以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土大空心剪力墙抗震性能试验研究

沙 东， 孙建刚， 潘宝峰， 王 振， 崔利富

(1.大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116023； 2.大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连 116605； 3.兰州理工大学 土木工程学院，兰州 730050)

随着我国经济的飞速发展以及城市化进程的加快，城市的建设与延伸将是我国在接下来很长一段时间内的主题。混凝土被当作目前最为常用的建材，我国对混凝土的需求量很大。混凝土是一种人造建筑材料，其是由粗骨料、细骨料、胶凝材料(一般是水泥)以及水混合搅拌而制成。其中用量最大的材料是粗骨料和细骨料[1]，而普通混凝土中所用砂石都来源于大自然。天然材料大量的开采会造成严重的水土流失和自然景观的破坏，严重影响了人类与自然的和谐相处以及社会的可持续发展。再生混凝土的出现缓和了因砂石开采而引起的一系列问题。但目前，再生混凝土所用的骨料大部分都是由立体建筑物拆除下来的固体废弃物而制成。对于道路废弃物的回收利用还较少，尤其对废弃铺路砖的研究和利用，国内外还都尚未涉及。近年来，地震发生的较为频繁，给我国造成了不小的人员伤亡和经济损失。灾害情况最为严重的就是少数民族民居和村镇住宅。由于低矮建筑(以民居为主)多数是以单层平房为主，其竖向承载力不大，对墙体的力学性能要求不高，再生混凝土在满足其墙体建造要求的基础上，可以更进一步的提高了墙体的力学性能。因此，本课题的研究既可以充分利用资源保护坏境，又可以对普通乡村低矮住宅的优化起到积极推进的作用，可谓是利国利民，一举多得。

目前对于空心剪力墙已有一些试验与研究。李劭晖[2]对带缝空心剪力墙的受力性能和抗震性能做了研究。研究结果表明，带缝空心剪力墙具有很好的受力性能和抗震性能，而且小震时，带缝墙有足够的刚度和强度，满足了抗震设防第一水准要求。王刚等[3]对带竖缝中高钢筋混凝土空心剪力墙进行了拟静力试验。通过试验发现，墙体在弹性阶段，基本处于整体受力，墙体开裂后，试件由整体受力逐渐过渡为各墙肢单独受力。而且带竖缝中高钢筋混凝土空心剪力墙具有较好的延性变形能力和耗能能力。王琼梅等[4]通过对带翼缘钢筋混凝土空心剪力墙在低周反复水平荷载下的试验，探讨了这种剪力墙的抗震性能。研究发现，带翼缘空心剪力墙的受力特点及破坏形态与普通剪力墙类似；竖向孔洞的存在对构件受力没有太大的影响；带翼缘空心剪力墙承载力及延性有所提高，但变形能力有所降低。许淑芳等[5]对厚为90 mm,，孔洞直径45 mm的钢筋混凝土空心剪力墙进行拟静力试验。试验结果表明，不设暗柱的空心剪力墙承载力较低，破坏发生较为突然。而在空心剪力墙端部设置暗柱可以明显提高墙的承载力和延性，而且带暗柱的空心剪力墙在低周反复水平荷载下的破坏形式与实心剪力墙的破坏形式基本相同。张国伟等[6]对装配式空心剪力墙试件进行拟静力试验，试验结果表明: 装配式空心剪力墙的破坏机理与普通剪力墙相似，均为墙体边缘首先开裂，然后边缘钢筋屈服，最终角部受压区混凝土压碎。装配式空心剪力墙的空心孔洞和水平拼接缝不会削弱墙体的受力性能，可以通过提高水平拼接缝的位置改善墙体抗震性能。韩淼等[7]对2片不同轴压比的装配式空心剪力墙进行了拟静力试验。结果表明，装配式空心剪力墙主要呈弯剪破坏；随着轴压比的增大，墙体承载力增大，延性提高，耗能能力提高，刚度退化加快。

