王先兵，劉錫軍，羅 丹

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引 言

自密實輕骨料混凝土具有自密實和輕骨料混凝土的優(yōu)點.其在自身重力荷載的作用下不需振搗便可以自動填充模板并且密實［1，2］，解決了配筋過密或構(gòu)件截面過小等復(fù)雜結(jié)構(gòu)因難以施工而帶來的工程質(zhì)量問題，同時避免了因振搗而帶來的環(huán)境污染，在一定程度上加快了施工速度，改善了施工環(huán)境，減輕了混凝土工人的施工強度.自密實輕骨料混凝土自重輕，用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中能夠使結(jié)構(gòu)的自震周期變長，有較好的吸收地震沖擊能量的能力，同時其自重輕使得結(jié)構(gòu)的自重明顯的下降，相應(yīng)降低了地震力，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能［3］.目前，文獻(xiàn)中報導(dǎo)的關(guān)于自密實輕骨料混凝土（SCLC）的研究內(nèi)容主要有：配合比的設(shè)計、工作性能的研究和基本力學(xué)性能試驗的研究［4，5］.關(guān)于自密實輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究報道，除了大連理工大學(xué)博士研究生張云國［6］做了關(guān)于自密實輕骨料混凝土剪力墻試驗研究以外，其余還未見.因此為確保自密實輕骨料混凝土將來在抗震地區(qū)的安全性，還需要開展大量的研究工作.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

為了與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能比較，參照文獻(xiàn)［7］中普通混凝土框架制作了一榀自密實輕骨料混凝土框架，其截面、配筋、均與文獻(xiàn)中的普通混凝土框架相同，混凝土強度與文獻(xiàn)中的相近，如圖1所示.

圖1 框架配筋及截面尺寸圖

自密實輕骨料混凝土框架試件的尺寸：軸線跨度為3.0m，層高為1.85m，柱截面尺寸為180mm×250m，截面尺寸為150mm×250mm，梁柱抗彎剛度比為（EI）b／（EI）c＝0.83，柱的計算剪跨比λ＝Hn／（2×h0）＝3.81，試驗軸壓比為0.218.

1.2 試驗材料

混凝土原材料：輕骨料選用湖北宜昌所產(chǎn)800級、規(guī)格5～25mm碎石型高強頁巖陶粒；水泥采用湖南紹峰P.O42.5水泥；粉煤灰采用大唐華銀株洲電廠公司所生產(chǎn)II級粉煤灰；砂子采用中砂；減水劑采用株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的TQR聚羧酸型高性能減水劑；混凝土配合及其力學(xué)性能見表1所示，鋼筋材料試驗結(jié)果如表2所示.

表1 混凝土配合比及其力學(xué)性能

表2 鋼筋材料試驗結(jié)果

1.3 加載方法

水平力由手動液壓式雙向千斤頂施加，其最大載荷為壓力50T，拉力20T，最大行程為200mm.首先將千斤頂通過設(shè)計的連接件安裝于反力架之上，由底部四高強螺栓固定其位置.兩柱上軸力由千斤頂施加，梁上三分點處集中力由擰緊鋼筋上螺母時產(chǎn)生的壓力通過分配梁施加，柱上及梁上反力由框架底梁提供，底梁反力由基座提供，試驗加載裝置如圖2所示.梁端位移由置于梁端的百分表直接讀取.

