再生混凝土矮剪力墙抗震性能试验研究

陈丽君， 周 安，2， 陈丽华，2， 柳炳康，2， 高斌斌

（1.合肥工业大学 土 木与水利工程学院，安徽 合 肥 230009；2.安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽 合 肥 230009）

随着中国建筑业的快速发展，建筑废物的排放量日益增加，其中废弃混凝土约占建筑垃圾总量的1／3［1］，对大量混凝土进行循环再生利用即再生混凝土技术通常被认为是解决废混凝土问题的最有效措施［2］。我国关于废弃混凝土再生利用的研究起步比较晚，目前，已经有一些学者和科研人员做了一些相关的研究和探索，主要集中在对再生骨料基本性能的研究［3－9］。而对再生混凝土结构抗震性能的研究相对较少［10－13］。

钢筋混凝土剪力墙由于具有较好的水平和竖向承载能力而在我国的高层建筑中广泛应用，成为最有效的抗侧力构件。本文通过对再生混凝土矮剪力墙的抗震性能试验，参考相关理论和规范［14－17］，分析了在不同轴压比的作用下，矮剪力墙的破坏形态、承载能力、延性、刚度和耗能性能情况。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件的详细尺寸和配筋如图1所示。

图1 试件尺寸及配筋

试验设计了3个再生混凝土矮剪力墙试件，试件编号分别为SW1－1、SW1－2、SW1－3，所有试件的尺寸型号和配筋情况均相同，取代率均为100%，高宽比为1.0，墙厚130mm，墙宽1 050mm，墙高1 050mm，墙体水平分布筋和竖向纵筋均为A6＠160，配筋率为0.26%，且3个试件边缘均设暗柱，其截面为120mm×160mm，主筋为B10，箍筋为A6＠150。

试件均采用C30的混凝土同期浇注，墙体混凝土力学性能如下：弹性模量Ec＝3.04×105MPa，立方体抗压强度fc＝35MPa。钢筋力学性能见表1所列。

表1 钢筋力学性能 MPa

1.2 加载方案

对各剪力墙均采用低周反复加载进行抗震性能试验研究，在施加水平荷载前首先施加稳定的竖向荷载，使剪力墙SW1－1、SW1－2、SW1－3的轴压比分别为0.1、0.2、0.3，然后拟采用荷载－位移混合控制加载方式施加往复水平荷载。试件屈服前采用荷载控制，荷载较小时，每级荷载循环1次，试件接近屈服时，每级荷载循环2次；试件屈服后改用位移控制，控制位移取试件屈服时位移的整数倍逐级循环，每级循环3次，直至试件承载力下降到峰值的85%时停止加载。

试验加载装置如图2所示。

图2 试验装置

2 试验现象及结果分析

2.1 试验破坏过程

3个试件的破坏形态如图3所示。

（1）SW1－1。第 1 级 水 平 荷 载 从 峰 值±40kN开始反复加载，第2级峰值为±60kN，第3级峰值为±80kN，依此类推逐级加载。当水平推力为120kN时，墙体一侧暗柱底部出现第1道水平裂缝，当水平推力为160kN时，墙体水平裂缝增多，并不断发展。到200kN时，墙体出现斜裂缝，且试件进入屈服阶段，此时的位移为5mm，此后改用位移控制。取控制位移基数为δ＝4mm，当4δ＝16mm时，墙身1／2高度出现更多的交叉斜裂缝，并不断向墙体底部延伸，主裂缝基本形成。当8δ＝32mm时，第1个循环加至30mm时，主裂缝开展迅速，墙角酥化，混凝土剥落严重，承载力急剧下降，停止加载。试件最终破坏形态如图3a所示。

（2）SW1－2。第 1 级 水 平 荷 载 从 峰 值±60kN开始反复加载，其后取峰值为±80kN、±100kN，依此类推逐级反复加载。当水平推力为160kN时，墙体一侧暗柱底部出现第1道裂缝，随着峰值荷载的不断增加，墙体端部沿高度逐渐出现新的裂缝，并不断向斜下方发展。水平荷载加至260kN时，试件出现屈服征兆，此时的位移为5.97mm，此后改用位移控制。取控制位移基数为δ＝5mm，当2δ＝10mm，墙体出现2道明显的对角斜裂缝，且原有裂缝迅速开展。当3δ＝15mm时，主裂缝开展至墙体底部。当4δ＝20mm时，墙角开始酥化。当5δ＝25mm时，墙角酥化严重，墙体的承载能力迅速下降，试验停止。

试件最终破坏形态如图3b所示。

（3）SW1－3。初始加载方案同SW1－2，当水平推力为250kN时，墙体一侧暗柱底部出现第1道水平裂缝，当荷载加至300kN时，墙体已出现多道水平裂缝并不断开展。当水平荷载为340kN时，原有裂缝开展迅速，试件进入屈服阶段，此时的位移为6.13mm，此后转为位移控制。取控制位移基数为δ＝6mm，当位移为2δ＝12mm时，墙体出现2道由暗柱顶部向下开展的对角斜裂缝，且开展较快，形成主裂缝。当3δ＝18mm时，主裂缝开展迅速，第2个循环时，墙角混凝土出现剥落。当4δ＝24mm时，在第1个循环加至23mm时，墙角酥化，混凝土严重剥落，墙体承载能力急剧下降，实验结束。试件最终破坏形态如图3c所示。