本文提出了再生混凝土大空心剪力墙的设计思想，所谓大空心剪力墙就是用混凝土浇筑的、内部中空的墙体。再生混凝土大空心剪力墙的优点是：①所用的材料来源广泛，节省资源，保护环境。例如本次试验中所用的废弃铺路砖，具有环保节能的意义。②减轻结构自重，节省建筑材料。普通的低矮民居的墙体具有体积大、自重大，所用材料较多的特点。本次试验的墙体，内部的大空心的体积为整面墙体的体积的三分之一，可以节省不少的材料，减轻墙体自重。③可以在空心部分注入改性沥青等阻尼强的材料，增强墙体的隔震耗能性能。在我国，多数的普通低矮民居均未进行抗震设计，其抗震性能落后，大空心剪力墙的空心部分可以注入改性沥青等阻尼材料，增强墙体的隔震耗能性能。④在我国北方，冬天天气寒冷，大部分低矮民居采取的是室内取暖，但由于传统的墙体的隔热效果较差，会使得室内热量流失较快，而大空心剪力墙可以在空心部分可以放入聚苯乙烯泡沫等保温材料，减少建筑耗能，增强墙体保温性能。本文对以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土大空心剪力墙进行了墙体设计、拟静力试验、内力计算以及有限元模拟，研究分析了以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土大空心剪力墙的抗震性能指标(滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性以及耗能性能等)。

1 废弃铺路砖骨料物理性能试验

1.1 试验材料

试验中所用的废弃铺路砖来源于大连民族大学金石滩校区的道路整修(见图1)。再生粗骨料和再生细骨料是将废弃铺路砖回收后经过破碎、清洗和分级、特定处理而制得的，粗骨料粒径大于 5 mm小于31.5 mm，细骨料粒径小于 5 mm。试验所用水泥是大连小野田水泥有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥。试验中所用粉煤灰是大连华能电厂的一级粉煤灰。为了提高再生混凝土强度而掺入的聚丙烯纤维的性质，如表1。

图1 废弃铺路砖Fig.1 Waste paving brick

1.2 废弃铺路砖骨料物理性质试验

试验结果如表2。

经过分析可知，废弃铺路砖骨料的物理性能指标除骨料吸水率外其余各项指标皆符合规范的相关要求，可以用作拌合再生混凝土的骨料。由于再生骨料的吸水率较大，因此再生混凝土配合比需要重点考虑用水量(见图2和图3)。

图2 再生粗骨料Fig.2 Recycled coarse aggregate

图3 再生细骨料Fig.3 Recycled fine aggregate表1 聚丙烯纤维性质Tab.1 Properties of polypropylene fibers

断裂延伸率规格密度抗拉强度30%12～19 mm0.91 g/cm3≥400 MPa杨氏模量熔点纤维直径燃点≥3.5 GPa约160 ℃31 μm约580 ℃

表2 废弃铺路砖骨料物理性质Tab.2 Physical properties of waste paving aggregate

2 以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土基本力学性能试验

2.1 再生混凝土配合比设计

根据再生骨料的物理性质试验的结果确定再生混凝土以水胶比的不同分为A、B、C三组，在这三个大组中含有四个不同材料的配合比。在A、B、C三组中水胶比依次为0.5、0.55、0.6。由于废弃铺路砖的粗、细骨料的吸水率较高，因此在配合比设计中在每组除了加入正常的用水外，均加入了附加水，以保障用水量的充足。考虑到经济、环保和提高强度等因素，在准备试验的混凝土中分别掺入粉煤灰、聚丙烯纤维。试验中粉煤灰的掺合量为其他组所用水泥用量的20%，聚丙烯纤维的掺入量为1.2 kg/m3。具体配合比如表3。

表3 配合比Tab.3 Match ratio kg/m3

试件制作和养护均按照标准试模制作，具体参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[8]。

表4 试件设计列表Tab.4 List of design blocks

2.3 再生混凝土表观密度

经试验测得的再生混凝土表观密度，如表5。

表5 再生混凝土密度Tab.5 Density of recycled concrete kg/m3

由以上结果可以看出本文所研究的混凝土的密度比普通混凝土的密度(2 500 kg/m3)要低，具有轻质的特点。

2.4 再生混凝土立方体抗压强度

与普通混凝土一样，立方体抗压强度也是再生混凝土最基本的力学性能指标[9]。多年来，国内外有许多试验研究，所得到的再生混凝土的立方体抗压强度值不尽相同[10]。Frondisto-Yannas[11]、肖建庄[12]等做出的研究认为再生混凝土抗压强度比普通混凝土要低。与之不同的是，Ridzuan[13]、Salem[14]经试验后得到再生混凝土的抗压强度较普通混凝土要高出一些。但到目前为止，以废弃铺路砖为骨料再生混凝土的研究，国内外还没有学者涉及到。因此，本文对废弃铺路砖为骨料再生混凝土的研究具有十分重要的意义。

