肖建莊，丁 陶，范氏鸞，朱永明

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.上海城建物資有限公司，上海 200063）

預制混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)約材料和勞動力，改善施工工效，加快施工進度，提高建筑工程質(zhì)量等優(yōu)勢.從環(huán)保和節(jié)能的角度講，應用預制混凝土技術(shù)，可以降低環(huán)境污染，取得較大的經(jīng)濟效益［1］.美國于20世紀90年代進行了一系列的試驗研究［2-3］.同濟大學依托歐盟“預制混凝土結(jié)構(gòu)抗震”第五框架項目，也對預制結(jié)構(gòu)抗震性能進行了深入研究［4］.同時，有關(guān)再生混凝土物理和力學性能的研究也已經(jīng)取得一定成果［5］，國內(nèi)外學者對再生混凝土結(jié)構(gòu)性能，包括梁［6］、柱［7］、節(jié)點［8］及整體框架［9-10］也有所涉及，但是在再生混凝土預制結(jié)構(gòu)方面尚未進行系統(tǒng)的研究工作.本文將進行一個6層1／4縮尺的預制再生混凝土框架模型的振動臺試驗，以加深對該類再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的了解，為再生混凝土在預制結(jié)構(gòu)方面的推廣應用提供理論和技術(shù)支持.

1 模型設(shè)計與制作

1.1 相似關(guān)系

考慮到試驗室振動臺性能參數(shù)、施工條件和行車起吊噸位等因素，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的平面尺寸，為最大限度地利用振動臺面，預制再生混凝土框架模型幾何相似比取為1／4.考慮到試驗室噪聲的影響，加速度相似比不宜過小，取為1.848，同時再生混凝土彈性模量相似比取為1.0.基于Buckinghamπ［11］定理，模型設(shè)計所需的其他相似關(guān)系可由幾何、加速度、彈性模量3個相似比求出，詳見表1.該模型為欠質(zhì)量人工質(zhì)量模型.

表1 模型與原型的相似比Tab.1 Similitude ratio of the model and its prototype

1.2 模型材料

采用海螺牌普通硅酸鹽水泥P.O42.5，細骨料選用河砂，再生粗骨料由廢混凝土破碎、篩分加工而成，由相似關(guān)系，粒徑范圍為5～10mm.配合比設(shè)計時［12］，采用再生骨料取代率為100%的再生混凝土，強度為C30，坍落度范圍為180～200mm.混凝土配合比（質(zhì)量比）為水∶水泥∶砂∶再生粗骨料＝1∶1.859∶3.202∶4.554.減水劑采用巴斯夫普通減水劑.再生混凝土性能指標見表2.采用鍍鋅鐵絲模擬鋼筋.模型中縱向鋼筋采用8號和10號鍍鋅鐵絲模擬，箍筋采用14號鍍鋅鐵絲模擬.鍍鋅鐵絲性能指標見表3.

表2 再生混凝土材性性能指標Tab.2 Mechanical indexes of recycled concret es

表3 鋼筋的材性性能指標Tab.3 Mechanical indexes of steel bars

1.3 模型設(shè)計與施工

試驗模型為2跨2開間6層的框架結(jié)構(gòu).按“強柱弱梁”的原則進行設(shè)計，抗震等級為二級；模型的配筋和構(gòu)造要求按烈度為8度、設(shè)計地震分組為第2組、建筑場地為II類場地的地震區(qū)進行設(shè)計［13］.根據(jù)相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)總高度為4500mm.

框架梁設(shè)計為預制U型疊合梁，梁頂鋼筋現(xiàn)場綁扎；預制構(gòu)件的連接形式采取柱-柱榫式連接，節(jié)點區(qū)柱鋼筋采用焊接連接，節(jié)點區(qū)和板混凝土采用后澆.構(gòu)件配筋設(shè)計時考慮了預制施工的特殊性、節(jié)點區(qū)梁柱鋼筋規(guī)避等因素，模型平面布置、截面配筋及梁柱節(jié)點詳見圖1.施工順序為：分批預制梁和柱，并預留焊接和錨固鋼筋；下柱上擱置預制梁，綁扎梁頂鋼筋，吊裝上柱，保證其垂直度，焊接上下柱鋼筋；綁扎樓板鋼筋，澆筑節(jié)點區(qū)及板混凝土.

圖1 預制再生混凝土框架模型尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Size and reinforcement of the precast recycled aggregate concrete frame model（unit：mm）

2 振動臺試驗

2.1 波形選擇及測點布置

為了模擬多種場地條件，振動臺所輸入的地震波選用了汶川地震波（WCW）、El Centro波（ELW）和上海人工波（SHW）.圖2給出了 WCW，ELW和SHW加速度時程曲線.本次試驗共布置了30個加速度傳感器、14個拉線式位移傳感器.其中，加速度傳感器測量兩個方向的加速度，位移傳感器用來測量結(jié)構(gòu)兩個方向的絕對位移反應.圖3是模型施工完畢后放在振動臺上的照片.

