張華東,朱燕芳,李志強*,王堯鴻,董偉
(1 石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832003;2 南昌工程學院土木與建筑工程學院,江西 南昌 330099;3 內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;4 內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)
沙漠砂混凝土作為一種新型混凝土,充分利用了沙漠資源,有效緩解河砂供需矛盾,符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求[1]。國內(nèi)外學者通過實驗研究古爾班通古特、毛烏素、托克遜、非洲撒哈拉沙漠等地的沙漠混凝土發(fā)現(xiàn),與普通河砂相比,沙漠砂在表觀形態(tài)、成分含量等方面存在較大差異,摻入沙漠砂會影響混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),改變內(nèi)部毛細孔、非毛細孔、凝膠孔等占比,從而導致混凝土梁、柱、節(jié)點等構(gòu)件的破壞規(guī)律與普通混凝土相似,但其極限承載能力、抗剪承載能力、耗能、延性等存在較大差異[2-7]。因此,要將沙漠砂混凝土應用于實際工程,仍需要在理論方面進行更深入的研究,恢復力模型就是其中重要的一部分,恢復力模型是指將恢復力與變形之間的關(guān)系曲線進行模型化,是描述混凝土結(jié)構(gòu)在低周往復循環(huán)荷載下彈塑性性能的基本因素,也是進行結(jié)構(gòu)地震分析的理論基礎(chǔ)[8]。近年來,國內(nèi)外學者對混凝土提出諸如雙折線型、三折線型、曲線型等恢復力模型[9-13],但上述模型大多局限于普通混凝土,對適用于沙漠砂混凝土的恢復力模型研究尚少。
為便于沙漠砂混凝土在結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應分析中的應用,更簡明地表示恢復力模型的關(guān)鍵參數(shù)和剛度變化,并盡可能地簡化恢復力模型,本文采用三折線恢復力模型,通過設計9個不同沙漠砂取代率的框架節(jié)點試件并進行擬靜力實驗,考慮剛度退化,建立適用于沙漠砂混凝土節(jié)點的恢復力模型,并將計算曲線與試驗曲線進行對比分析,驗證其準確性。
本次試驗選用9個混凝土梁柱節(jié)點。柱子截面尺寸為200 mm×200 mm,橫梁截面尺寸為250 mm×300 mm,上、下柱高度分別取650 mm、700 mm,梁柱線剛度比值控制在0.71,箍筋、縱筋采用HRB400型鋼筋。橫梁的配筋率取為1.38%,立柱的配筋取為3.02%,采用3種不同軸壓比和核心區(qū)配箍率、5種不同的漠砂替代率。尺寸以及配筋見圖1,混凝土試件設計參數(shù)見表1。
圖1 尺寸及配筋圖
表1 混凝土試件設計參數(shù)
實驗沙漠砂選用古爾班通古特沙漠砂,堆積密度為1 615 kg/m3,含水率為1.5%。對每個試件分別預留1組150 mm的立方體試塊,與試件同一批次澆筑,同一環(huán)境覆膜灑水養(yǎng)護,到達28 d齡期,按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]進行測試;試驗所用鋼材參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》[15]進行測試。各項指標實測值見表2、表3。
表2 沙漠砂混凝土力學性能
表3 鋼筋力學性能
本試驗選取柱端加載的方式,加載設備采用MTS電液伺服機,豎向千斤頂最大可提供100 T壓力,加載設備示意圖見圖2。
圖2 加載設備
參考《建筑抗震試驗規(guī)程》[16],試驗采用位移控制的加載方式。試件初始位移每級增量為2 mm,屈服之后位移增量增加至5 mm。每級循環(huán)2次,直到試件的承載力下降到峰值荷載的80%后結(jié)束實驗,加載制度見圖3。
圖3 加載制度
通過觀察和記錄9個試件的加載破壞試驗現(xiàn)象,將整個加載階段分為開裂階段、屈服階段、極限階段和破壞階段[17-19]。
開裂階段:梁柱節(jié)點開始出現(xiàn)豎向初始裂縫,初裂荷載主要集中在峰值荷載的50%~67%。
屈服階段:梁柱節(jié)點豎向裂縫數(shù)量繼續(xù)增加,荷載隨位移增速較上一階段變緩慢,試件進入屈服狀態(tài),開始出現(xiàn)殘余變形。
極限階段:隨著荷載的增加,試件裂縫發(fā)展速度變快并不斷擴展,核心區(qū)出現(xiàn)X形主裂縫并逐漸加寬,部分混凝土表皮隆起,并伴有小面積脫落。
破壞階段:荷載達到峰值后,新增裂縫的速度變緩,試件承載力開始出現(xiàn)下降,節(jié)點核心區(qū)內(nèi)的混凝土表皮開始出現(xiàn)大面積的隆起剝落,節(jié)點下柱端部產(chǎn)生大量裂縫,試件承載力急劇下降。