2.4.1 再生混凝土的立方体抗压强度试验现象及结果

在再生混凝土立方体抗压强度试验时，观察试件破坏的全过程发现，再生混凝土试件的破坏形态与普通混凝土相似。具体的破坏过程如下：在荷载作用下，试件受到竖向约束，混凝土试件发生竖向的压缩变形和水平向的伸长变形，由于试件中部没有约束，在试件中部膨胀变形较大。随着荷载的不断增大，试件各个侧面中间最先出现竖向裂缝，然后快速发展延伸至试件的角部，形成正倒相连的八字形裂缝。对再生混凝土试件继续进行加载，表面的混凝土逐渐压碎剥落，试件最终形成正倒相接的四角锥破坏，如图4所示。

(未加聚丙烯纤维混凝土)(加入聚丙烯纤维的混凝土)

图4 再生混凝土的立方体抗压强度Fig.4 Cubic compressive strength of recycled concrete表6 再生混凝土的立方体抗压强度结果Tab.6 Cubic compressive strength results of recycled concrete MPa

2.4.2 试验结果分析

由表6可以看出在水胶比分别为0.5(A组)、0.55(B组)、0.6(C组)中，立方体抗压强度值较高的是A组，均高于普通混凝土的立方体抗压强度值(30 MPa)，其中最高的是A3组33.9 MPa，与普通混凝土立方体抗压强度(30 MPa)相比，提高了13%。B组和C组的立方体抗压强度值均低于A组。

在合理水胶比(经过试验可知水胶比0.5较为合理)的情况下，聚丙烯纤维的掺入使再生混凝土立方体抗压强度有所提高。其原因是：纤维对混凝土形成的微裂缝起到抑制生成及发展的作用，聚丙烯纤维的掺入，使立方体受压时出现的应力集中得以缓和，从而得到更好连续性，强度的提高比未掺纤维得到了较为显著的提高。其主要体现在以下两个方面：①混凝土中微裂缝的扩张得到了有效阻止；②提高了基体的变形能力[15]。此外与普通再生混凝土相比，掺入聚丙烯纤维的再生混凝土的破坏形态与之有所不同。掺入聚丙烯纤维的混凝土试件，受力破坏开裂，但未出现剥落破碎的现象，始终保持着试件的整体性，而且在裂缝处可以清楚地看到聚丙烯纤维连接着已经开裂的混凝土。这是因为纤维对横断裂缝有一定的阻止作用，纤维承担了应力，且各向分散较为均匀。因此，在混凝土中添加聚丙烯纤维，可以提高混凝土的抗压强度值。加入粉煤灰后，再生混凝土的立方体抗压强度较掺入纤维时虽有所降低，但仍然高于普通混凝土立方体抗压强度值(30 MPa)，而且粉煤灰属于再生能源，具有经济、环保的特点，在墙体中还具有一定保温作用，因此粉煤灰在以后的研究中可以当做一个重要的因素来考虑。

通过对以上试验的研究分析，再生混凝土的立方体抗压强度指标有所提高的原因可能有：①再生混凝土在破碎的过程中除去了与原来的天然骨料粘结效果较差的水泥砂浆和已产生有裂纹的质量不好的水泥砂，从而提高了再生骨料的整体强度；②再生骨料的表面较为粗糙，使与水泥砂浆界的摩擦因数增大，致使受压过程中界面连接处摩擦力增大；③再生骨料其表面被一定量水泥砂浆包裹，致使再生骨料与新水泥砂浆之间的弹性模量相对减小，在受力粘结处的应力差减小，因而产生微裂纹的趋势就减小；④再生粗骨料有较大的吸水率，在拌制混凝土的过程中起了吸水、储水效果；⑤聚丙烯纤维加入提高了再生混凝土的强度。

总结：A、B、C三类混凝土相比而言，A组混凝土的立方体抗压强度较好，其中A3组混凝土为最优。

2.5 轴心抗压强度

再生混凝土轴心抗压强度按文献[16]中的要求计算，结果如表7。

表7 再生混凝土的轴心抗压强度值Tab.7 Axial compressive strength values of recycled concrete

以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土试块轴心抗压强度试验种，试件破碎面呈X型，断裂面较为均匀，试验后表层混凝土无大面积脱落现象，整体性较好。

