钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架抗震性能及损伤演变

孟二从， 余亚琳， 张 旭， 苏益声， 陈宗平

(1.西南大学 工程技术学院, 重庆 400715；2.广西大学 土木建筑工程学院, 南宁 530004)

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete， RAC)是指将废弃的混凝土块进行破碎、筛分、清洗，将其部分或全部替代天然骨料配制而成的新型混凝土[1-2]。由于再生骨料表面附着水泥砂浆，并且在骨料破碎过程中，骨料内部会产生大量的微裂缝，因而再生骨料本身会有一定的原始损伤，从而由再生骨料配制出来的混凝土也会存在一定的性能缺陷，因而再生混凝土一般常用于非承重结构之中，这一缺陷严重影响了再生混凝土的进一步发展及应用[3]，如何解决和弥补这一缺陷是摆在科研工作者面前的一个热点问题。

当混凝土处于三向受压状态时，其力学性能及变形能力会得到大幅度提升[4]，由此想到将再生混凝土填充于钢管中形成钢管再生混凝土结构，利用钢管对再生混凝土的约束作用，从而达到改善再生混凝土力学性能的目的。目前关于钢管再生混凝土结构的研究正处于起步阶段，并且大多集中于构件层面[5-12]，总的研究表明：钢管再生混凝土结构具有良好的力学性能，可推广应于实际工程之中。而从结构层面的研究还相对较少，除本课题组前期完成相关100%取代率全再生钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架的探索性研究外[13-15]，还未发现其它相关研究报道。

在实际工程中，钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构是常见的一种组合结构形式，在相关图集规范如文献[16-17]中已给出了该类结构的相关构造措施及设计方法，相对而言，关于该类框架结构的研究已较为成熟。而对于钢管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架结构，由于再生混凝土与普通混凝土力学性能上的差异，将钢管混凝土的相关设计理论直接应用于钢管再生混凝土中显然是不合适的，因此有必要对钢管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架结构进行深入研究。

与此同时，在现代建筑中，随着建筑功能要求的不断增多，常在某些部位形成短梁，如纵向内走廊两侧布置柱时出现的大量框架短梁、消防疏散通道、高层建筑中的转换层等部位。短梁上剪应力与弯曲应力的比值一般较高，因而常常发生脆性的剪切破坏[18]，一旦这些部位出现损坏，就极有可能出现不可挽回的人员财产损失。与此同时，课题组及相关研究人员关于再生混凝土材料层面的研究均表明：对于受剪切破坏的试件，再生混凝土与普通混凝土的破坏机理是存在差别的，而将其拓展到结构层面，这一差别对结构的影响程度究竟如何还不清楚。为此，本文在课题组的前期研究基础之上，设计了3榀不同取代率钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在低周反复荷载作用下的抗震性能试验，以此来研究取代率对该类框架抗震性能及损伤演变的影响，旨在为钢管再生混凝土结构的进一步理论研究及推广应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

3榀框架试件编号分别记为KJ0、KJ50及KJ100，表示其再生粗骨料取代率分别为0%、50%及100%，框架梁及钢管内的RAC设计强度等级为C40，不同取代率RAC配合比见表1。

钢管采用Q235B的方钢管，其壁厚为6 mm，RAC梁截面尺寸为100 mm×200 mm，净距为1 000 mm，梁内纵筋采用HRB400，直径14 mm的钢筋，箍筋采用φ6@80 mm，梁柱节点采用穿筋式连接，为保证梁端传递弯矩及梁端钢筋在节点处的锚固要求，防止梁端钢筋在节点部位的锚固失效，参照文献[17]提出的穿筋式连接节点构造形式，试件节点处钢筋布置形式为钢筋从一端穿越，在另一端通过角钢与钢管壁焊接在一起；同时，为保证“强节点弱构件”的设计要求，在内节点焊接节点板，框架的相关构造及几何尺寸见图1，节点详图见图2。