图3 试件破坏形态

从3个试件的破坏形态可以看出，轴压比越大，剪力墙的承载能力越大，但在达到极限承载能力之后荷载－位移曲线下降得越快，说明试件的延性越差。

2.2 延性分析

各剪力墙实测控制点的荷载、位移及位移延性值见表2所列。其中Fc、Fy、Fd分别为试件开裂荷载、屈服荷载、极限荷载，uc、uy、ud分别为试件的开裂位移、屈服位移、极限位移，所有的位移值均取与荷载作用点同一高度处的位移；μ＝ud／uy为墙体的位移延性系数。由表2可以看出：随着墙体轴压比的增大，墙体的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均不断提高，但是延性系数降低，延性变差。

表2 试件荷载－位移控制点实测值及位移延性

2.3 刚度分析

各剪力墙刚度实测值及刚度衰减系数见表3所列。其中Ko、Kc、Ky分别为试件的初始刚度、开裂刚度与屈服刚度；βco＝Kc／Ko，表示试件从初始弹性到开裂的刚度衰减系数；βyo＝Ky／Ko，表示试件从初始弹性到屈服的刚度衰减系数；βyc＝Ky／Kc，表示试件从开裂到屈服的刚度衰减系数。从表3的数据可以看出：

（1）各试件的初始弹性刚度随着轴压比的增大而增大。

（2）各试件在开裂时刚度退化不明显，且SW1－2与SW1－3从开裂到屈服阶段刚度衰减均比较小，说明轴压比较大时，试件在屈服之前刚度稳定性较好，有利于抗震。

表3 试件刚度实测值及衰减系数

2.4 滞回曲线

3个试件实测的“F－u”滞回曲线如图4所示。对比3个试件滞回曲线可知：SW1－1滞回曲线最饱满，延性与耗能性比较好，而SW1－3滞回曲线最捏拢，承载能力最高，但是延性与耗能性比较差；随着轴压比的增大，3个试件脆性破坏的特征值逐渐明显。

图4 试件的滞回曲线

2.5 骨架曲线

3个试件实测的“F－u”骨架曲线如图5所示，从图5中可以看出，随着轴压比的增大，试件的承载能力不断增大，但在达到峰值之后承载力下降加快。3个试件在屈服至位移角为1／100前，延性均比较好，SW1－2与SW1－3屈服至位移角为1／50时，水平荷载比较接近，且3个试件承载力均迅速下降，此为规范对弹塑性位移角的最大限值。

图5 F－u骨架曲线

2.6 耗能能力

3个试件在低周反复加载过程中的耗能值见表4所列。

表4 3个试件的耗能能力 J

由表4对比可知，在同等位移循坏的过程中，随着轴压比的增大，试件的耗能能力略有提高，但是总耗能能力却明显下降。

3 结 论

本文通过对3个再生混凝土矮剪力墙在低周反复加载作用下的试验现象及试验结果进行分析，得出结论：随着轴压比的增大，剪力墙的承载力增大，但延性和耗能能力降低；初始刚度不断增大，且屈服刚度退化不大；剪力墙呈更加明显的剪切破坏形态，在屈服之后，脆性特征明显，不利于抗震。故再生混凝土矮剪力墙在轴压比较小的情况下抗震性能较好。

［1］ 刘婷婷，张 涛.再生混凝土研究现状和存在的问题［J］.山东建材，2005（4）：59－60.

［2］ 肖建庄.再生混凝土［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008：1－8.

［3］ Chan Y N，Peng G F，Anson M.Residual strength and pore structure of high－strength concrete and normal strength concrete［J］.Cement and Concrete Composites，1999，21（1）：23－27.

［4］ 王 程，施惠生.废弃混凝土再生利用技术的研究［J］.材料导报：综述篇，2010，24（1）：120－124.

［5］ 邢振贤，周曰农.再生混凝土的基本性能研究［J］.华北水利水电学院学报，1998，19（2）：30－32.

［6］ 肖建庄，李佳彬，兰 阳.再生混凝土技术研究最新进展及评述［J］.混凝土，2002（10）：17－20.

［7］ 张李黎，柳炳康，胡 波.再生混凝土抗渗性能试验研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（4）：508－510，527.

［8］ 瞿尔仁，杨木旺，叶桂花，等.再生混凝土技术及其应用［J］.合肥 工 业 大 学 学 报：自 然 科 学 版，2003，26（6）：1183－1187.

［9］ 范劲松，柳炳康，扈惠敏.城市道路建筑渣土三级分类体系试验研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（11）：1711－1714.

［10］ 孙跃东.再生混凝土框架抗震性能试验研究［D］.上海：同济大学，2006.

［11］ 刘 强.再生混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究［D］.北京：北京工业大学，2009.

［12］ 曹万林，刘 强，刘建伟，等.再生混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究［J］.世界地震工程，2009，25（1）：1－5.

［13］ 曹万林，张建伟，田宝发，等.带暗支撑低矮剪力墙抗震性能试验及承载力计算［J］.土木工程学报，2004，37（3）：44－51.

［14］ 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京：清华大学出版社，2006：82－167.

［15］ JGJ 3－2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［16］ GB 50011－2001，建筑抗震设计规范［S］.

［17］ JGJ 101－96，建筑抗震试验方法规程［S］.