再生混凝土疊合梁受力性能試驗(yàn)研究

再生混凝土疊合梁受力性能試驗(yàn)研究

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，資源和能源問題日益突出。在建設(shè)工程中應(yīng)用再生混凝土,可以同時(shí)緩解天然骨料的消耗和建筑垃圾污染等問題。在相同用水量條件下,再生混凝土比普通混凝土坍落度小,流動(dòng)性差,雖不便于現(xiàn)場(chǎng)施工,但將其應(yīng)用于工廠預(yù)制構(gòu)件中卻既可以保證其質(zhì)量也可以保證其生產(chǎn)速度。半預(yù)制構(gòu)件采用部分工廠預(yù)制,部分現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)形式,其兼有整澆式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)而克服了其各自的缺點(diǎn)。本文通過4根半預(yù)制梁抗剪性能試驗(yàn)以及6根半預(yù)制柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),為半預(yù)制再生混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)探索。1混凝土半預(yù)制試驗(yàn)1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1.1再生混凝土調(diào)濕dg/tj再生粗骨料由廢混凝土經(jīng)過二級(jí)破碎、篩分而得,符合《再生混凝土應(yīng)用規(guī)程》(DG/TJ08—2018—2007)的規(guī)定。天然骨料為碎石,普通河砂。再生混凝土采用室內(nèi)配合比試配,強(qiáng)度等級(jí)為C35。1.1.2現(xiàn)澆梁施工共設(shè)計(jì)4根半預(yù)制再生混凝土梁,包括3根U形半預(yù)制梁和1根現(xiàn)澆梁。以剪跨比λ為控制變量,編號(hào)US-1～US-3分別代表剪跨比為1.5、2、3的3根半預(yù)制梁,預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分再生粗骨料取代率分別為70%和100%,梁RS為再生粗骨料取代率100%的現(xiàn)澆梁。梁截面為b×h=200mm×400mm,梁長4100mm,縱向受拉鋼筋配筋率為ρ=2.47%。箍筋、架立筋采用直徑為8mm的HPB235級(jí)鋼筋,底部受拉鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋。支座加密區(qū)箍筋配置?8@50,加密區(qū)長度為225mm,其余位置箍筋為?8@200。半預(yù)制梁施工時(shí),先制作U形梁預(yù)制構(gòu)件,疊合面由人工拉毛,養(yǎng)護(hù)期間梁下有足夠支撐。養(yǎng)護(hù)28d后,在預(yù)制構(gòu)件上支設(shè)模板進(jìn)行現(xiàn)澆部位施工,養(yǎng)護(hù)超過28d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)量了斜截面處箍筋和主筋的應(yīng)變、斜截面處混凝土表面應(yīng)變以及梁的撓度。試件制作如圖1所示。1.2試驗(yàn)梁的破壞過程試驗(yàn)梁均達(dá)到斜截面破壞狀態(tài),斜裂縫寬度達(dá)到1.5mm。剪跨比λ=1.5時(shí)梁US-1發(fā)生剪壓破壞,λ=2時(shí)梁US-2最終破壞形式為剪彎破壞,λ=3時(shí)梁US-3和RS發(fā)生斜拉破壞。在試驗(yàn)梁破壞后,從外觀看各梁疊合面均未發(fā)生滑移,將試驗(yàn)后的梁敲開后,疊合面仍然結(jié)合緊密。試驗(yàn)結(jié)果表明:在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,在不同剪跨比下疊合面連接均完好,未發(fā)生疊合面黏結(jié)破壞情況。1.3結(jié)果分析1.3.1rs荷載-跨中撓度曲線各試件的荷載-位移曲線如圖2所示。λ=3時(shí),梁US-3和整澆梁RS荷載-跨中撓度曲線較為類似,在此剪跨比下半預(yù)制與整澆不同方式制作的梁剛度基本相同;隨著剪跨比的增大,梁達(dá)到相同跨中位移時(shí)所需荷載減小,此特征與普通混凝土整澆梁的荷載-撓度曲線相符合。1.3.2梁的抗剪與彎剪之間的關(guān)系各試件的荷載-箍筋應(yīng)變曲線如圖3所示。