浇筑RAC前，首先在钢管预定位置处机械开孔，然后在钢管底部焊接一块250 mm×250 mm×8 mm的底板，并在距钢管底部100～200 mm处，沿着加载方向在钢管表面各焊接1根I10型钢，工字钢的长度为300 mm，随后把绑扎好的钢筋骨架通过孔洞穿越钢管，在另一端与角钢通过钢管壁按设计要求焊接，以此来固定两者之间的位置。框架中的混凝土分三次进行浇筑，首先在钢管中浇筑再生混凝土(立式浇筑)，其次浇筑基座梁，基座梁采用C50的商品混凝土卧式浇筑完成，最后浇筑再生混凝土梁；本试验中，再生混凝土均采用自落式搅拌机进行人工搅拌，先将70%的水与水泥、砂搅拌1 min，搅拌均匀后再将剩余的水及粗骨料投入搅拌2 min，随后测其坍落度，并对每种再生混凝土预留3组标准立方体试块。

表1 再生混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of RAC

图1 框架构造及几何尺寸(mm)Fig.1 Frame construction and geometrical dimensions(mm)

图2 梁柱节点详图Fig.2 Details of specimen node

1.2 材料性能

再生混凝土设计强度等级为C40，按文献[19]测得试验时同等条件养护下0%、50%、100%取代率标准立方体试块抗压强度值分别为54 MPa、46 MPa及53 MPa；28d标准养护条件下0%、50%、100%取代率标准立方体试块抗压强度值分别为56 MPa、48 MPa及54 MPa。

表2 钢材实测性能Tab.2 Measured mechanical behavior of steels

钢材材性试验按文献[20]进行，钢材的力学性能实测值见表2。

1.3 加载装置及制度

试验加载装置如图3所示。试件就位后，首先通过油压千斤顶施加竖向荷载至预设值(轴压比为0.2)，随后通过量程为500 kN的伺服作动器来施加水平荷载，其加载制度按文献[21]的相关规定，屈服前采用荷载控制，加载增量为10 kN，每级循环一次直至屈服；屈服后，采用位移控制，以屈服位移Δy为加载增量(Δy取6 mm)，每级位移循环3次，直至荷载下降至峰值荷载的85%左右时停止试验。

2 试验结果

2.1 破坏过程及特征

从试件的破坏过程及特征来看，3榀试件基本相似。在力控阶段，当荷载达到±60 kN左右时，两侧梁端在距柱9～18 cm处开始出现弯曲裂缝，随着荷载的增大，原有裂缝不断地扩展，并不断出现新的弯曲裂缝；当荷载达到±110 kN左右时弯曲裂缝已基本出齐，其间距在8～15 cm之间，随着荷载的进一步增大，弯曲裂缝逐渐向斜裂缝演化，当荷载达到±140 kN左右时，梁端已出现较为明显的斜裂缝。直至力控加载结束，横梁以弯曲裂缝为主，框架柱未见鼓曲的现象，但实测钢管应变已达到屈服。

在位控阶段，当加载位移为±Δy时，原有的弯曲裂缝继续扩展、延伸，并在梁端1/10～1/5跨处，形成较明显的交叉斜裂缝；当加载位移达到±2Δy时，原有的弯曲裂缝基本不再延伸发展，此时主要以斜裂缝的产生及发展为主，斜裂缝与梁轴线的夹角在30°～70°之间，此时梁端的再生混凝土开始出现被细微压酥的痕迹，同时浇筑混凝土时残留在底部钢管壁上已硬化的水泥砂浆开始剥落；当加载位移达到±3Δy时，梁保护层位置处开始形成纵向的劈裂裂缝，且斜裂缝逐渐形成主交叉裂缝，其宽度显著扩大；当加载位移达到±4Δy时，纵筋保护层处的混凝土开始剥离脱开，同时柱底的应变片也开始脱落；当达到±5Δy时，主斜裂缝区域的保护层被掀起，柱底有较为明显的鼓曲手感；当达到±6Δy时，钢管柱底的鼓曲现象已较为明显， 此时正负向荷载均已下降到峰值荷载的85%，停止加载。加载结束后试件的典型破坏形态见图4。

