余亞琳,孟二從,蘇益聲

(1. 重慶人文科技學(xué)院 工商學(xué)院,重慶 401524; 2. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715;3. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

0 引言

方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)是指將再生混凝土(recycled aggregate concrete,簡稱“RAC”)填充于方鋼管之中,利用方鋼管對RAC的約束作用來彌補(bǔ)其性能缺陷,與此同時(shí),核心RAC的存在又能限制方鋼管局部屈曲發(fā)生,進(jìn)而產(chǎn)生1+1>2的效果[1-2]。目前,國內(nèi)外已有很多學(xué)者對方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究[3-8],但大都集中于構(gòu)件的層面[3-6],從結(jié)構(gòu)層面的研究則相對較少[7-8]?？偟难芯勘砻?方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能。實(shí)際工程中,鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架是多和高層建筑中常用的一種結(jié)構(gòu)體系,如泉州郵電中心大廈和廣州新中國大廈等建筑。而將此框架結(jié)構(gòu)替換為鋼管再生混凝土柱-鋼筋再生混凝土梁框架,其性能如何還有待進(jìn)一步研究。

再生空心砌塊填充墻是指利用再生細(xì)骨料制作而成的空心砌塊砌筑而成的綠色墻體,將該綠色墻體填充于再生混凝土框架結(jié)構(gòu)之中,再生粗骨料用來制作RAC,再生細(xì)骨料用來制作再生空心砌塊,可以有效解決建筑垃圾的問題,具有明顯的社會(huì)環(huán)境效益[9]。目前國內(nèi)外關(guān)于該領(lǐng)域的研究還相對較少,薛建陽等[10-12]對型鋼再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻結(jié)構(gòu)的抗震性能及抗側(cè)剛度做了相關(guān)研究,而關(guān)于方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻結(jié)構(gòu)的研究則近乎空白。

在此背景之上,本文進(jìn)行了1榀方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻及1榀無填充墻方鋼管再生混凝土框架試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn),觀察其破壞過程及形態(tài),獲取其相關(guān)抗震性能指標(biāo),以此來對方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻這一新型綠色框架結(jié)構(gòu)的抗震性能做相關(guān)探索性研究,旨在為該類框架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步理論分析及推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為初步探明方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻的抗震性能,本文設(shè)計(jì)制作了2榀方鋼管再生混凝土框架,其編號分別設(shè)為KJ-1及KJ-2,試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。參照《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159—2004)[13]規(guī)定,本文所用框架形式為方鋼管RAC柱-RAC梁框架形式。試件采用單層單跨模型,RAC梁凈距為1 030 mm,層高為1 050 mm,為保證柱腳固結(jié),柱腳伸入基礎(chǔ)梁內(nèi)300 mm,并與基礎(chǔ)一起整體澆筑。試件詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸圖Fig. 1 Specimen size figure

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimens

鋼管及梁內(nèi)RAC為100%粗骨料取代率的RAC,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40,單位體積內(nèi)所用材料配合比為水泥:砂:水:100%再生粗骨料=500∶542∶205∶1153,其中:水泥為海螺牌42.5R級普通快硬硅酸鹽水泥,砂為普通天然黃砂(中砂),拌合水為普通城市自來水,粗骨料為粒徑5～20 mm的再生骨料。填充墻采用再生空心砌塊砌筑而成,根據(jù)《混凝土小型空心砌塊建筑技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 14—2011)[14]規(guī)定,試驗(yàn)所用再生空心砌塊為單排雙孔砌塊,其中主規(guī)格砌塊尺寸為390 mm×90 mm×190 mm,輔助砌塊尺寸為190 mm×90 mm×190 mm,砌塊的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為MU15,單位體積中水泥(P.O 42.5R級)、水、再生細(xì)骨料及天然粗骨料的質(zhì)量比為1∶0.53∶2.94∶2.94。

