果我们对这些结论深思熟虑一番后不难得出此类研究是基于构件或子结构，并未有人对其整体结构各方面的性能进行研究。所以吕西林教授在研究半再生混凝土结构振动台试验的基础上，又对全再生混凝土结构振动台试验进行了深一步的研究。其模型的建立与之前所研究的半再生混凝土结构振动台试验时相似，也是先按照1∶4的比例制作一个8层框架结构模型，之后在观察振动台试验现象的同时用CANNY软件对模型进行弹塑性时程分析和易损性分析，以便对全再生混凝土结构的抗震性能做出一个综合的评定。结果表明：一个框架结构如果完全由全再生混凝土建造，在设计阶段只要设计合理，对于抗震设防烈度为8度的设防水准要求基本可以满足[5]。

除此之外，同济大学土木工程防灾国家重点实验室的王长青与肖建庄两位教授也对全再生混凝土框架结构模型进行了模拟地震振动台试验。他们按1∶4缩尺制作了一个6层框架结构模型，通过人为输入地震波再现当时的地震动过程并以此来研究再生混凝土结构的自振频率、结构阻尼比、结构等效刚度、位移反应、加速度反应等，之后在所观察到的试验现象的基础上去分析该框架结构的动力反应以及动力特性，从而来正确客观的评估该结构的抗震能力，为再生混凝土结构在今后的广泛应用提供一些理论依据。由于在他们研究时并没有任何一个期刊或者一篇文献来报道针对再生混凝土框架结构模拟地震振动台试验的研究，因此在模型设计阶段他们对模型的设计要求就是再生混凝土用量为100%且粗骨料强度为C30的细粒径，在确定配合比所用的水泥时就用平时的42.5R普通硅酸盐水泥，并且按照规范要求进行配筋计算和构造设计。对于地震波的选用则是选取了两组天然波和一组人工波，即汶川波、EI Centro波和上海波，试验通过施加不同的波形来观察模型的位移、加速度、自振频率、结构的阻尼比、梁柱节点的应变以及每个构件的裂缝开展，塑性铰的发育情况等。结果表明：当地震强度不断加强时，结构会出现一定程度的破坏，继而自振频率开始下降，框架结构的阻尼比逐渐开始增大。经过多次试验后，虽然再生混凝土框架结构的破坏较为严重，但并未倒塌，说明再生混凝土具有良好的变形能力和抗震能力[6]。

2 带暗支及带耗能支撑再生混凝土结构振动台试验研究

根据前人的研究，再生混凝土结构不论其基本的力学性能还是其构件或者结构的抗震能力相比混凝土结构均有所降低，但是实际工程中任何结构都必须满足抗震设防的要求，而带耗能支撑或者带暗支撑可以有效的加强结构的整体性能。因此，北京工业大学曹万林教授课题组分别对带耗能支撑和带暗支撑的再生混凝土框架—剪力墙结构模型进行了研究。该试验通过与不带耗能支撑和不带暗支撑的普通混凝土结构进行对比试验来模拟地震振动台试验。结果表明：1)由于耗能支撑所起的作用，其结构破坏程度较未设置耗能支撑结构显著减轻且带耗能支撑再生混凝土框架—剪力墙结构抗震能力较未设置耗能支撑的结构明显提高，对于抗震规范中的要求完全可以满足[7]。2)带暗支撑再生混凝土中高剪力墙在各阶段的位移反应比普通再生混凝土剪力墙明显减小，抗震耗能能力明显提高[8]。

3 预制再生混凝土振动台试验研究

预制再生混凝土结构振动台试验研究也是众多科研工作者研究的一项热题。因为预制再生钢筋混凝土结构具有节约材料和劳动力、改善施工工效、加快施工进度、提高施工质量的特点，同时还可以降低环境污染，取得巨大的经济效益[9]。为此同济大学的肖建庄等人首先根据自己所研究的课题内容以相似关系制作了一个再生粗骨料取代率为100%的1/4缩尺结构模型。在进行振动台试验时通过改变不同的地震波形来观察结构的动力特性，以观察到的试验现象来研究模型的加速度、楼层剪力、位移动力反应等。结果表明：在整个试验过程中，模型结构在弹性和弹塑性阶段前期抗震性能较好，在弹塑性阶段后期，可以观察到节点区损伤较为严重、梁端和节点区均出现塑性铰、后浇混凝土和预制构件的结合面出现水平裂缝、结构抗侧刚度迅速退化等现象，且在8度多遇和8度罕遇地震下的最大层间位移角均不满足规范要求。但是虽然经过多次的重复的试验，模型结构依旧没有倒塌，说明预制再生混凝土框架结构有良好的变形能力和抗震能力，若在实际中推广，还需采取必要措施加强梁柱节点的耗能能力[10]。