9個試件的破壞形態(tài)基本一致,破壞過程中柱端產(chǎn)生豎向裂縫,梁端產(chǎn)生彎曲裂縫[20-21],主要以核心區(qū)剪切破壞為主,具體破壞形態(tài)見圖4。
圖4 DSCJ-1、DSCJ-3的破壞形態(tài)
將試件在試驗中的每一級滯回環(huán)的峰值點進行連線,就可以得到試件的骨架曲線,也叫做滯回曲線的外包線[22-23]。依據(jù)實驗數(shù)據(jù),將9個節(jié)點所提取出的骨架曲線以峰值點為基準點進行無量綱化,結(jié)果見圖5。分析骨架曲線(圖5)后,可以將其大致分為彈性段、彈塑性段及下降段3個階段。
圖5 無量綱骨架曲線
彈性階段:試件從加載初期到發(fā)生屈服過程中,水平荷載小于峰值荷載的35%~50%,試件無裂縫出現(xiàn),骨架曲線基本保持直線,此階段為彈性階段。
彈塑性階段:試件從屈服階段到達到峰值點的過程中,屈服荷載約為峰值荷載的80%~87%,骨架曲線斜率發(fā)生明顯變化,不同沙漠砂替代率試件的骨架曲線開始出現(xiàn)分離的趨勢,此階段試件剛度發(fā)生退化。
下降階段:試件從達到峰值點到試件失效的過程中,隨著位移的增大,試件承載力不斷下降,當試件承載力降為峰值的80%以下,認定失效,試驗停止。
分析試件骨架曲線后,確定骨架曲線模型需要9個關(guān)鍵參數(shù),見表4。
表4 骨架曲線關(guān)鍵參數(shù)
本文采用回歸分析的方法,將破壞荷載定為峰值荷載的85%,確定其它特征點的位置后,即可得出骨架曲線計算模型[24],見圖6。三折線模型中各線段回歸方程及斜率見表5。
圖6 骨架曲線計算模型
表5 骨架曲線模型各線段回歸方程
圖7為沙漠砂混凝土節(jié)點滯回規(guī)則,圖中數(shù)字依次表示模型在加載、卸載過程中的行走路線[25]。隨著試驗加載的進行,試件會出現(xiàn)剛度退化現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為正(反)向卸載時所對應的位移點與零荷載點之間的斜率會逐漸減小,如圖中5→6較1→2的斜率減小,表明正向卸載剛度出現(xiàn)退化。為定量描述剛度退化的規(guī)律,通過回歸分析9個試件各級滯回環(huán)的正(反)向卸載點和正(反)向卸載后殘余變形點的坐標,建立相關(guān)計算公式[26]。
圖7 剛度退化及滯回規(guī)則
(1)正向卸載剛度K1。
(1)
圖8 K1擬合曲線
(2)反向加載剛度K2。
(2)
圖9 K2擬合曲線
(3)反向卸載剛度K3。
(3)
圖10 K3擬合曲線
(4)正向加載剛度K4。
(4)
圖11 K4擬合曲線
圖7中沙漠砂混凝土節(jié)點的滯回規(guī)則表述如下:
(1)當沙漠砂混凝土節(jié)點的正反向加載強度低于屈服強度前,圖中的OA、OA′段,加載和卸載路徑不考慮剛度退化,均沿著骨架曲線的彈性段進行,加載剛度為初始剛度。
(2)當沙漠砂混凝土節(jié)點的正反向加載強度超過屈服強度但未達到峰值強度,加載路徑沿著骨架曲線進行,如圖中的AB、A′B′段。此時加載剛度為屈服后的剛度,卸載路徑為1→2。在進行反向加載時,反向未屈服則加載路徑為2→A′→B′,若試件反向屈服,則加載路徑為2→3→B′。反向卸載沿著3→4進行,再進行正向加載時路徑為4→1→B→C。
(3)當沙漠砂混凝土節(jié)點的正反向加載強度處于峰值強度但未達到極限強度時,此時正向卸載路徑為5→6,正向卸載剛度K1按式(1)計算。進行反向加載時,未達到峰值強度時,加載路徑為6→B′→C′,達到峰值強度時,則加載路徑為6→7→C′,反向加載剛度取K2按式(2)計算;反向卸載沿7→8 進行,反向卸載剛度K3按式(3)計算,正向加載路徑沿8→5→C進行,正向加載剛度K4按式(4)計算。
根據(jù)沙漠砂混凝土恢復力模型的滯回規(guī)則和計算骨架曲線可以得到滯回曲線的計算結(jié)果,與試驗結(jié)果的對比見圖12所示。對比兩者發(fā)現(xiàn),滯回曲線趨勢大致相同,吻合度較好,但在加載后期略有差異,這是由于“強節(jié)點”的設計原則,結(jié)構(gòu)在破壞之前節(jié)點尚未進入塑性階段。所以框架節(jié)點的計算滯回曲線雖然在加載后期同節(jié)點試驗滯回曲線存在一定的差別,但仍適用于實際[27]。
圖12 計算曲線與實驗曲線對比
(1)沙漠砂混凝土在擬靜力加載試驗下,各試件經(jīng)歷了開裂、屈服、極限、破壞階段;實驗加載中后期,加載剛度、卸載剛度均出現(xiàn)退化現(xiàn)象。
(2)本研究確定了沙漠砂混凝土節(jié)點的骨架曲線為三折線模型,與普通混凝土相比,主要體現(xiàn)在骨架曲線與退化剛度的不同;給出了沙漠砂混凝土節(jié)點骨架曲線中對應的特征點及主要參數(shù)的計算方法及步驟。
(3)本研究確定了沙漠砂混凝土節(jié)點滯回曲線中4個階段中的加載剛度、卸載剛度計算公式。提出相應的滯回規(guī)則,將所提的恢復力模型得到的計算曲線與實驗曲線進行對比,發(fā)現(xiàn)吻合較好,可以為沙漠砂混凝土節(jié)點彈塑性反應分析提供理論參考。