与课题组前期完成的1榀100%取代率钢管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架(梁为一般浅梁)[14]破坏形态对比可知，钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在破坏过程中，梁的破坏形态并没有呈现出延性的弯曲破坏特征，而是呈剪切破坏特性，梁上也未形成明显的弯曲塑性铰。由此可知，在钢管再生混凝土框架结构中，在形成短梁的部位，要特别注意其安全保护，以防止其在强震下的突然剪切破坏。

图4 试件典型破坏形态Fig.4 Typical specimen failure mode

2.2 滞回曲线

图5为试件实测滞回曲线，由图可知，在整个加载过程中，3榀不同取代率试件的滞回曲线均未发生明显捏缩现象，总体上均呈饱满的梭形，表明钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架依然具有良好的抗震耗能性能，RAC的存在并没有显著降低框架的耗能能力。

图5 试件滞回曲线Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 骨架曲线

试件的骨架曲线见图6，由图可知：不同取代率试件骨架曲线形状较为相似，试件的受力过程基本均可划分为3个工作阶段，即弹性工作阶段、弹塑性工作阶段、快速破坏阶段。

在弹性阶段试件骨架曲线近乎重合，说明取代率对结构初始刚度影响不大。当达到峰值荷载后，曲线下降段存在着一些差别，100%取代率试件的下降幅度略大于50%取代率试件，而两者的下降幅度要明显大于取代率为0%的试件，这主要是因为再生骨料在破碎过程中产生了一定原始损伤，使得其内部存在着一定的细微裂缝，此外由于再生骨料表面附着有部分水泥砂浆等原因，使得其强度要小于普通天然骨料，相关RAC材料性能的试验研究表明[2]：当RAC试件在多轴应力下发生剪切破坏时，其破坏面会出现在界面处或沿着骨料被劈开，而对于普通混凝土试件，其破坏面处的骨料均呈现粉碎性破坏；在本试验中，框架的破坏主要从再生混凝土短梁发生剪切破坏开始，而对于不同取代率试件(50%、100%)，其破坏过程存在着一定的波动性，从而导致100%取代率试件的下降幅度略微大于50%取代率试件，但两者的下降幅度均要明显大于取代率为0%的试件。

与此同时，从骨架曲线上看，KJ0的正向承载能力要高于其它两个再生混凝土试件，而其反向承载能力则要低于其它两个再生混凝土试件，出现这一现象的原因可能与试件在受力过程中的损伤演变有关：对于普通钢管混凝土试件KJ0，由于其使用的混凝土材料不像再生混凝土那样存在着一定的原始损伤，从而使得其正向加载的承载能力要高于其它两个再生混凝土试件；而当试件达到其正向承载能力之后，试件内部的累积损伤已经很大，并且当其所受荷载越大，其内部所累积的损伤也会越大，因而当达到正向峰值荷载时，试件KJ0内部的损伤程度要大于其它2个试件；同时，因试件的加载顺序是先正向后反向， 从而使得KJ0在达到正向峰值荷载后的下一循环反向加载作用下，其承载能力要弱于其它2个内部损伤较小的试件，从而出现了这一现象。

图6 试件骨架曲线Fig.6 Skeleton curves of specimens

2.4 特征点参数

表3为试件在各特征点处的实测值，其中，Py为试件屈服荷载，由等能量法确定，Pm为峰值荷载，Pu为破坏荷载(取峰值荷载下降到85%时对应的荷载值)；Δy(θy)、Δm(θm)、Δu(θu)分别为各特征点荷载对应的位移(层间位移转角)；u为试件的位移延性系数，μ=Δu/Δy。

表3 特征点试验结果Tab.3 Test results of characteristic points

3 抗震性能指标分析

3.1 承载能力

图7为试件在屈服及峰值点处正负向荷载平均值。由图可知，不同取代率试件的屈服荷载、峰值荷载均相差不大，相比于取代率为0%的试件，50%及100%试件的屈服荷载、峰值荷载波动幅度均在5%以内，说明外部钢管可以有效约束RAC的相关性能缺陷，使得RAC与普通混凝土达到了相近的力学性能，从而使得各试件承载能力的变化不大。这与文献[11]从构件层面的研究结论相一致，这也进一步说明了取代率对钢管再生混凝土结构抗震承载能力的影响相对较小。由此可知：在钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架结构之中，取代率对其承载能力影响不大。