圖2 輸入波加速度時程曲線（g＝9.8m·s-2）Fig.2 Time-history curves of the seismic waves（g＝9.8m·s-2）

圖3 振動臺上的預制再生混凝土模型Fig.3 Precast recycled aggregate concrete frame model on shaking table

2.2 試驗加載方案

根據(jù)抗震設(shè)防要求［13］，輸入地震波加速度峰值依次增加，以模擬不同水準地震對結(jié)構(gòu)的作用.本次試驗模型的主震方向為X方向（X方向和Y方向見圖1），地震波單向輸入.包括白噪聲掃描前后共輸入了32個工況，分別為0.066g（7度多遇）、0.130g（8度多遇）、0.185g（7度基本）、0.264g（9度多遇）、0.370g（8度基本）、0.415g（7度罕遇）、0.550g（8度罕遇弱）和0.750g（8度罕遇）.同一地震等級試驗中，WCW，ELW和SHW依次輸入.

2.3 模型破壞過程及特征

模型在經(jīng)歷8度多遇SHW后，1層柱的底部出現(xiàn)了細長的裂縫.7度基本烈度工況后，梁上產(chǎn)生的裂縫向上或向下發(fā)展，此時后澆混凝土及預制現(xiàn)澆結(jié)合面并未產(chǎn)生明顯的裂縫.9度多遇地震后，底層構(gòu)件普遍出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象；同時，2層柱的后澆混凝土節(jié)點開始產(chǎn)生裂縫.模型在經(jīng)歷8度基本地震后，在1層和2層梁端產(chǎn)生明顯的垂直和斜裂縫的同時，角柱的后澆混凝土節(jié)點處也開始產(chǎn)生明顯的斜裂縫.8度罕遇弱地震工況后，后澆混凝土節(jié)點處的斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，2層部分后澆混凝土節(jié)點甚至出現(xiàn)了保護層脫落的現(xiàn)象.在8度罕遇工況結(jié)束后，模型1～2層破壞相當嚴重，部分后澆節(jié)點出現(xiàn)壓壞，形成斜交叉裂縫.從試驗結(jié)果看出，在試驗的后期，遭遇強烈地震時，模型底部后澆混凝土節(jié)點剛度退化迅速，呈現(xiàn)半剛接狀態(tài)，部分預制與現(xiàn)澆結(jié)合面產(chǎn)生水平裂縫，破壞形式與現(xiàn)澆再生混凝土框架有較大區(qū)別.預制再生混凝土框架試驗模型的部分梁柱及節(jié)點裂縫發(fā)展情況見圖4.

3 模型試驗結(jié)果

3.1 動力特性

輸入臺面各級地震波前后均用白噪聲對模型進行掃描，可以得到模型結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特征參數(shù).

3.1.1 自振頻率

表4列出了試驗模型在不同工況的前2階自振頻率值.表4的數(shù)值表明：在輸入小峰值的地震波激勵時，模型頻率基本保持不變，降低幅度很小，說明模型整體剛度基本沒有發(fā)生變化.而在輸入較大峰值的地震波激勵后，模型頻率不斷下降，且輸入地震波的能量越大，頻率下降的趨勢則越快.結(jié)合試驗過程結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象分析，應是試驗后期模型結(jié)構(gòu)受到損傷，裂縫增多，后澆節(jié)點和構(gòu)件的剛度迅速退化導致.在最后一個工況結(jié)束后，模型自振頻率已不足試驗前的25%.

圖4 框架模型典型裂縫Fig.4 Typical cracks of the frame model

3.1.2 結(jié)構(gòu)振型

圖5表示試驗模型在不同試驗階段X方向的前2階平動振型.從圖中可以看出，X方向的1階振型基本屬于剪切型.在試驗后期，模型振型曲線發(fā)生了較大變化.1階振型和2階振型在模型底部出現(xiàn)了較為明顯的外凸現(xiàn)象，2階振型幅值零點的位置也不斷下移.這與在試驗后期，模型1～3層梁柱裂縫增多，部分后澆節(jié)點剛度迅速退化是吻合的.在整個試驗過程中，預制再生混凝土框架模型在不同試驗階段的地震反應都以基本振型為主.