4 存在的问题及今后研究的趋势

4.1 存在问题

虽然国内外专家已对混凝土振动台的力学性能进行了大量的研究，也取得了很多成果，但由于其力学性能复杂的特殊性，目前对混凝土结构振动台试验的研究仍存在许多缺陷，仍然有许多不足之处需要科研工作者深入探索。

1)再生混凝土振动台试验的研究主要集中在静力学方面，而对混凝土构件动力特性等方面的研究却缺乏成熟的理论知识；2)对于普通混凝土结构的本构关系已被大家所公认，然而再生混凝土的力学性能相对于普通混凝土来说有所下降，故其本构关系有待进一步验证；3)预制装配式混凝土结构虽然是今后发展的趋势，同时也具有良好的变形能力和抗震能力，但是在地震多发地带和抗震设防较高的地区，其力学性能有待进一步探究。

4.2 发展趋势

发展绿色混凝土是实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。因此未来混凝土结构振动台试验研究的方向是对由半再生混凝土、全再生混凝土、预制再生混凝土、带暗支撑或耗能结构组成的钢筋混凝土框架结构或框架剪力墙结构。而且目前对再生混凝土的力学性能研究由主要集中在静力学方面开始一步步向动力学特性方面转移。根据前人已有的经验，笔者觉得：

1)为更好的了解再生混凝土结构的抗震能力及再生混凝土剪力墙与框架柱的协调工作性能，建议开展再生混凝土框架—剪力墙结构的模拟地震振动台试验研究及其理论分析；2)为提高再生混凝土结构设计计算精度，建议深入开展再生混凝土本构关系的研究，确立与现行混凝土结构设计规范中混凝土本构关系相统一的再生混凝土本构关系模型曲线；增设暗支撑的同时亦增加耗能结构，并开展相应的振动台实验研究；在借鉴已有相关试验结果的基础上，进一步完善有限元软件建模与分析工作，为其建立科学合理的抗震设计方法提供可靠理论基础。

[1] 孟少宾.再生混凝土框架—剪力墙结构振动台试验研究与分析[D].北京：北京工业大学,2013.

[2] 池彦忠.不同高宽比再生混凝土剪力墙振动台试验研究[D].北京：北京工业大学,2012.

[3] 曹万林,张勇波,董宏英,等.再生混凝土结构抗震性能研究进展与评述[J].地震工程与工程振动,2013(6):63-73.

[4] 吕西林,张翠强,周 颖,等.半再生混凝土框架的抗震性能[J].中南大学学报(自然科学版),2014(4):1214-1226.

[5] 吕西林,张翠强,周 颖,等.全再生混凝土框架抗震性能[J].中南大学学报(自然科学版),2014(6):1932-1942.

[6] 张建伟,丹 姗,曹万林,等.带暗支撑再生混凝土中高剪力墙振动台试验研究[J].工程力学,2012(S1):101-106.

[7] 张建伟,孟少宾,曹万林,等.带耗能支撑再生混凝土框架—剪力墙结构振动台试验研究[J].工程力学,2012(S2):176-181，194.

[8] 王长青,肖建庄.再生混凝土框架结构模型振动台试验[J].同济大学学报(自然科学版),2012(12):1766-1772.

[9] 肖建庄,丁 陶,范氏鸾,等.预制再生混凝土框架模型模拟地震振动台试验[J].同济大学学报(自然科学版),2014(2):190-197.

[10] 丁 淘,肖建庄,范氏鸾,等.预制再生混凝土框架结构整体抗震性能的设计研究[A].第三届全国再生混凝土学术交流会论文集[C].2012.

Experimental research on the vibrostand with recycled concrete structure★

Yang Zhaogang1,2Zhang Xu1

(1.CollegeofCivil&Hydrology,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China; 2.ChinaBuilding6thEngineeringBureauCivilEngineeringCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

Based on vibrostand test with recycled concrete structure, the paper analyzes waste concrete recycling, explores problems existing concrete structure vibrostand test, and puts forward waste concrete research approaches and proposals in future, so as to solve waste concrete pollution problem.

waste concrete, recycled concrete, seismic-resisting performance, framework

1009-6825(2017)14-0014-03

2017-03-05★：2016年校级大学生创新创业训练计划项目(X2016385)

杨召刚(1993- )，男，在读本科生； 张 旭(1995- ),男，在读本科生

TU375

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