圖2 試驗加載裝置

為了測得比較準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)先在柱上施加一定量的軸力，為試驗所需加最大值時的40%，來消除材料本身組織的不均勻性，反復(fù)進(jìn)行2次（即加載－卸載），之后再逐步施加至試驗所需的最大值（F＝150kN）.水平反復(fù)荷載通過手動液壓雙向千斤頂施加，采用力和位移相結(jié)合的加載制度.這種加載制度是先以力控制再以位移控制.在達(dá)到屈服荷載之前，力與變形的關(guān)系基本上是呈線性的，而且為了觀察框架在加荷時的裂縫的發(fā)展形式，采用荷載控制分級加載的方法，每級荷載循環(huán)一次，即逐級加載并在接近開裂之前減少級差進(jìn)行加載，直到框架屈服后再卸去荷載，再以同樣的方法反向加載至框架屈服后再卸去荷載；當(dāng)框架屈服之后，位移的增加速度要快于力的增加速度，故需要采用位移控制的方法來進(jìn)行加載.即按屈服位移的倍數(shù)分級加載（1δ，2δ，3δ，4δ，5δ，6δ），其中δ為屈服位移，每級位移加卸載循環(huán)兩次，直至水平力F降至最大荷載的85%時，終止試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 裂縫開展與破壞過程

在兩柱頂端和梁三分點加載處施加豎向荷載后，自密實輕骨料混凝土框架梁兩端及跨中均無裂縫出現(xiàn)，試驗加載裝置正常，沒有明顯的異常變化，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài).在荷載控制階段，水平力F＝±30kN～±40kN的加載過程當(dāng)中，框架梁端開始出現(xiàn)裂縫，框架柱端也開始出現(xiàn)裂縫.梁端裂縫迅速的向梁跨中方向發(fā)展，柱端裂縫向上發(fā)展，不斷延伸.在F＝±30kN此級荷載加載過程中，正向加載到＋22.5kN時梁遠(yuǎn)端出現(xiàn)裂縫，反向加載到－15 kN時梁近端出現(xiàn)裂縫，由此可見框架梁正向開裂荷載高于反向.梁端裂縫在低周反復(fù)荷載的作用下，張開、閉合.柱下端裂縫在低周反復(fù)荷載的作用下，同梁端裂縫一樣也呈現(xiàn)出張開、閉合的發(fā)展趨勢.當(dāng)采用位移加載到達(dá)30mm后，自密實輕骨料混凝土框架的柱端、梁端的裂縫數(shù)目基本上趨于穩(wěn)定，隨著位移控制的繼續(xù)加載只是原有裂縫的伸展與加寬.在位移加載到10mm時節(jié)點區(qū)開始出現(xiàn)斜裂縫，在以后的位移加載過程中不斷有新斜裂縫出現(xiàn)，到δ＝±30mm時趨于穩(wěn)定，后續(xù)加載斜裂縫有所延伸，加載到δ＝±40mm遠(yuǎn)端梁柱節(jié)點形成交叉斜裂縫.到整個試驗結(jié)束時，框架梁柱節(jié)點的破壞不算嚴(yán)重.自密實輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的最終破壞狀態(tài)表現(xiàn)為：框架梁端截面屈服之后，柱下端表面的混凝土被壓碎，且混凝土被剝落，相應(yīng)部位的柱下端鋼筋被壓屈服.從整個試驗現(xiàn)象來分析，自密實輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞機制表現(xiàn)為：“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”的破壞模式.最后的破壞情況如圖3所示.

圖3 自密實輕骨料混凝土框架的破壞情況

2.2 滯回曲線

滯回曲線是在荷載反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的荷載－位移變化曲線.它能夠反映出結(jié)構(gòu)、構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的變形、能量消耗、剛度退化規(guī)律等情況.同時它也是確定結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的必要依據(jù).圖4是自密實輕骨混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下的F－δ曲線.本論文有關(guān)普通混凝土框架的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及試驗現(xiàn)象均來自文獻(xiàn)［7］.

圖4 自密實輕骨料混凝土框架滯回曲線

從滯回曲線可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)裂縫出現(xiàn)前或者裂縫的數(shù)量很少時，即水平荷載小于最大荷載的25%時，此值低于普通混凝土框架結(jié)構(gòu)的30%.滯回曲線包圍的面積很小，節(jié)點位移和荷載變化規(guī)律呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)此時對應(yīng)的殘余變形小，在周期往復(fù)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)基本上處于彈性工作狀態(tài).