在梁斜截面開裂前各梁箍筋應(yīng)變很小幾乎不受力,在斜截面開裂瞬間箍筋應(yīng)變開始突然變大,圖中曲線出現(xiàn)彎折時(shí)的荷載與實(shí)際觀測(cè)到的出現(xiàn)斜裂縫的荷載一致,證明出現(xiàn)斜裂縫后箍筋即參入到梁的抗剪中;梁US-1在彎剪區(qū)開裂前箍筋應(yīng)變有負(fù)值產(chǎn)生,而其他各梁無此現(xiàn)象,證明在剪跨比較小時(shí)加荷初期彎剪區(qū)混凝土受剪壓共同作用;相對(duì)現(xiàn)澆梁而言,半預(yù)制梁中箍筋應(yīng)變滯后。1.3.3斜裂縫寬度與荷載的關(guān)系梁荷載-裂縫寬度曲線如圖4所示。各梁彎剪區(qū)裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載恰好為彎剪區(qū)箍筋應(yīng)變也出現(xiàn)變化時(shí)的荷載,與實(shí)際情況相吻合;斜裂縫寬度與荷載基本為線性關(guān)系,剪跨比越小裂縫寬度發(fā)展數(shù)值與荷載增加數(shù)值之比越小,即剪跨比越小裂縫越不易發(fā)展,而對(duì)于剪跨比為3時(shí),在接近極限荷載時(shí)裂縫寬度發(fā)展極為迅速;各梁裂縫寬度發(fā)展與施工方式的關(guān)系不明顯,而與相應(yīng)剪跨比下箍筋應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)一致。1.3.4試驗(yàn)荷載-重及測(cè)量結(jié)果各試件斜向開裂荷載Vcr主要根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的觀察記錄,同時(shí)參考了試驗(yàn)的荷載-箍筋應(yīng)變曲線。斜向開裂荷載與剪跨比的關(guān)系見圖5。在剪跨比為3的條件下,取代率為100%的梁RS開裂荷載低于梁US-3。隨著剪跨比減小,斜截面開裂荷載增大。2半預(yù)制混凝土柱試驗(yàn)2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1.1水泥、減水劑采用的再生粗骨料同半預(yù)制再生混凝土梁,天然粗骨料為碎石,連續(xù)級(jí)配。水泥為海螺牌PO42.5R普通硅酸鹽水泥,減水劑為江蘇中凱JC-3緩凝高效減水劑,砂為普通中砂,拌合水為自來水?？v向受力鋼筋等級(jí)為HRB335級(jí),箍筋為HPB235級(jí)。2.1.2土半預(yù)制柱的芯柱長度共設(shè)計(jì)了6根再生混凝土□形柱,其中NCCC-1、RCCC-2為全現(xiàn)澆普通、再生混凝土柱,RCCC-3、RCCC-4為外部預(yù)制再生混凝土半預(yù)制柱,RCCC-5、RCCC-6為內(nèi)部預(yù)制再生混凝土半預(yù)制柱;其中RCCC-3和RCCC-5的芯柱邊長為150mm,RCCC-4和RCCC-6的芯柱邊長為200mm。對(duì)于外部預(yù)制再生混凝土半預(yù)制柱,在試件施工時(shí),先澆筑外部混凝土,待其強(qiáng)度達(dá)到要求之后,再澆筑芯柱混凝土。而內(nèi)部預(yù)制再生混凝土半預(yù)制柱施工方式與前者相反,如圖6所示。半預(yù)制柱的芯柱均采用再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土澆筑,外部混凝土為普通混凝土。各柱幾何尺寸相同,截面尺寸為350mm×350mm,柱試件幾何高度為1000mm,試件頂部用一個(gè)鋼鉸支座與水平加載裝置相連,柱子實(shí)際計(jì)算高度為1280mm,各柱的剪跨比為3.66,試驗(yàn)軸壓比為0.3。2.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置本次試驗(yàn)為半柱抗震試驗(yàn),為了保證柱頂部具有足夠的轉(zhuǎn)角來模擬柱子反彎點(diǎn)處的受力狀況,試件頂部與一個(gè)鋼鉸支座相連,鋼鉸的上端與試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的豎向加載裝置連接,右端與水平加載裝置連接。試件的地梁通過兩個(gè)預(yù)應(yīng)力地腳螺栓與實(shí)驗(yàn)室地槽固接。為避免試件底座滑移的現(xiàn)象,設(shè)置水平向拉桿頂住?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置見圖7。正式加載按荷載-位移混合控制的加載方案進(jìn)行。試驗(yàn)過程中加卸載速度保持勻速。