表4 模型各試驗階段實測頻率值Tab.4 Natural frequencies of the model on dif ferentstages

圖5 X主方向振型變化Fig.5 Variation of vibration mode in Xdirection

3.1.3 結(jié)構(gòu)阻尼比

模型結(jié)構(gòu)的阻尼比由傳遞函數(shù)曲線根據(jù)半功率法求得，它反映了結(jié)構(gòu)的耗能特性.試驗前通過白噪聲掃描得到模型X方向阻尼比約為0.040，Y方向約為0.041.隨后的試驗過程中，阻尼比隨著地震強度的增加逐漸增大.例如，在臺面輸入加速度峰值為0.370g的工況中，模型X方向阻尼比約為0.192，Y方向約為0.101.試驗結(jié)束時，模型X方向的阻尼比甚至超過了20%.這主要是由于結(jié)構(gòu)累積損傷程度增大而導致耗能的提高.在試驗后期，模型進入彈塑性狀態(tài)，阻尼比增大的幅度相對于試驗前期較大.

3.2 加速度反應

圖6表示不同試驗階段，模型分別在 WCW，ELW和SHW作用下的加速度放大系數(shù)分布.從圖6可以看出，加速度放大系數(shù)總體上隨著樓層的增大而增加.隨著振動臺輸入加速度峰值的不斷增大，加速度放大系數(shù)持續(xù)減小，這說明隨著臺面輸入加速度峰值的增加，結(jié)構(gòu)進入塑性的程度逐步加深，累積損傷不斷加劇，抗側(cè)剛度減小，這與前面自振頻率的分析也是一致的.尤其是結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷0.550g即8度罕遇弱地震后，加速度放大系數(shù)減小趨勢已經(jīng)不明顯，這表明在此工況后，結(jié)構(gòu)X方向抗側(cè)剛度急劇退化.需要指出的是，模型出現(xiàn)了在某些較大臺面峰值下，部分樓層加速度峰值反而大于較小臺面峰值時的情況.根據(jù)反應譜理論，加速度放大系數(shù)和結(jié)構(gòu)周期之間的關(guān)系是非線性和多峰值的.隨著結(jié)構(gòu)破壞的加劇，結(jié)構(gòu)周期逐漸增大，在一定周期范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)可能會出現(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)周期的增大而增大的情況［14］.在同水準地震作用即加速度峰值保持相同的情況下，結(jié)構(gòu)加速度反應的規(guī)律并不相同.SHW作用時，加速度放大系數(shù)最大.這體現(xiàn)了地震頻譜對結(jié)構(gòu)反應的影響.

3.3 樓層剪力

模型的樓層剪力反應了結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力的大小，圖7表示不同試驗階段，模型分別在WCW，ELW和SHW作用下的最大樓層剪力分布.由圖7不難看出，在同一地震水準作用下，各樓層的最大層剪力沿樓層高度方向總體上呈遞減趨勢.在0.066g～0.415g的試驗前期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段和彈塑性階段的初期，隨著臺面輸入加速度峰值的增加，各樓層剪力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在0.415g的地震試驗中，各層的最大層剪力已接近和達到最大承載能力值，部分梁端和后澆節(jié)點區(qū)已形成塑性鉸，模型發(fā)生嚴重破壞，這與試驗中觀察到的現(xiàn)象是一致的.在0.550g和0.750g的試驗后期，結(jié)構(gòu)進入嚴重彈塑性階段，結(jié)構(gòu)損傷累積，破壞程度加劇，此時，隨著加速度峰值的增加，模型樓層剪力反而隨之下降.

圖6 模型在不同地震波下的加速度放大系數(shù)分布Fig.6 Distribution of acceleration amplitude factors of the model with different seismic wave inputs

3.4 位移反應

圖7 模型在不同地震波下的最大樓層剪力分布Fig.7 Distribution of the maximum inter-storey shear force model with different seismic wave in puts

圖8表示不同試驗階段，模型分別在 WCW，ELW和SHW作用下各樓層的最大位移反應.圖9表示不同試驗階段，模型分別在 WCW，ELW 和SHW作用下各樓層最大層間位移反應.在地震試驗中輸入同一水準地震波時，結(jié)構(gòu)的位移變形曲線和層間位移曲線的形狀大致相同；隨著加速度峰值不斷加大，模型各樓層的位移和層間位移也隨之增大；在整個試驗過程中，2層的層間位移最大，其次是1層的層間位移，其余各層為3層＞4層＞5層＞6層.在試驗前期，結(jié)構(gòu)各樓層側(cè)向位移曲線基本上保持為一條直線，說明結(jié)構(gòu)處于彈性階段；在試驗后期，模型1層和2層層間位移的增長幅度大于3～6層層間位移的增長幅度，這是由于在彈塑性階段，模型1層和2層破壞嚴重，梁端和節(jié)點區(qū)出現(xiàn)塑性鉸，層間剛度退化較快.從總體上看，結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移曲線表現(xiàn)出一定的右凸趨勢，該預制框架的結(jié)構(gòu)變形曲線呈現(xiàn)剪切型.