（2）隨著自密實輕骨料混凝土框架梁及柱的開裂，荷載的施加，滯回曲線由原來的直線型轉(zhuǎn)變?yōu)榍€型，滯回環(huán)面積在不斷的增大，每級荷載卸至零后，位移不能回零，有一定的殘余變形，隨著反復(fù)水平荷載的施加，結(jié)構(gòu)的剛度退化比較明顯，結(jié)構(gòu)進(jìn)入了非線性的工作狀態(tài).

（3）自密實輕骨料混凝土框架進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)后，滯回曲線呈現(xiàn)弓形，滯回環(huán)面積不斷增大，隨著水平反復(fù)荷載的增大，每級荷載由峰值點卸回零后相對殘余變形量也逐漸變大，位移控制階段40 mm時相對卸載至零時殘余變形量已達(dá)到16.11 mm，滯回曲線呈現(xiàn)一定的“捏縮效應(yīng)”.但滯回環(huán)面積相對前一級荷載時，還是呈增大趨勢.

（4）自密實輕骨料混凝土框架在位移控制階段，同一級位移加載，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，每級位移對應(yīng)的峰值點荷載在不斷的下降，由于結(jié)構(gòu)累計損傷的影響，導(dǎo)致前一次滯回環(huán)的面積一般都大于后一次的滯回環(huán)的面積.

2.3 骨架曲線

自密實輕骨料混凝土框架的骨架曲線如圖5所示，從骨架曲線能夠看出：

圖5 自密實輕骨料混凝土框架骨架曲線

（1）自密實輕骨料混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和極限破環(huán)階段三個時期.從它也能夠看出明顯的開裂點及最大荷載點和極限位移點.對比通過試驗過程中觀察的正向開裂荷載為＋22.5kN，反向開裂荷載為－15 kN，這與從骨架曲線上反映出的開裂荷載值比較接近.

（2）從骨架曲線上可以看出自密實輕骨料混凝土的反向最大承載力要小于正向的最大承載力.反向相對未加水平力時所確定的原點位移要大于與之正向位移，這與加載制度有關(guān)，即后期每次卸載帶來的殘余變形有關(guān).

2.4 特征荷載及特征位移

將開裂荷載、屈服荷載、極限荷載、破壞荷載四個特征荷載列于表3，將開裂位移、屈服位移、極限位移、破壞位移列于表4.其中屈服荷載和屈服位移按“通用屈服彎矩法”來得到［8］.

從表3和表4能夠看出：自密實輕骨料混凝土的特征荷載值均低于普通混凝土框架的特征荷載值，自密實輕骨料混凝土框架的特征位移值也低于普通混凝土框架的特征位移值.這主要與自密實輕骨料混凝土強度較普通混凝土低，施工工藝水平等存在差異有關(guān).自密實輕骨料混凝土的破壞時的最大層間位移轉(zhuǎn)角為1／43，表明自密實輕骨料混凝土具有較好的變形能力.

表3 框架特征荷載

表4 框架特征位移

2.5 剛度退化

為了分析和考察自密實輕骨料混凝土框架在低周往復(fù)荷載的作用下剛度退化的基本規(guī)律，定義框架的折算剛度為施加于梁端的水平力F與梁端位移δ之比.自密實輕骨料混凝土框架的和普通混凝土框架的剛度退化規(guī)律如圖6所示.

圖6 兩榀框架剛度退化規(guī)律

從圖6可以看出：

（1）自密實輕骨料混凝土框架和普通混凝土框架，在周期往復(fù)荷載的作用下，剛度退化比較的明顯.

（2）自密實輕骨料混凝土框架的剛度要低于普通混凝土框架的剛度.

（3）兩榀框架剛度退化的規(guī)律基本一致，退化速度基本相同.在水平荷載不是很大時，兩榀框架剛度退化速度較快.隨著位移的增大，每次循環(huán)的塑性變形不斷的積累，剛度的退化速度逐漸減慢.