图7 试件在屈服及峰值点处正负向荷载平均值Fig.7 Average load of specimens at yield and peak point

3.2 层间位移转角

试件屈服时的层间位移转角θy在1/107～1/95之间，均远大于规定的限值(对于多、高层钢结构与钢筋混凝土框架结构，这一规定限值分别为1/250与1/550[22])，表明钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架在弹性阶段的变形能力能够较好的满足要求，可以保证其在正常使用阶段的舒适度要求；试件破坏时的层间位移转角θu在1/39～1/36之间，均远大于规定限值(钢筋混凝土框架与多、高层钢结构均为1/50)，表明在罕遇地震下，该结构具有较强的抗倒塌能力。

3.3 延性系数

图8为不同试件的延性系数。由图可知，3榀试件的平均延性系数均未达到3，这主要是因为框架梁是短梁，而短梁主要发生的是剪切脆性破坏，从而导致了该结构的延性相对较差；此外，相对于KJ0，KJ50和KJ100在正负向的平均延性系数分别下降了9.70%和20%，说明在钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架中，随着取代率的增加，其延性会逐渐变差。

图8 试件延性系数Fig.8 Ductility coefficients of specimens

课题组前期研究成果表明，对于钢管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架(梁为一般浅梁)，其延性系数大于3，由此可知，当钢管再生混凝土框架结构存在再生混凝土短梁时，其延性较一般的钢管再生混凝土柱-再生混凝土梁框架会变差。

3.4 耗能性能

表4为每级循环位移下第一次循环的等效黏滞阻尼系数he[15]实测值，图9为各级循环位移下试件的he变化情况。

由表4及图9可知：试件的he均随着加载位移的增大而增大，说明随着加载位移的增加，试件的滞回环越来越饱满，耗散的能量也越来越多，试验结束时试件的he值均达到了0.3以上，表现出了良好的抗震耗能性能；随着取代率增加，试件在各加载位移处的he并没有呈现明显变小的变化规律，甚至在4Δ后，呈现出变大的变化趋势。由此说明，相比于普通钢管混凝土框架，钢管再生混凝土框架的抗震耗能性能并没有出现明显的削弱趋势。

表4 各试件实测的等效黏滞阻尼系数heTab.4 Measured he at various level displacement

图9 各级循环位移下试件的heFig.9 The he of specimens at each cyclic displacement

3.5 刚度退化

图11为试件在加载过程中的割线刚度退化曲线，其中Kj1为试件在第j加载级第1循环时的割线刚度，其计算公式为试件在第j加载级第1循环的正负向最大荷载(+Fj1和-Fj1)的绝对值之和与相应的位移(+Δj1和-Δj1)绝对值之和的比值，即：

(1)

由图11可知，试件的刚度退化呈现如下规律：

(1)试件的刚度退化速率均呈先快后慢的趋势，是因为在加载初期，随着再生混凝土梁不断出现裂缝以及钢管内部再生混凝土不断开裂损伤等原因，使得试件的割线刚度快速退化；随后，当试件屈服后，再生混凝土梁的裂缝基本出齐，柱底塑性铰逐渐形成等原因，使得试件的刚度退化速率逐渐变缓。

图10 各级循环位移下试件刚度退化Fig.10 Stiffness degradation at each cyclic displacement

(2)不同取代率试件的刚度退化曲线近乎重合，这主要是因为外部钢管的存在可以有效弥补再生混凝土的相关性能缺陷，从而使得不同取代率试件的刚度退化曲线近乎重合，这与文献[11]从构件层面的研究结论相一致，这也进一步说明了取代率对钢管再生混凝土结构刚度退化的影响不是很大。由此可知，在钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架结构之中，取代率对其刚度退化的影响相对较少。

4 损伤演变分析

作为一种新型组合结构形式，对其在地震作用下的损伤演变进行分析是必不可少的过程，目前从结构层面对钢管再生混凝土结构在地震作用下损伤演变的研究还近乎空白。与此同时，国内外对结构进行损伤评估的模型不止一种[23]，本文则基于Park-Ang双参数损伤评估模型[24]对钢管再生混凝土柱—再生混凝土短梁框架在地震作用下的损伤演变进行分析，该模型表达式为

