符櫟輝， 柳炳康， 陳麗華， 周 安

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，伴隨大規(guī)模的新建、改建和擴(kuò)建工程，一方面每年用于澆筑混凝土的天然骨料消耗達(dá)幾十億噸，另一方面拆除舊建筑產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。開山采石生產(chǎn)天然骨料會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成的破壞，建筑廢棄物的填埋堆放又會(huì)占用土地和環(huán)境污染。為了緩解這一矛盾，再生骨料及再生混凝土的開發(fā)應(yīng)用研究已成為國內(nèi)外關(guān)注與亟待解決的問題。

再生混凝土是將廢棄混凝土塊體經(jīng)過回收、裂解、破碎、篩分后，按一定的比例與級配混合形成再生骨料配制出的混凝土［1］。目前國內(nèi)外對再生混凝土的研究已比較普遍，但大多都集中在對再生混凝土基本性能的研究上，而對再生混凝土構(gòu)件受力性能研究較少［2－4］。本文通過2榀再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載下的加載試驗(yàn)和理論分析［5］，探討了再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、滯回特性、位移延性、耗能性能、剛度退化等，對再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行探索性研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件為2榀框架中節(jié)點(diǎn)，試件SIJ－1、SIJ－2配筋相同，梁端上下縱筋各為318，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配有26的箍筋，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞，試驗(yàn)時(shí)2根試件采用不同軸壓比，試件配筋如圖1所示。2個(gè)試件再生骨料取代率均為100%，再生混凝土立方體實(shí)測抗壓強(qiáng)度為35.3MPa［6］。

圖1 試件尺寸及配筋圖

1.2 加載裝置

再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)采用擬靜力加載，試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置圖

首先在柱頂豎向施加固定荷載，然后在左、右梁端施加反對稱的低周反復(fù)荷載。柱頂豎向荷載由液壓千斤頂施加，試件SIJ－1軸壓比取為0.20，試件SIJ－2軸壓比取為0。左、右梁端低周反復(fù)荷載由MTS電液伺服作動(dòng)器施加，試驗(yàn)全過程由伺服控制器及微機(jī)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由TDS－303數(shù)據(jù)采集儀采集。

1.3 加載制度與量測內(nèi)容

本次試驗(yàn)采用荷載－位移混合控制加載制度。試件屈服前采用荷載控制，第1級加載的控制力為試件屈服荷載的20%，每級荷載做一個(gè)加載循環(huán)，以后每級遞增10%，直至試件屈服為止。當(dāng)試件屈服（梁縱筋屈服或節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通裂）后則改為位移控制加載，以構(gòu)件屈服時(shí)的位移為位移控制加載的第1個(gè)循環(huán)，此后，每級位移增加5mm，逐級加載直至試件破壞為止。

按照目前通用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件失效定義，當(dāng)構(gòu)件承載力下降至極限荷載的85%時(shí)，可認(rèn)為試件已經(jīng)破壞，試驗(yàn)停止。但是為了對試件的破壞過程獲得更多的認(rèn)識，本次試驗(yàn)在荷載降至最大荷載值50%或更少時(shí)才終止試驗(yàn)，加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度圖

試驗(yàn)中，MTS加載系統(tǒng)自動(dòng)記錄梁端反復(fù)荷載值與梁端位移值；位移計(jì)量測梁柱的相對轉(zhuǎn)角和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形角；預(yù)埋電阻應(yīng)變片量測梁柱縱筋、箍筋與節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋的應(yīng)變值；混凝土應(yīng)變片量測節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土應(yīng)變。試驗(yàn)過程觀察節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開裂、裂縫寬度與分布。

2 試驗(yàn)過程與現(xiàn)象

在低周反復(fù)荷載作用下，試件SIJ－1、SIJ－2發(fā)生節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞。再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)的破壞過程和普通混凝土框架中節(jié)點(diǎn)類似［7］，其受力與破壞過程可以分為初裂階段、通裂階段、極限階段和破損階段。