2.6 自密實輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

2.6.1 框架結(jié)構(gòu)的延性

一般框架結(jié)構(gòu)的延性用框架在水平荷載作用下梁端的位移延性系數(shù)μ來評價，其計算公式見下式所示：

式中：δu—框架在水平荷載作用下，水平力F下降到最大荷載的85%時對應(yīng)的梁端位移.

δy—以通用彎矩屈服法計算得到的框架屈服位移.

自密實輕骨料混凝土框架及普通混凝土框架延性系數(shù)如表5所示.

表5 兩榀框架梁端的位移延性系數(shù)比較

對于有抗震要求的一般框架結(jié)構(gòu)，要求延性系數(shù)μ≥4［9］.由表5可知，自密實輕骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)符合一般框架的抗震要求.

2.6.2 框架結(jié)構(gòu)的耗能分析

一般通常用滯回環(huán)的面積來衡量結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的耗能能力，一般滯回環(huán)面積越大，說明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力強.因此，滯回環(huán)面積的大小是用來衡量結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件耗能的重要指標(biāo).圖7為自密實輕骨料混凝土框架在不同加載等級下的整體耗能情況，其中取了普通混凝土框架位移加載等級到δ＝±35 mm時的耗能情況，做以對比.

圖7 框架耗能圖

從圖7可以看出，在發(fā)生相同位移時，普通混凝土框架的耗能能力要強于自密實輕骨料混凝土框架的耗能能力，隨著位移的增大，曲線斜率在不斷的增大，耗能能力在不斷的增強.普通混凝土框架的耗能增長速度要快于自密實輕骨料混凝土框架的耗能增長速度.

3 結(jié) 論

（1）采用自行設(shè)計的配合比，澆筑了一榀自密實輕骨料混凝土框架，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震的擬靜力試驗.通過與所參考文獻(xiàn)當(dāng)中的普通混凝土框架的對比發(fā)現(xiàn)，自密實輕骨料混凝土框架（實測混凝土立方體抗壓強度為30.6MPa）的承載能力低于普通混凝土框架（立方體抗壓強度為35.6MPa）的承載能力，自密實輕骨料混凝土框架的耗能能力低于普通混凝土框架的耗能能力.

（2）自密實輕骨料混凝土框架的延性系數(shù)為4.38，符合一般考慮抗震的框架對延性的要求；彈性層間位移轉(zhuǎn)角為1／1020，極限破壞時的位移轉(zhuǎn)角為1／43；框架具有較好的變形能力.另外，自密實輕骨料混凝土框架的剛度退化規(guī)律與普通混凝土框架的剛度退化規(guī)律基本相同.

（3）自密實輕骨料混凝土的破壞模式表現(xiàn)為：“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”的破壞模式.

（4）經(jīng)合理設(shè)計的自密實輕骨料混凝土框架，各方面指標(biāo)符合我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010－2010）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011－2010）的要求，能夠用于框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計.

［1］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［2］Wu Zhongwei，Lian Huizhen.High Performance Concrete［M］.Beijing：China Railway Press，1999.

［3］Hajime Okamura and Masahiro Ouchi.Self－Compacting Concrete［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（1）：5－15.

［4］向曉峰，郭志昆，等.高強輕骨料混凝土的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀［J］.工業(yè)建筑，2005（S1）.

［5］何廷樹，王振軍，伍勇華，等.自密實輕骨料混凝土工作性能的研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2004（4）：422－425.

［6］王玉梅，劉錫軍.自密實輕骨料混凝土配合比設(shè)計及基本力學(xué)性能試驗［J］.混泥土，2012（6）.

［7］吳智敏，張小云，張云國.自密實輕骨料混凝土配合比設(shè)計及基本力學(xué)性能試驗［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2008（4）：83－87.

［8］孫悅東，肖建莊，周德源，張 鵬.再生混凝土框架抗震性能的實驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2006（5）：9－15.

［9］朱伯龍.結(jié)構(gòu)抗震試驗［M］.北京：地震出版社，1989：165.

［10］唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震［M］.東南大學(xué)出版社，1989.