試件橫梁截面尺寸為100 mm×200 mm,梁內(nèi)配筋形式如圖2(a)。鋼管RAC柱所用鋼管為Q235普通碳素鋼管(直縫焊接),其截面形式如圖2(b)所示。框架節(jié)點(diǎn)參照《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159—2004)[13]的規(guī)定,采用開孔穿筋的連接方式,與此同時(shí),為保證梁端荷載有效傳到柱上及“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求,在梁和柱交接處焊接尺寸為200 mm×140 mm×8 mm的節(jié)點(diǎn)板,節(jié)點(diǎn)部位構(gòu)造如圖2(c)所示。填充墻與框架交接部位空隙采用柔性材料嵌填,并用砂漿抹面。此外,為保證墻體與框架的連接性能,沿墻體高度方向,每隔200 mm設(shè)置2根直徑6 mm的HPB300拉結(jié)鋼筋。

圖2 試件梁、柱和節(jié)點(diǎn)圖Fig. 2 Figures of specimen beam, column and joint

1.2 材料性能

分別按規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[15]、《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》(GB/T 4111—2013)[16]及《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)[17]對試驗(yàn)所用材料進(jìn)行材料性能試驗(yàn),實(shí)測材料力學(xué)性能見表2。

表2 材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of materials

1.3 測量方案與加載模型

為測量加載過程中試件內(nèi)部的應(yīng)力變化,在框架梁、柱和節(jié)點(diǎn)等部位布設(shè)應(yīng)變片或應(yīng)變花,試件測點(diǎn)布設(shè)及編號情況如圖3所示。

圖3 試件測點(diǎn)布置Fig. 3 Layout of measuring points of specimen

試驗(yàn)加載模型如圖4所示。試件安裝就位后,首先按0.2的試驗(yàn)軸壓比在柱頂施加豎向荷載,并保持不變,隨后通過MTS伺服作動(dòng)器施加水平往復(fù)荷載。參照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[18](JGJ/T 101—2015)規(guī)定,水平荷載采用荷載-位移混合控制。即試件沒有測點(diǎn)屈服前按荷載控制加載,每級循環(huán)1次(加載級數(shù)為10 kN),當(dāng)柱腳部位處20、24或32號測點(diǎn)出現(xiàn)屈服時(shí),記錄此時(shí)試件的水平位移Δy。隨后采用該位移Δy作為加載級數(shù)進(jìn)行位移控制加載。此次試驗(yàn)取Δy為6 mm,每級循環(huán)3次,直至試件荷載下降至峰值荷載的85%左右時(shí)停止試驗(yàn)。

注: 反力墻1); 豎向反力鋼柱2); 反力梁3); MTS作動(dòng)器4); 油壓千斤頂5); 滾輪6); 特制加載端板7); 壓梁8)。

2 破壞過程與特征

2.1 破壞過程

對于KJ-1而言,在力控階段,當(dāng)荷載加至±50 kN時(shí),左側(cè)梁端上側(cè)部位處出現(xiàn)第一條細(xì)微彎曲裂縫;當(dāng)荷載加至±80 kN時(shí),梁端裂縫開始貫通;當(dāng)荷載加至±120 kN時(shí),RAC梁上豎向彎曲裂縫基本出齊,其間距在8～15 cm之間,局部位置出現(xiàn)一些細(xì)微斜裂縫。在位控階段,當(dāng)加載位移為±1Δy時(shí),在梁端1/10～1/5跨處,產(chǎn)生幾條明顯的斜裂縫;當(dāng)加載位移達(dá)到±2Δy時(shí),新產(chǎn)生的斜裂縫與之前RAC梁上斜裂縫形成交叉“X”形裂縫,并由兩端向跨中發(fā)展;當(dāng)加載位移達(dá)到±3Δy時(shí),裂縫寬度顯著變大,RAC梁開始出現(xiàn)混凝土掉皮、脫落現(xiàn)象;當(dāng)加載位移達(dá)到±4Δy時(shí),RAC梁保護(hù)層開始脫落;當(dāng)加載至±5Δy時(shí),主斜裂縫區(qū)域保護(hù)層被掀起,部分區(qū)域可見裸露的鋼筋骨架,用手觸摸柱底有明顯鼓曲手感,此時(shí)正負(fù)向荷載均已下降到峰值荷載85%以下,試驗(yàn)結(jié)束。