加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，荷載－位移曲線呈直線變化，隨著荷載增大，試件SIJ－1梁根部開始出現(xiàn)微裂縫時(shí)，梁端開裂荷載約為極限荷載的20%。隨著荷載的進(jìn)一步增大，試件SIJ－1節(jié)點(diǎn)核心區(qū)開始出現(xiàn)裂縫，開裂荷載接近極限荷載的50%。試件SIJ－2梁根部開始出現(xiàn)微裂縫時(shí)，梁開裂荷載接近極限荷載的25%，隨著荷載的進(jìn)一步增大，試件SIJ－2在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)開始出現(xiàn)裂縫，開裂荷載接近極限荷載的40%。此階段卸荷后裂縫完全閉合，量測到的箍筋應(yīng)力很小，節(jié)點(diǎn)的剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔(dān)和傳遞。

總體思路是推進(jìn)公共服務(wù)領(lǐng)域的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，增強(qiáng)基本公共服務(wù)供給的均等化程度，增加非基本公共服務(wù)供給的多元化水平，更好地解決人民日益增長的美好生活需要與不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾。結(jié)合本文的實(shí)證檢驗(yàn)結(jié)論，對如何推進(jìn)公共服務(wù)領(lǐng)域的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提出以下政策建議：

繼續(xù)加載，已出現(xiàn)的梁根部裂縫繼續(xù)發(fā)展，裂縫寬度達(dá)0.2～0.3mm，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)多條交叉斜裂縫，將核心區(qū)分割為若干菱形小塊，形成一對貫通節(jié)點(diǎn)核心對角線的主斜裂縫，裂縫寬度達(dá)0.4～0.5mm。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)達(dá)通裂階段，通裂荷載約為極限荷載的80%左右。此階段節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與主裂縫相交的箍筋已屈服，節(jié)點(diǎn)的剪力由核心區(qū)混凝土和箍筋形成的桁架作用、菱形塊體之間的咬合力及縱筋銷栓作用共同承擔(dān)。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通裂時(shí)的裂縫分布如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通裂時(shí)的裂縫分布

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通裂后，荷載還可繼續(xù)增加載，結(jié)構(gòu)在梁根部出現(xiàn)一條主裂縫，梁上其他裂縫不再發(fā)展，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫明顯加寬。核心區(qū)混凝土保護(hù)層開始起殼，構(gòu)件的承載能力達(dá)到最大值，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)入極限階段。此階段節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋已全部屈服，作用于節(jié)點(diǎn)的剪力由核心區(qū)混凝土和箍筋形成的桁架作用、菱形塊體之間的咬合力和縱筋銷栓作用共同承擔(dān)。

當(dāng)水平荷載達(dá)到峰值后，隨著位移繼續(xù)增大，荷載開始下降，核心區(qū)混凝土出現(xiàn)剝落，抗剪承載能力下降，節(jié)點(diǎn)到達(dá)極限狀態(tài)。此時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)仍然能保持一定的承載能力，隨著循環(huán)加載的繼續(xù)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)菱狀塊體崩落，喪失承載力。

由圖4可以看出，試件SIJ－1核心區(qū)主斜裂縫開展得較陡，與水平方向的夾角約為60°，而試件SIJ－2核心區(qū)主斜裂縫開展得較平緩，基本上沿核心區(qū)對角線方向，這表明軸壓力的存在亦會(huì)改變核心區(qū)主拉應(yīng)力方向［8］，當(dāng)剪應(yīng)力保持不變時(shí)，軸壓力越大，則主拉應(yīng)力所在平面即裂縫平面與水平方向的夾角越大。由圖4可見，這與理論分析是吻合的。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 滯回曲線