根据查阅相关规范可知，普通混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间存在一定的换算关系[16]，具体计算方法如下：

fcp=0.76fcu

(1)

式中：fcp为轴心抗压强度；fcu为立方体抗压强度

经计算fcp=25.8 MPa，得出再生混凝土的轴心抗压强度的试验值与理论值有所偏差。经笔者校正后得到更适合该材料的轴心抗压强度与立方体抗压强度关系如下fcp=0.69fcu。

2.6 弹性模量

再生混凝土弹性模量按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)中的要求计算，结果如表8和图5所示。

图5 弹性模量试验Fig.5 Elastic modulus test表8 以废弃铺路砖为骨料的混凝土弹性模量试验值Tab.8 Elastic modulus test values for concrete with waste paving as aggregate

编号ε左0ε右0ε左aε左aE/MPa均值/MPaA-1-10.001 40.001 60.054 40.056 219 424A-1-20.001 70.001 50.055 20.057 319 122A-1-30.001 40.001 60.054 10.057 119 31619 287A-2-10.0020.002 20.061 20.063 217 138A-2-20.001 90.002 40.060 80.062 517 311A-2-30.002 40.002 80.063 20.064 716 78917 079A-3-10.001 20.000 80.053 30.052 320 936A-3-20.001 40.001 20.054 20.05620 158A-3-30.001 30.001 50.051 50.057 720 38520 500

现行混凝土结构设计规程[16]中采用下式计算弹性模量(选取A3组弹性模量值)：

(2)

式中：Ec为弹性模量(MPa)；fcu为立方体抗压强度(MPa)；经计算得：Ec=31 021 MPa。

根据式(2)得到的再生混凝土弹性模量计算值与试验值相差较大，不能直接用式(2)来计算再生混凝土的弹性模量。

根据查阅文献得出，在过去的研究中，Mellmann[17]、Ravindrarajah[18]、Dhir[19]等经过试验与分析，提出了再生粗骨料取代率为100%时混凝土弹性模量与其抗压强度的换算关系式,如式(3)～(5)所示[20]:

Ec=378fcu+8 242

(3)

(4)

Ec=13 100+370fcu

(5)

计算结果见表9。

表9 混凝土弹性模量经验公式值Tab.9 Concrete elastic modulus empirical formula value MPa

由上表可知式(4)、式(5)的计算值都高于试验所得数值，只有式(3)的计算值与试验值相近。因此本文试验用的混凝土的弹性模量可以用式(3)校正。总体而言，以废弃铺路砖为原料的混凝土的弹性模量较低。其原因是因为：①用于再生混凝土中的再生骨料本身强度较低，使再生混凝土承受变形的能力较小从而影响了弹性模量的大小；②原料的孔隙率较高，易于发生非弹性变形。

2.7 立方体抗折强度试验

随着竖向荷载逐渐增加，试件底部表面开始出现微小的细裂缝，裂缝的位置位于所施加的两个集中荷载之间。持续增加荷载，裂缝竖向延伸继而贯穿试件而被折断。

对于再生混凝土的抗折强度，Kawamura等[21-22]和Ikeda[23]的经过大量的试验研究与分析表明再生混凝土的抗折强度和普通混凝土相差不大。但也有部分研究者[24]提出，由于骨料本身性质的缺陷，再生混凝土的抗折强度均较一般的混凝土低[25]，但不会相差太多，见图6。

图6 试件加载前后Fig.6 Before and after loading the specimen

在CEB规范[26]和ACI规范[27]中，抗折强度ff(MPa)和抗压强度fcu(MPa)的换算关系公式为：

(6)

(7)

经计算得出，CEB：ff=4.7 MPa；ACI：ff=3.1 MPa。根据计算数据表明，再生混凝土抗折强度的试验值ACI 规范中经验公式的计算值相等。出现这一现象的原因是，虽然再生粗骨料在其处理破碎过程中产生了大量的微裂纹以及再生混凝土内部存在一定的缺陷，但由于再生粗骨料表面被一定的胶凝材料和砂所包裹，从而增大了骨料的表面积，再加上骨料表面粗糙，均有利于增大相互接触的界面的粘结力[25]；此外，在所研究的再生混凝土中聚丙烯纤维的添加，有效的提高了混凝土整体的抗拉性，从而使其抗裂能力得到了一定的提升。因此该类再生混凝土具有一定的实用性。