對于KJ-2而言,在力控階段,當(dāng)荷載加至±20 kN時(shí),再生砌塊填充墻與鋼管RAC柱交接處的砂漿開始出現(xiàn)第一條豎向裂縫;隨著荷載增加至±70 kN時(shí),RAC梁端出現(xiàn)第一條通縫;當(dāng)荷載加至±100 kN時(shí),填充墻部位出現(xiàn)“吱、吱”的擠壓聲,部分位置墻體出現(xiàn)局壓破壞裂縫,如圖5(a)所示;當(dāng)荷載進(jìn)一步加載到±120 kN時(shí),RAC梁上彎曲裂縫基本出齊,其間距在7～15 cm之間,試驗(yàn)前在墻體上布設(shè)的網(wǎng)格線發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng),實(shí)測試件部分位置應(yīng)變已達(dá)屈服應(yīng)變,試件隨后進(jìn)入位控加載階段。當(dāng)加載位移為±Δy時(shí),填充墻底部位置處開始出現(xiàn)斜裂縫,RAC梁上彎曲裂縫開始向斜裂縫轉(zhuǎn)變;加載位移為±2Δy時(shí),由于反復(fù)循環(huán)荷載作用,RAC梁上斜裂縫明顯增多,并且在梁端部位出現(xiàn)較為明顯的交叉“X”形裂縫,如圖5(b)所示,填充墻與框架柱之間出現(xiàn)較為明顯的脫開現(xiàn)象;當(dāng)加載位移達(dá)到±4Δy時(shí),梁上RAC出現(xiàn)剝落痕跡,填充墻部分位置出現(xiàn)明顯局壓破壞痕跡;當(dāng)加載位移達(dá)到±6Δy時(shí),柱底有明顯鼓曲手感,試件整體破壞程度已很嚴(yán)重,如圖5(c)所示。此時(shí)正向荷載已降至峰值荷載85%以下,試驗(yàn)結(jié)束。

圖5 試件破壞過程與形態(tài)Fig. 5 Failure process and pattern of specimen

2.2 破壞特征分析

由試件破壞過程可知:方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻的破壞具有如下特征:

1)相較于無填充試件,由于再生砌塊填充墻的存在,使得方鋼管再生混凝土框架-再生空心砌塊填充墻的破壞過程表現(xiàn)為再生砌塊填充墻破壞→RAC梁破壞→柱腳鼓曲。再生砌塊填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在加載初期,首先通過墻體自身間的摩擦損傷等進(jìn)行耗能如圖6(a)所示,起著第一道抗震防線的作用;當(dāng)再生砌塊填充墻破壞后,鋼管再生混凝土框架在充當(dāng)?shù)诙揽拐鸱谰€的作用,通過RAC梁損傷、柱腳塑性鉸發(fā)展等進(jìn)行進(jìn)一步的彈塑性耗能如圖6(b)-圖6(c)所示。由此說明:方鋼管再生混凝土框架—再生砌塊填充墻結(jié)構(gòu)能夠滿足多道抗震防線的抗震設(shè)防要求。

圖6 試件不同部位典型破壞特征Fig. 6 Typical failure characteristics of specimen in different position

2)RAC梁破壞形態(tài)均以剪切破壞為主如圖6(b)所示,但在剪切破壞之前,RAC梁均產(chǎn)生明顯彎曲裂縫,RAC梁在發(fā)生最終破壞前具有較為明顯預(yù)兆,其破壞特征符合“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)防要求。

3)試件RAC梁均是先于鋼管RAC柱發(fā)生破壞,并且RAC梁破壞程度明顯大于鋼管RAC柱如圖5(c)所示。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),鋼管RAC柱頂位置處應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變,而梁端鋼筋則早已屈服,試件破壞特征符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)防要求。

4)從試驗(yàn)過程來看:框架節(jié)點(diǎn)部位處均未發(fā)生明顯破壞如圖6(d)所示,其在節(jié)點(diǎn)處的實(shí)測應(yīng)變值也相對較小。說明按本文節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻結(jié)構(gòu),其破壞特征符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滯回與骨架曲線

試件實(shí)測滯回與骨架曲線如圖7所示。由圖7可知:試件滯回曲線呈現(xiàn)為飽滿的梭形,說明方鋼管再生混凝土框架—再生砌塊填充墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震耗能性能。試件骨架曲線有較為明顯的上升段、峰值段及下降段,說明該類框架在荷載作用下將經(jīng)歷彈性、彈塑性及破壞階段。