2.3試驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)象2.3.1按荷載計(jì)算公式為依托的半預(yù)制柱破壞嚴(yán)重,兩對(duì)比這六個(gè)柱子的試驗(yàn)過程和破壞狀態(tài),發(fā)現(xiàn)各試件并未發(fā)生脆性明顯的剪壓型受壓破壞。全現(xiàn)澆再生混凝土RCCC-2柱最先到達(dá)荷載峰值點(diǎn),其次是個(gè)再生混凝土半預(yù)制柱,最后是全現(xiàn)澆普通混凝土柱。在最大承載力之后,所有試件均具有明顯的破壞過程;另外從柱腳根部混凝土的破損過程和形態(tài)來看,全現(xiàn)澆普通混凝土柱裂縫開展較多,內(nèi)部預(yù)制柱RCCC-5與RCCC-6次之,RCCC-3與RCCC-4較少;為觀察混凝土接觸面狀況,待RCCC-6試驗(yàn)結(jié)束后,將試件內(nèi)部鑿開,發(fā)現(xiàn)兩次澆筑混凝土的接觸面仍較為緊密。2.3.2補(bǔ)償前后的滯回曲線滯回曲線反映了在低周反復(fù)試驗(yàn)中,水平作用力與位移之間的關(guān)系曲線。它體現(xiàn)了抗震性能,也是進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圖8是再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的P-Δ滯回曲線。對(duì)比各圖可以得出以下結(jié)論:(1)當(dāng)試件開裂之前,滯回曲線在加載和卸載的過程中基本上保持直線變化,所包圍的范圍狹長,面積較小,表明試件消耗能量較少;在試件屈服之后,滯回曲線逐漸偏向水平方向,滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大,表明試件在屈服之后,在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量增加。柱的滯回曲線形狀基本相同,有較明顯的“捏攏”現(xiàn)象;(2)對(duì)比六根柱子滯回曲線,全現(xiàn)澆柱的滯回曲線較為豐滿,外部預(yù)制的次之,內(nèi)部預(yù)制最差;且NCCC-1滯回曲線較RCCC-1的飽滿;說明再生混凝土柱的耗能能力較普通混凝土的差一些;(3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加,耗能能力不斷增強(qiáng)。在同一加載階段,后一次循環(huán)達(dá)到的荷載值均低于前一次,表明柱出現(xiàn)了強(qiáng)度、剛度和耗能能力的退化,反映了構(gòu)件損傷累積的影響。2.4抗疲勞性能分析2.4.1試件與rccc-46根柱子的骨架曲線可分為彈性、彈塑性和下降三部分,如圖9所示。對(duì)比各骨架曲線發(fā)現(xiàn):(1)各試件骨架曲線形狀十分接近,骨架曲線在開裂之前近似為一條直線,試件處于彈性階段;開裂之后,骨架曲線開始出現(xiàn)彎折,曲線剛度開始出現(xiàn)下降,試件進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài);試件達(dá)到最大荷載之后,骨架曲線進(jìn)入下降段,下降段表現(xiàn)出明顯的承載力退化和剛度退化。骨架曲線上有較為明顯的屈服點(diǎn),最大荷載點(diǎn)和極限位移點(diǎn)。(2)RCCC-4為外部預(yù)制柱,RCCC-6為內(nèi)部預(yù)制柱。對(duì)比兩個(gè)試件的骨架曲線,在峰值荷載之前,二者幾乎重合;峰值荷載之后,RCCC-6與RCCC-4下降趨勢(shì)相似。2.4.2再生混凝土柱的承載力屈服點(diǎn)的大小按照能量等值法來確定,極限荷載點(diǎn)是試件承載力降低為峰值點(diǎn)85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的值?？梢缘玫?NCCC-1的屈服荷載比RCCC-2高8.5%,而施工順序和芯柱尺寸對(duì)屈服荷載的影響并不明顯。NCCC-1的峰值荷載比RCCC-2、RCCC-4、RCCC-6高7.7%、9.6%、7.7%,而RCCC-3、RCCC-5的峰值荷載比NCCC-1高15.1%和5.7%,表明全現(xiàn)澆再生混凝土柱的承載力要低于全現(xiàn)澆普通混凝土柱的承載力,施工方式對(duì)柱承載力影響不大,芯柱尺寸對(duì)柱的承載力是有影響的。當(dāng)芯柱尺寸較大時(shí),柱的承載力隨著再生混凝土含量增加降低;尺寸較小時(shí),外部普通混凝土對(duì)核心再生混凝土的橫向變形有約束作用,其效果彌補(bǔ)了再生混凝土的不利影響,甚至提高了柱的承載力,由此可以得出一個(gè)芯柱尺寸的限值,在保持構(gòu)件承載力不變的前提下,將再生混凝土應(yīng)用到實(shí)際工程中。