表10 抗折强度实验数据Tab.10 Flexural strength test data

2.8 立方体劈裂抗拉强度试验

再生混凝土劈裂抗拉强度试验结果如表11和图7所示。

图7 劈裂抗拉试验Fig.7 Split tensile test

(8)

经计算得fts=2.67 MPa，由以上结果可以看出，本文中再生混凝土的立方体劈裂抗拉强度试验值比理论值要低。原因可能有：①再生粗骨料与水泥砂浆界面间的粘结力相对较小，受拉时极易发生开裂，虽然再生骨料和水泥砂浆界面间摩擦系数相对较大，但是对抗拉强度的影响较小；②大量的微裂缝和内部缺陷存在于再生混凝土内部结构中，该缺陷和裂缝很大的影响再生混凝土的受拉破坏，但是其对受压破坏影响却非常小。

表11 劈裂抗拉强度Tab.11 Splitting tensile strength

3 再生混凝土大空心剪力墙拟静力试验

本文采用低周期反复荷载下的拟静力试验。通过对再生混凝土大空心剪力墙进行拟静力加载试验来研究墙体的破坏原理、过程、形态以及确定墙体的抗震指标。本次试验墙体和地梁的连接采用了装配式连接方法。装配式剪力墙具有质量易控制、施工进度快、机械化程度高等优点，避免了传统住宅建筑施工工期长、易于受人为因素影响等特点。

3.1 墙体设计

本次试验设计、制作的再生混凝土大空心剪力墙所用的配合比采用了本文第2节中所研究的以废弃铺路砖为骨料的混凝土基本力学性能指标较好的配比。在设计中，为了有效地提高大空心剪力墙的整体性，在墙体两侧设置了暗柱。墙体长为1 500 mm，高1 450 mm，墙体厚150 mm，大空心长1 160 mm，宽50 mm，大空心的高度与墙高相同，是自上而下贯穿墙体的。暗柱长170 mm，宽150 mm，暗柱内配有直径为8 mm的光圆钢筋。墙体中的纵向钢筋为直径为4 mm，网格宽度为65 mm的钢筋网片。配合比和设计图纸如表12，13和图8所示。

表12 再生混凝土大空心墙体配合比Tab.12 Mixing ratio of fresh concrete hollow wall kg/m3

表13 墙体钢筋力学性能Tab.13 Mechanical properties of steel bars

3.2 墙体试件的制作

本次试验墙体的制作是由专业的施工队伍完成，具体过程见图9～12。

图8 再生混凝土大空心剪力墙设计施工图Fig.8 Design and construction of fresh concrete hollow shear wall

图9 模具内部构造Fig.9 The internal structure of the mold

图10 绑扎好的钢筋网片Fig.10 Tied to a good bar mesh

3.3 地梁的设计与制作

本次试验地梁与墙体为镶嵌式装配连接。镶嵌式连接是在地梁的顶部设计一个凹槽，然后将养护好的再生混凝土大空心剪力墙插入凹槽中，最后灌入砂浆，使墙体与地梁成为一个整体。镶嵌式连接的优点是，可以有效的限制墙体在荷载作用下的滑移与倾覆。保持结构很好的整体性。地梁的设计施工图，如图13所示。

图11 浇筑混凝土Fig.11 Pouring concrete

图12 再生混凝土大空心剪力墙Fig.12 Recycled concrete large hollow shear wall

图13 镶嵌式地梁设计施工图Fig.13 Design and construction of mosaic beams

3.4 试验装置及加载方案

3.4.1 试验装置

拟静力试验的加载装置是由两部分构成：水平加载系统和竖向加载系统。水平加载系统作动器荷载量程为0～500 kN，位移量程为±250 mm。竖向加载系统的油压千斤顶量程为0～250 kN，位移量程为±100 mm。

再生混凝土大空心剪力墙与地梁组成的结构体系，其下端利用地锚通过预先设计的孔洞与结构大厅的地面相连接，等效于固接，以保持与地面的整体性。其上端利用四根连接杆与两片带洞的钢板使水平加载系统与水平加载系统相连接。在墙体加载梁的顶端放置分配梁(该试验的分配梁在用的是工字钢分配梁)，如图14所示。

图14 分配梁Fig.14 The Distribution beam

本试验用位移计来量取墙体在受水平推力时的位移形变。一共在墙体一端布置五个位移采集装置，布置位置如图15。所布位移采集装置与IMP数据采集系统相连，其中最上端和最下端的位移计分别是用来量取墙体顶部以及地梁的侧向位移。