圖7 試件滯回與骨架曲線Fig. 7 Hysteretic and skeleton curves of specimens

將試件骨架曲線上特征點(diǎn)荷載與位移值進(jìn)行匯總,可得試件特征點(diǎn)實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果,見表3。其中屈服點(diǎn)按等能量法進(jìn)行確定[7],破壞點(diǎn)取為荷載下降至峰值荷載85%的點(diǎn)。試件在不同特征點(diǎn)的層間位移轉(zhuǎn)角θ=Δ/H,Δ為試件水平位移值,H為層高。試件延性系數(shù)u=Δu/Δy。

表3 試件特征點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of specimens at characteristic points

3.2 承載能力與變形性能

由表3可知:相較于無填充墻試件KJ-1,KJ-2在正向加載過程中,其極限承載能力提升了9.0%,而在負(fù)向加載過程中其承載能力反而下降了7.8%。這可能是因?yàn)樵谡蚣虞d過程中,填充墻與框架一起協(xié)同受力,使得KJ-2的承載能力要大于無填充試件KJ-1。達(dá)到極限承載能力之后,填充墻基本完全退出工作,使得KJ-2的荷載主要由框架承擔(dān)。由于此時(shí)KJ-2所受荷載要大于KJ-1,導(dǎo)致其內(nèi)部損傷要大于KJ-1,而后續(xù)反向加載過程中試件荷載主要由框架來承擔(dān),進(jìn)而出現(xiàn)KJ-2在反向加載過程中其承載能力要弱于KJ-1的現(xiàn)象。

此外,由表3可知:相比于KJ-1,KJ-2在正負(fù)向的延性系數(shù)分別提升了15.6%及35.7%,說明方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻的變形性能要優(yōu)于無填充墻的方鋼管再生混凝土框架。這是因?yàn)楸疚乃迷偕鰤K填充墻與方鋼管RAC框架之間采用柔性材料嵌填,使得填充墻的存在能夠有效延緩方鋼管RAC框架的破壞,從而提升了試件的彈塑性變形能力。

此外,由表3可知:方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件屈服時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/104～1/89之間,遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)彈性層間位移轉(zhuǎn)角不超過1/550的要求[19],也即說明在達(dá)到規(guī)范規(guī)定限值時(shí),該類框架結(jié)構(gòu)還處于彈性工作階段,可滿足結(jié)構(gòu)在正常使用階段的變形要求。方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件在破壞時(shí)的層間位移轉(zhuǎn)角在1/35～1/29之間,遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定框架破壞時(shí)層間位移轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過1/50的規(guī)定[19],也即說明在達(dá)到規(guī)范規(guī)定限值時(shí),該類框架還未發(fā)生明顯倒塌現(xiàn)象,顯示出良好的抗倒塌能力。

3.3 剛度退化

本文采用割線剛度來研究試件的剛度退化規(guī)律,其計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中:Ki表示試件在第i加載級下的割線剛度,+Fi與-Fi分別表示試件在第i加載級第1循環(huán)作用下的正和負(fù)向峰值荷載,+Δi與-Δi分別表示其與+Fi與-Fi相對應(yīng)的位移值。圖8為按此計(jì)算公式計(jì)算得到的試件剛度退化曲線。

圖8 試件剛度退化曲線Fig. 8 Stiffness degradation curves of specimens

由圖可知:初始階段,方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻的抗側(cè)剛度明顯大于無填充方鋼管再生混凝土框架,相較于KJ-1,KJ-2的初始剛度提升了1.06倍。然而,隨著加載位移增加,2榀試件抗側(cè)剛度差值逐漸減小,當(dāng)達(dá)到峰值荷載后,2榀試件的剛度退化曲線有趨于重合的趨勢。這是因?yàn)楸疚目蚣芘c填充墻間采用的是柔性材料嵌填,在加載初期填充墻還未發(fā)生破壞時(shí),墻體存在能有效提升框架的抗側(cè)剛度,但隨著加載位移增加,填充墻不斷損傷破壞而退出工作,此時(shí)由于填充墻與框架間柔性嵌連的緣故,使得框架與填充墻逐漸成為獨(dú)立分開的兩個(gè)部分,導(dǎo)致填充墻對框架抗側(cè)剛度的影響逐漸減小,進(jìn)而出現(xiàn)2榀框架試件剛度退化曲線趨于重合的現(xiàn)象。由此說明:再生砌塊填充墻的存在可以有效提升方鋼管再生混凝土框架的初始抗側(cè)剛度,但對其殘余剛度的影響相對較小。