各試件的荷載－位移滯回曲線，如圖5所示。

圖5 試件荷載－位移滯回曲線

圖5加載初期滯回曲線基本沿直線循環(huán)，卸載時(shí)幾乎沒有殘余變形，表明節(jié)點(diǎn)處于彈性工作階段。隨著荷載的增加，節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈服。當(dāng)由荷載控制循環(huán)改為由位移控制循環(huán)后，荷載不增加或增加很小，而位移增長很大，滯回曲線的坡度越來越平，出現(xiàn)滑移段，在經(jīng)過一段滑移以后荷載才有所上升，同時(shí)在卸載的時(shí)候殘余變形也有所增加，滯回曲線表現(xiàn)為較為明顯的反S形。

試件的滯回曲線在加載段均表現(xiàn)出程度不等的“捏攏”現(xiàn)象?！澳髷n”現(xiàn)象主要是由試件剛度的變化產(chǎn)生的，即由試件反向再加載的各類裂縫閉合過程所引起。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)方向受力時(shí)，相應(yīng)部位的裂縫張開，但在試件進(jìn)入非彈性受拉狀態(tài)后，這些裂縫在這一方向荷載卸去后并不能完全閉合，反向加載時(shí)因各未閉合裂縫2個(gè)界面尚無法直接傳遞壓力，導(dǎo)致試件再加載剛度明顯下降，只有當(dāng)變形增大到裂縫重新閉合后，試件剛度才會(huì)重新升高。

3.2 骨架曲線

圖6 試件骨架曲線

從圖6可以看出，試件在低周反復(fù)荷載下，兩端梁的骨架曲線具有很相似的形狀，2條曲線都有明顯的屈服點(diǎn)，骨架曲線可以劃分為上升段、強(qiáng)化段和下降段，各個(gè)階段的剛度退化明顯；試件SIJ－1、SIJ－2屈服后強(qiáng)化段較短，曲線下降迅速，且試件SIJ－2的骨架軸線下降速度較試件SIJ－1的更快，這是因?yàn)樵嚰IJ－1在一定軸壓作用下，節(jié)點(diǎn)混凝土的累積損傷得到了延緩，一定程度上抑制了梁筋的黏結(jié)滑移，使節(jié)點(diǎn)在加載后期的承載性能得到改善。

3.3 延性和耗能能力

節(jié)點(diǎn)的延性是反映節(jié)點(diǎn)非彈性變形能力的一個(gè)度量指標(biāo)，是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力沒有顯著降低的情況下經(jīng)歷變形的能力，可取延性系數(shù)μΔ＝Δu／Δy作為度量指標(biāo)，其中，Δu為構(gòu)件喪失承載力時(shí)對應(yīng)的梁端位移值；Δy為梁端屈服時(shí)對應(yīng)的梁端位移值。試件節(jié)點(diǎn)梁端位移延性系數(shù)見表1所列。

表1 節(jié)點(diǎn)梁端位移延性系數(shù)

從表1可以看出，再生混凝土框架中節(jié)點(diǎn)左、右梁端的延性系數(shù)相當(dāng)，試件SIJ－1、SIJ－2延性有一定差別，這說明適宜的軸壓能有效地抑制核心區(qū)裂縫開展和延伸，所以延性較好。節(jié)點(diǎn)延性的提高，主要是由于試件由核心區(qū)剪切脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱憾怂苄云茐摹?/p>

地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，其抗震性能主要取決于構(gòu)件耗能的能力。在循環(huán)荷載作用下，期望節(jié)點(diǎn)有足夠大的耗能能力而承載力和剛度沒有明顯的喪失。滯回曲線中加荷階段荷載－位移曲線下所包圍的面積可以反映結(jié)構(gòu)吸收能量的大??；而卸荷時(shí)的曲線與加荷曲線中所包圍的陰影面積即為耗散的能量，這些能量是通過材料的內(nèi)摩阻或局部損傷而將能量轉(zhuǎn)換為熱能耗散。

耗能能力是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它能反映出結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞，結(jié)構(gòu)的耗能能力大小一般用荷載－位移滯回環(huán)所包圍的面積來判斷。通過計(jì)算荷載－位移滯回曲線中每一個(gè)滯回環(huán)的面積得到在相應(yīng)循環(huán)中耗散的能量Q，Q越大說明結(jié)構(gòu)耗能能力越強(qiáng)［9］。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗散的能量Q隨位移變化曲線，如圖7所示。