图15 位移计布置示意图Fig.15 Schematic diagram of the displacement meter

3.4.2 加载方案

首先对墙体施加竖向恒荷载，由计算和试验条件确定竖向荷载为80 kN恒荷载，竖向加载系统通过分配梁将竖向力均匀的传递到墙体的加载梁上，使整片墙体受到竖直向下的均布恒荷载。开始试验之前，需对试验墙体进行竖向荷载的预加载，试加载值取实际试验时竖向荷载值的30%，即24 kN。实施预加载的目的是检查仪表是否正常和使墙体的受力更加均匀与稳定。确认仪表等设备完全正常后，开始水平低周往复荷载的加载。水平方向荷载的施加是从0开始，以20 kN为一个增加值，每级往复加载一次，直至墙体出现裂缝[28]。

3.4.3 试验测量内容

本次试验需要测量的内容有：水平往复荷载以及水平往复荷载作用下地梁、墙体所产生的而位移，开裂荷载，以及开裂荷载所对应的墙体裂缝的宽度和墙体的极限荷载。

4 再生混凝土大空心剪力墙抗震性能试验结果及分析

4.1 墙体的破坏形态及原因分析

墙体破坏形态：先在墙体试件施加竖直方向上的均布荷载，荷载到预先规定的数值，待荷载稳定后，开始施加水平方向荷载。在试验初期，墙体的位移随着水平方向荷载的不断增大而增大，试件的荷载-位移曲线呈线性关系。当荷载施加至160 kN时，在试件的右下角开始出现呈45°角的斜裂缝。随着水平方向荷载数值的持续增大，不同角度的斜裂缝逐渐增多。当加至200 kN加载段时，墙体从右上角向左下角出来一条贯穿墙身的斜长裂缝。随着水平方向荷载的继续增加，墙体裂缝继续开裂，呈“X”型相互交叉，当加载至240 kN加载段时，墙身被剪断而完全破坏，见图17。

图17 墙体开始出现斜裂缝Fig.17 Oblique cracks appear

墙体破坏原因：墙体在水平方向荷载的作用下受到剪切作用，随着荷载数值的不断增大，墙体到达弹塑性状态，开始出现细小的斜裂缝。随着荷载的继续增加，墙体的裂缝的数量的增多较为明显，裂缝形式以斜裂缝为主，墙体进入塑性状态。最终，在力的作用下，暗柱钢筋屈服，墙身中的水平钢筋网片被拉断，试件破坏，见图18～图20。

图18 墙体斜裂缝增多Fig.18 Wall cracks increased

图19 试件加载前后对比图Fig.19 Comparison of test pieces before and after loading

图20 墙体底部破坏Fig.20 The destruction the bottom of the wall

图21 水平钢筋网片被拉断Fig.21 Horizontal steel mesh is of pulled off

4.2 数值仿真模拟分析

试验是研究结构受力情况和抗震性能最为有效的手段，但试验通常会消耗浪费大量的人力以及建筑材料，还常常受到试验条件和观测手段等外界因素的限制，很难达到期望的要求。随着科学技术的发展，数值仿真模拟分析的方法已经被广泛的用于结构以及试件抗震性能的研究中。本文在试验的基础上，利用有限元软件对再生混凝土大空心剪力墙拟静力试验进行数值模拟分析，能够从数值模拟角度更好的研究再生混凝土大空心剪力墙的抗震性能，并可对抗震性能的试验结果起到补充分析及验证的作用。本次数值模拟采用的是ADINA有限元软件，单元类型为3D-Solid单元，混凝土采用的材料模型为Concrete，钢筋采用的材料模型为Truss-rebal(见图22～图27)。建模时所用的参数均为所用材料的固有属性，其中再生混凝土所用的参数为本文中再生混凝土基本力学性能试验所测得的参数，大空心剪力墙所用材料参数，见表13。

图22 墙体倾覆破坏Fig.22 The wall overturned

图23 暗柱钢筋屈服Fig.23 Yield of thick column bars

图24 钢筋模型Fig.24 Reinforcement model

图25 墙体模型受力以及约束情况Fig.25 Stress and constraints of the wall model

图26 受竖向荷载时的有效内力云图Fig.26 Effective internal force cloud when subjected to vertical load