圖8 模型在不同地震波下的最大樓層位移Fig.8 Distribution of the maximum displacement of the model with different seismic wave inputs

4 抗震能力評估

建筑抗震設(shè)計規(guī)范要求對結(jié)構(gòu)進行抗震變形驗算，圖10表示地震試驗中各樓層最大層間位移角的變化情況.

圖9 模型在不同地震波下的最大層間位移Fig.9 Distribution of the maximum inter-storey drift of the model with different seismic wave inputs

結(jié)合圖10，并根據(jù)以上對預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模型各種地震反應的分析可以得到，在7度多遇（0.066g）地震試驗中，模型結(jié)構(gòu)沒有破壞，仍處于彈性狀態(tài)，最大層間位移角為1／760，小于1／550，滿足“小震不壞”的要求；在7度基本（0.185g）地震試驗中，模型的層間位移角為1／158，破壞很輕微，主要破壞處于梁端，模型逐漸進入非線性狀態(tài)，滿足“中震可修”的要求；在7多罕遇（0.415g）地震試驗中，模型破壞已經(jīng)較為嚴重，后澆節(jié)點已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂縫，并逐漸轉(zhuǎn)為塑性鉸，WCW作用下最大層間位移為1／68，滿足小于1／50的規(guī)范要求，SHW 作用下達到1／40，已不滿足層間位移角小于1／50的規(guī)范要求，但可認為滿足“大震不倒”的要求.

圖10 地震試驗中各樓層最大層間位移角Fig.10 The maximum inter-storey drift ratios in the earthquake test

在8度多遇（0.130g）地震試驗中，模型的最大層間位移角為1／199；在8度基本（0.370g）地震試驗中，模型的層間位移角為1／63；在8多罕遇（0.750g）地震試驗中，最大層間位移角達到1／17，部分后澆節(jié)點出現(xiàn)壓壞情況，模型破壞相當嚴重.預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在8度多遇和8度罕遇地震作用下的最大層間位移角均不滿足規(guī)范要求.但是經(jīng)過多次的重復地震試驗后，模型仍沒有倒塌，說明預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)有良好的變形能力和抗震能力.

綜上分析，預制再生混凝土框架在彈性和彈塑性前期階段完全滿足規(guī)范規(guī)定的7度抗震設(shè)防烈度的要求，彈塑性階段后期節(jié)點處后澆混凝土破壞嚴重，耗能不佳.本文建議預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋用在8度抗震設(shè)防烈度要求的地震區(qū)時，抗震結(jié)構(gòu)宜按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求提高1度的要求進行設(shè)計，且預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式還需進一步研究.

5 結(jié)論

通過對首例預制再生混凝土框架模型的振動臺試驗及其抗震能力評估，可以得到下述結(jié)論：

（1）在整個試驗過程中，預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段前期抗震性能較好，在彈塑性階段后期，節(jié)點區(qū)損傷嚴重，梁端和節(jié)點區(qū)出現(xiàn)塑性鉸，后澆混凝土和預制構(gòu)件的結(jié)合面出現(xiàn)水平裂縫，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度迅速退化.

（2）試驗模型的自振頻率隨臺面峰值加速度的增大而降低，阻尼比隨著結(jié)構(gòu)損傷程度的增大而增大，結(jié)構(gòu)振動以1階振型為主.

（3）同一地震水準下，加速度放大系數(shù)總體上沿樓層高度方向逐漸增大，各樓層的最大樓層剪力沿樓層高度方向總體上呈遞減趨勢，結(jié)構(gòu)的位移變形曲線和層間位移曲線的形狀大致相同；隨著振動臺輸入加速度峰值的不斷增大，加速度放大系數(shù)持續(xù)減小，各樓層的位移和層間位移也隨之增大，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形曲線呈現(xiàn)剪切型，樓層剪力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

（4）預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在8度多遇和8度罕遇地震下的最大層間位移角均不滿足規(guī)范要求.但是經(jīng)過多次的重復的地震試驗后，模型結(jié)構(gòu)仍沒有倒塌，說明預制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)有良好的變形能力和抗震能力.本文建議再生混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋用在8度抗震設(shè)防烈度要求的地震區(qū)時，抗震結(jié)構(gòu)宜按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求提高1度的要求進行設(shè)計，在實際中推廣，還應采取必要措施加強梁柱節(jié)點的耗能能力.

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