2.4.3試驗(yàn)件延性分析本文用極限位移轉(zhuǎn)角Ru與位移延性系數(shù)μ共同反映試件延性,其中Ru=Δu/H,H為柱子的高度,Δu為極限位移,即荷載降低了15%所對(duì)應(yīng)的位移。(1)外部預(yù)制件的延性系數(shù)6個(gè)試件的延性系數(shù)μ均高于5,表明構(gòu)件在正常配筋的情況下均具有良好延性。其中全現(xiàn)澆柱的延性要優(yōu)于疊合柱;在其他條件相同的條件下,外部預(yù)制試件的延性要高于內(nèi)部預(yù)制試件,RCCC-3、RCCC-4的延性系數(shù)比RCCC-5、RCCC-6分別高2.89%、1.33%;RCCC-3、RCCC-5的延性系數(shù)比RCCC-4、RCCC-6分別高4.52%、2.98%。表明隨著芯柱尺寸的增加試件的延性逐漸降低。(2)軸壓比對(duì)試驗(yàn)件變形性能的影響6個(gè)試件的極限位移轉(zhuǎn)角在1/39～1/30之間,均大于規(guī)范關(guān)于框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50的規(guī)定。試驗(yàn)軸壓比為0.3,表明在正常軸壓比條件下,試件均具有良好的彈塑性變形性能,能很好地克服再生混凝土塑性差的缺點(diǎn),在大震作用下具有較好的抗倒塌能力。對(duì)比6個(gè)試件的Ru發(fā)現(xiàn):內(nèi)部預(yù)置疊合柱的Ru最小,其次為全現(xiàn)澆柱與外部預(yù)制疊合柱;全現(xiàn)澆普通混凝土柱的Ru與全再生混凝土柱相近;Ru的值隨著芯柱尺寸的增加而降低。2.4.4第一次循環(huán)所對(duì)應(yīng)的割線剛度在低周反復(fù)抗震試驗(yàn)中,當(dāng)試件屈服以后,隨著側(cè)移的增加,試件的剛度也逐步降低。本文采用每級(jí)加載過程中,第一次循環(huán)所對(duì)應(yīng)的割線剛度來表示試件的剛度退化特性。所有試件的剛度隨著側(cè)移的增加而降低,剛度退化趨勢(shì)一致。由于裂縫的發(fā)展,初始階段剛度退化異常劇烈;鋼筋的屈服,混凝土受壓與受拉區(qū)裂縫的逐步發(fā)展,割線剛度進(jìn)一步下降,并最終趨于穩(wěn)定。再生混凝土的用量、施工方式均對(duì)試件的剛度退化沒有明顯影響。2.4.5滯回環(huán)效果分析試件的耗能性能用滯回曲線包絡(luò)線所包圍的圖形面積來衡量,滯回環(huán)越飽滿,則試件的耗能能力越強(qiáng),其抗震性能越好。耗能能力可以用功比指數(shù)和等效黏滯阻尼比來表示。(1)能耗能力判斷在抗震試驗(yàn)中,常用等效黏滯阻尼比he來判斷試件的耗能能力。本次試驗(yàn)所有試件的等效黏滯阻尼比在0.135～0.176范圍內(nèi),都達(dá)到了普通鋼筋混凝土柱的耗能要求。(2)柱的結(jié)果分析全現(xiàn)澆普通混凝土柱的功比指數(shù)最大,其次為半預(yù)制柱,全再生混凝土柱的最差,RCCC-2的功比指數(shù)比NCCC-1低15.2%;外部預(yù)制疊合柱的耗能能力略高于內(nèi)部預(yù)置疊合柱,RCCC-3、RCCC-4的功比指數(shù)分別比RCCC-5、RCCC-6高1.3%和1%。3柱的抗震性能通過對(duì)4根半預(yù)制再生混凝土梁的抗剪試驗(yàn)與分析,可以得出:(1)半預(yù)制再生混凝土疊合梁破壞形式與再生混凝土現(xiàn)澆梁和普通混凝土現(xiàn)澆梁破壞形式相似。破壞時(shí)所有梁斜裂縫均超過1.5mm,屬于剪切破壞。(2)半預(yù)制U形疊合梁現(xiàn)澆部分混凝土占總混凝土用量的78.75%,疊合面并未發(fā)生對(duì)抗剪承載力不利的破壞,疊合梁試驗(yàn)過后經(jīng)敲開后,疊合面連接完好,證明在U形疊合時(shí),對(duì)疊合面進(jìn)行人工拉毛和適當(dāng)配箍率的條件下對(duì)梁抗剪承載力影響不大。通過對(duì)6根半預(yù)制再生混凝土柱的抗震試驗(yàn)與分析,可以得出:(1)普通混凝土柱、再生混凝土柱和半預(yù)制疊合柱,在低周反復(fù)荷載作用下,破壞均表現(xiàn)為明顯的彎曲破壞特征,即柱子根部受拉縱筋屈服,受壓區(qū)混凝土壓碎破壞。(2)6個(gè)柱的荷載-位移滯回環(huán)有較為明顯的“捏攏”現(xiàn)象,全現(xiàn)澆柱的滯回曲線較為豐滿,外部預(yù)制的次之,內(nèi)部預(yù)制最差,再生混凝土柱的耗能性能較普通混凝土柱略低。(3)不同類型柱子的延性系數(shù)和極限位移轉(zhuǎn)角均大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求