图27 墙体模型拟静力试验破坏时的有效内力云图Fig.27 Effective cloud of internal force during the quasi-static test of wall model

4.3 滞回曲线

由图28和29可知，试件开裂前，在水平方向产生的位移较小，荷载-位移关系曲线近似的呈直线分布，滞回环的形状为瘦长型，宽度很小。由此可以看出，在开裂前，试验墙体与有限元模型均处在弹性状态。随着水平荷载的增加，试验墙体开始出现裂缝。在160 kN加载段时，出现了斜裂缝，试件开始进入弹塑性状态，随着荷载的继续增加，墙体的裂缝增多且宽度变宽，长度不断延长。滞回环的面积也开始变大，形状出现较为明显的弯曲，呈梭形。这表明试件的耗能性能增强。随着荷载的进一步增大，墙体发生更大的位移，此时属于塑性阶段，墙面的所有裂缝呈“X”状。滞回环面积继续增加，但中间有“捏拢”现象，滞回环形状由梭形变为弓形。有限元模型墙体滞回曲线的变化规律与试验墙体相似。并由滞回曲线可以看出，有限元模型墙体的滞回环的形状更加饱满。

4.3 骨架曲线

由图30 、图31的骨架曲线可以看出，再生混凝土大空心剪力墙的开裂特征点以及极限荷载点。试验墙体的骨架曲线，从开始加载到墙体开裂，骨架曲线斜率较大，坡度很陡，这说明本文所设计的墙体的刚度较大，在此加载段试件处于弹性阶段。随着水平方向上的荷载的增加，墙体开始出现微小的斜方向的裂缝，骨架曲线的斜率开始减小，坡度变得平缓，变形增大，刚度逐渐减小。此时试件属于弹塑性阶段。继续施加荷载，待试件达到极限荷载时，骨架曲线变得更为平缓，由此可见，此时试件的承载能力下降。有限元模型墙体的骨架曲线的变化规律与试验墙体较为相似。不同的是，墙体进入弹塑性阶段后，有限元模型墙体骨架曲线呈线性分布。

图28 试件试验滞回曲线Fig.28 Hysteresis curve of wall test

图29 试件有限元模拟滞回曲线Fig.29 Finite element simulation of the hysteresis curve of the wall

图30 试件试验骨架曲线Fig.30 Skeleton curve of wall test

图31 试件有限元骨架曲线Fig.31 Skeleton curve of wall finite element

4.4 位移延性系数及位移角(延性分析)

延性是反映结构变形的参数，目前对其研究的方法也不尽相同。本文主要是通过研究和计算极限位移延性系数和极限位移角来对再生混凝土大空心剪力墙的延性进行研究。计算公式如下:

(9)

(10)

式中：μ为极限位移延性系数；Δu为墙体的极限位移(墙体的最大位移)；Δy为墙体的开裂位移；β为试件的极限位移角；h为墙的净高度。由试验数据计算得出的结果，如表14所示。

表14 极限位移延性系数和极限位移角Tab.14 Limit displacement ductility coefficient and limit displacement angle

由表14可以看出，试验墙体具有较好的延性性能。有限元模拟墙体的极限位移延性系数和极限位移角与试验墙体几乎相等，有限元模拟结果与试验结果拟合较好，具有较高的可信度。

4.5 刚度退化

由图32、图33的刚度变化曲线可知，试验与有限元墙体的刚度变化趋势较为相似，都是呈下降的趋势。开始加载时其刚度K值很大。但随着荷载的增加，刚度退化曲线下降较为明显、变化的速度较快。随着水平方向上的荷载的进一步增加，墙体开裂，其退化的速率，随着位移的增大反而减小。从以上分析可知，试验与有限元墙体的刚度都随着位移的增大而减小。在墙体开裂之前的弹性状态下，刚度的退化情况较为明显。试件开裂后，处于弹塑性阶段，试件的刚度退化变得缓慢。当墙体的受力接近极限荷载时，其刚度将保持稳定的状态，此时刚度最低。

图32 试件试验刚度退化曲线Fig.32 Stiffness Degradation Curve for Wall Test

图33 试件有限元刚度退化曲线Fig.33 Stiffness Degradation Curve of Wall Finite Element

4.6 耗能能力

本次试验将通过计算能量耗散系数φ[29]和等效黏滞阻尼系数ζeq[30]来评定再生混凝土大空心剪力墙的耗能能力。能量耗散系数φ，指结构或构件在每次吸收的能量与其总变形能之比值。能量耗散系数φ的值越大，表示耗能能力越强，则其抗震性能越好。