(2)

该模型综合考虑了累积滞回耗能和最大变形对结构或构件损伤的影响，因而应用较为广泛。在该模型中，由于累积损伤的存在，δu必然大于δm，参考文献[25]的研究成果，取δm=0.62δu；对于一般钢筋混凝土结构，其耗能因子β可按式(3)进行计算：

β=(-0.447+0.073λ+0.24n0+0.314ρt)0.7ρv

(3)

式中：λ为剪跨比，n0为轴压比，ρt为纵筋配筋率，ρv为箍筋体积配箍率，因该计算公式是基于大量钢筋混凝土构件的试验实测结果经回归分析而得，因而将该公式直接应用于钢管再生混凝土框架结构之中显然是不合适的，故在本文中，采用对耗能因子β进行反推的计算方法，即令试件在破坏时D=1，从而反推计算得β值，按此方法，计算得KJ0、KJ50及KJ100的耗能因子β值分别为0.069 7、0.065 7及0.067 7。

将计算所得β值代入式(2)，可求出各级循环位移下试件在第3次循环时的累积损伤指标D，其结果如图13所示。

由图可知，随着加载位移增加，试件累积损伤指标D表现出先慢后快的增加趋势；在加载初期，取代率对试件损伤演变的影响不是很大，在相同位移下，不同取代率试件的损伤指标D近乎重合；但随着加载位移的增加，试件的损伤程度随着取代率增加而呈逐渐增大的变化趋势，当加载位移达到5Δy时，相比于KJ0，KJ50及KJ100的损伤指标D分别增加了3.16%及10.39%。这主要是因为在加载初期，外部钢管对RAC有着良好的约束作用，使得再生骨料的相关性能缺陷及初始损伤对结构带来的影响没有表现出来，但随着加载位移的增加，RAC梁逐渐破坏，外部钢管逐渐鼓曲，使得再生骨料的相关性能缺陷及初始损伤带来的影响逐渐突显出来，从而表现出随着加载位移的增加，试件的损伤程度随着取代率增加而呈逐渐增大的变化趋势。

图11 基于Park-Ang损伤模型下试件累积损伤指标DFig.11 Acumulated damage index D of specimens based on Park-Ang damage model

文献[23]利用Park-Ang损伤评估模型从构件的层面对钢管再生混凝土柱的损伤演变进行了分析，其研究表明，对于方钢管再生混凝土柱，在同一加载位移下，随着取代率的增加，试件损伤指标D呈逐渐增大的变化趋势，这与本文从结构层面的研究结论相一致，这也进一步验证了本文分析的准确性。由此说明，随着加载位移的增加，方钢管再生混凝土结构在地震作用下的损伤程度随取代率的增加而呈逐渐增大的趋势。

5 结 论

(1)不同取代率试件的受力过程基本均可划分为3个工作阶段，即弹性工作阶段、弹塑性工作阶段、快速破坏阶段。

(2)相比于钢管再生混凝土柱-再生混凝土浅梁框架，钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架试件的破坏模式并非延性的弯曲破坏，而是呈脆性的剪切破坏特性，其延性性能也要差于浅梁框架试件。

(3)试件滞回曲线呈现为饱满的梭形，表明钢管再生混凝土柱-再生混凝土短梁框架具有良好的抗震耗能性能；其在正常使用阶段的变形能够保证舒适度的要求，在罕遇地震作用下也表现出了良好的抗倒塌能力。

(4)取代率对试件破坏过程及形态、承载能力、初始弹性刚度及刚度退化影响较小，但对骨架曲线下降段、延性性能有一定影响，表现为随着取代率的增加，试件下降段有变陡趋势，而其延性则逐渐变差。

(5)试件刚度退化速率呈先快后慢的变化趋势，累积损伤指标D则呈先慢后快的增加趋势，在加载初期，取代率对试件损伤程度影响不是很大，随着加载位移的增大，试件的损伤程度随着取代率增加而呈逐渐变大的趋势。