圖7 試件耗能能力曲線

從圖7可以看出，2個(gè)試件在達(dá)到極限位移以前耗能能力大體相當(dāng)，而達(dá)到極限位移后試件SIJ－2的耗能能力比試件SIJ－1降低得更快，這主要是因?yàn)樵嚰IJ－1在軸壓的作用下，抑制了核心區(qū)裂縫的開展以及梁筋的滑移。

3.4 剛度退化

隨著損傷累積，結(jié)構(gòu)的剛度將不斷退化，剛度退化的程度可用結(jié)構(gòu)總體等效剛度來衡量。導(dǎo)致強(qiáng)度及剛度退化的根本原因是框架屈服后的彈塑性性質(zhì)及累積損傷，這種損傷主要表現(xiàn)為混凝土細(xì)微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、鋼材的屈服及塑性發(fā)展［10］。

試件剛度退化曲線，如圖8所示。

圖8 試件剛度退化曲線

從圖8可以看出，試件剛度在屈服前退化較快，屈服后退化減緩，左、右梁退化趨勢一致，同方向剛度退化曲線基本重合；結(jié)構(gòu)的剛度逐漸下降且正負(fù)向剛度有一定的差別，原因是初始加載造成一個(gè)方向的剛度先損傷，而損傷累積造成剛度不對稱［11］；在同級荷載下，試件SIJ－1反向剛度稍大，試件SIJ－2正向剛度稍大，但總體相當(dāng)，隨著加載不斷進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的正負(fù)向剛度不斷接近。

4 結(jié) 論

（1）再生混凝土節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下破壞過程與普通混凝土節(jié)點(diǎn)相似，其受力和破壞過程可分為初裂階段、通裂階段、極限階段、破壞階段。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞時(shí)，表現(xiàn)出明顯脆性性質(zhì)，構(gòu)件抗震性能弱于普通混凝土構(gòu)件。

（2）施加適宜的軸壓力可以延緩核心區(qū)的開裂，提高節(jié)點(diǎn)的抗剪能力；節(jié)點(diǎn)承載力的提高，有助于梁端延性的發(fā)揮，增強(qiáng)了構(gòu)件耗能能力，有利于構(gòu)件的抗震性能的提高。

（3）再生混凝土節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，核心區(qū)菱形塊體混凝土剝落，多沿再生骨料新老砂漿接合面呈酥松狀破壞，反映了混凝土中新拌水泥砂漿與再生骨料界面薄弱，為了改善再生混凝土的基本性能，應(yīng)對再生骨料配制的混凝土進(jìn)行改性處理。

［1］侯景鵬，史 巍，宋玉普.再生混凝土的研發(fā)與應(yīng)用推廣［J］.建筑技術(shù)，2002，33（1）：15－17.

［2］Corinaldesi V，Moriconi G.Behavior of beam－column joints made of sustainable concrete under cyclic loading［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18（5）：650－658.

［3］肖建莊，朱曉暉.再生混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（4）：436－440.

［4］賈勝偉，李曉文，劉 超.再生混凝土框架中間節(jié)點(diǎn)延性及耗能分析［J］.新型建筑材料，2010（8）：7－10.

［5］唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1989：105－111.

［6］張李黎，柳炳康，胡 波.再生混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（4）：508－510，527.

［7］柳炳康，施法科，劉海濤，等.反復(fù)荷載下預(yù)壓裝配式框架接合部受力性能［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28（1）：71－74.

［8］柳炳康.鋼筋混凝土框架梁柱偏心節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20（5）：50－58.

［9］GB 50011－2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［10］唐益群，葉為民.土木工程測試技術(shù)手冊［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1995：332－334.

［11］汪明棟.鋼筋混凝土異形柱框架抗震性能試驗(yàn)研究與彈塑性分析［D］.天津：天津大學(xué)，2006.