表15 能量耗散系数φ和等效粘滞阻尼系数ζeqTab.15 Energy dissipation factor φ and equivalent viscous damping coefficient ζeq

由表15中可以看出，墙体的能量耗散系数φ和等效粘滞阻尼系数ζeq是随着试件位移的增加而变大。尤其是试件开裂后，增大较为明显。这是因为在开裂后，墙体生了塑性变形，墙体的摩擦面增大，使得其耗能能力增强。由于有限元模型墙体的滞回曲线的形状更加饱满，因此有限元模型墙体的耗能性能比试验墙体更优。

4.7 再生混凝土大空心剪力墙承载力计算

偏心受压正截面承载力计算：由于该剪力墙的受压区和受拉区的钢筋相同，则墙体竖向承载力为：

N=Nc-Nsw

其中：

Nsw=(hwo-1.5x)bwfywρw，

由以上计算可得出偏心距e0，抗弯承载力为M=e0·N，偏心受压斜截面受剪承载力计算

以上各式中：h0为有效高度；h墙体截面高度；h1暗柱高度；x受压区高度；ξb相对界限受压区高度(取0.518)；bw墙身宽度；fyw墙体竖向分布钢筋强度设计值；ρw墙体竖向分布钢筋配筋率；α1受压区混凝土矩形应力图的应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值(取1.0)；fc混凝土轴心抗压强度设计值；ft混凝土轴心抗拉强度设计值；λ计算截面的剪跨比(取1.5)。

由表16可知，再生混凝土大空心剪力墙内力的计算值、模拟值均与试验值近似相等，数值仿真模拟与试验效果拟好较好。其中试件的正截面承载力大于斜截面承载力，表明试件以剪切破坏为主，这与再生混凝土大空心剪力墙拟静力试验现象恰好吻合。通过计算可知，该类大空心剪力墙体系的内力计算方法可以按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)中所给出的内力计算公式计算。

表16承载力计算值与试验值以及模拟值的对比

Tab.16Comparisonofcalculatedvaluesofbearingcapacitywithtestvaluesandsimulatedvalues

承载力计算值有限元模拟值试验值受弯承载力M/(kN·m)294.69296.75300受剪承载力V/kN231.91234.83240

5 结 论

本文以试验为支撑，进行了废弃铺路砖骨料的物理性能试验以及再生混凝土基本力学性能试验，提出了再生混凝土大空心剪力墙的设计理念。并对以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土大空心剪力墙进行了拟静力试验，通过试验，研究了装配式再生混凝土大空心剪力墙的承载能力以及抗震性能。主要结果如下：

(1) 对废弃铺路砖骨料进行了物理性质试验，根据所得数据显示，粗细骨料的表观密度、松散堆积密度、含泥量均切合规范要求；但废弃铺路砖经人工处理破碎后，粗细骨料吸水率较大，配合比设计时要考虑大吸水率问题。

(2) 通过试验发现，以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土的表观密度均比普通混凝土低，具有轻质的特点。该类再生混凝土的弹性模量、抗折强度和劈裂强度值较小。这与废弃铺路砖等骨料的强度、孔隙率和其内部的微小的细裂缝等因素有关。随着纤维的掺入再生混凝土基本力学值都有了一定的提高，在受力破坏时，很少有碎片的剥落，具有较好的整体性。

(3) 通过拟静力试验和数值仿真模拟，研究和分析了再生混凝土大空心剪力墙的破坏形态、原因以及抗震性能指标(滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性和耗能能力)。经分析得出，大空心剪力墙的破坏形态以及抗震性能变化规律与普通剪力墙相似。墙体在受力破坏时分为三个阶段，分别是弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。弹性阶段，墙体的荷载与位移关系曲线呈近似直线状态，荷载越大、形变越大。弹塑性阶段，由于水平荷载的增加，位移的逐渐变大，其增加速率要高于弹性阶段。塑性阶段，墙体在力的作用下发生较大的变形，墙体随即破坏。墙体的滞回曲线以梭形和弓形为主，具有较高的耗能性能。

总体来说，以废弃铺路砖为骨料的再生混凝土具有较好的力学性能，再生混凝土大空心剪力墙具有较高的承载能力和抗震性能，具有一定的实用价值，值得进一步的研究和推广。