3.4 耗能性能

本文采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來研究試件的耗能性能,其計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

式中:S(ABC+CDA)表示曲線ABCDA所包絡(luò)的面積,即圖8中陰影部分的面積,S(ΔOBE+ΔODF)表示三角形OBE及ODF所包絡(luò)的面積,其中點(diǎn)B與點(diǎn)D為曲線的峰值點(diǎn),如圖9所示。按此公式計(jì)算得到試件在各加載位移處的等效黏滯阻尼系數(shù)he見表4。

表4 試件等效黏滯阻尼系數(shù)he實(shí)測值Table 4 Measured value of specimen he

由表4可知:相較于KJ-1,KJ-2在1Δy處的he值提升了10.9%,但在2Δy～5Δy處的he值則分別降低了12.2%、7.7%、0.55%及12.0%。這主要是因?yàn)榧虞d前期,當(dāng)試件還處于彈性工作階段時(shí),再生砌塊填充墻還未發(fā)生完全破壞,其可以通過砌塊間的摩擦耗能來提升框架的耗能性能如圖6(a)所示,從而使得有KJ-2的he值要大于KJ-1。當(dāng)試件屈服之后(此時(shí)Δ≥2Δy),填充墻逐漸破壞退出工作,此時(shí)墻體的存在對于RAC梁及鋼管RAC柱塑性鉸的產(chǎn)生起著抑制作用,從而使得KJ-2的he值反而要小于KJ-1。由此可知:對于方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻結(jié)構(gòu),當(dāng)填充墻破壞前,墻體的存在可以提升方鋼管再生混凝土框架的耗能性能,而當(dāng)填充墻破壞后,墻體的存在反而會(huì)抑制方鋼管再生混凝土框架的耗能性能。

此外,圖10還給出了本文所提方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件與文獻(xiàn)[20]所用普通鋼筋混凝土框架及文獻(xiàn)[21]所用鋼筋RAC框架試件在不同特征點(diǎn)處的he值比較情況(各特征點(diǎn)處的he值根據(jù)特征位移進(jìn)行線性內(nèi)插)。由圖可知:在屈服點(diǎn)時(shí),方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件的he值與普通鋼筋混凝土框架及鋼筋RAC框架相差不大,而在峰值點(diǎn)及破壞點(diǎn)時(shí),方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件的he值要明顯大于普通鋼筋混凝土框架及鋼筋RAC框架,其良好的耗能優(yōu)勢將會(huì)發(fā)揮出來。由此說明:方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻結(jié)構(gòu)具有良好的彈塑性耗能性能。

圖10 不同類型試件的耗能

4 結(jié)論

1)按本文方法制作的方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻的破壞過程為填充墻破壞→RAC梁破壞→柱腳鼓曲,其破壞特征能夠滿足“多道抗震防線”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”及“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防要求。

2)方鋼管再生混凝土框架-再生砌塊填充墻試件滯回曲線呈飽滿梭形,其在受力過程中經(jīng)歷了彈性、彈塑性及破壞階段。

3)相較于無填充墻試件,有填充墻試件在正和負(fù)向的承載能力分別提升了9.0%與-7.8%,在正和負(fù)向的延性系數(shù)分別提升了15.6%與35.7%,在1Δy、2Δy、3Δy、4Δy和5Δy處的he值分別提升了10.9%、-12.2%、-7.7%、-0.55%及-12.0%。

4)當(dāng)方鋼管再生混凝土框架與再生砌塊填充墻采用柔性材料嵌連時(shí),墻體存在可將框架初始剛度提升1.06倍,但對其殘余剛度影響不大;墻體破壞前,其存在可提升框架耗能性能,墻體破壞后,其存在反而會(huì)抑制框架耗能性能。