反复荷载作用下钢筋再生混凝土框架边节点的破坏机理

孙 祯， 郑建岚, 2, 3

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108； 2. 福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心， 福建 福州 350108； 3. 福建江夏学院工程学院， 福建 福州 350108)

0 引言

再生混凝土框架节点受再生粗骨料表面附着老砂浆、 界面过渡区薄弱等影响， 其破坏形态与普通混凝土框架节点存在差异. 国内外关于再生混凝土框架节点的研究主要集中在抗震性能[1-7]和抗剪分析[8]方面， 对反复荷载作用下不同再生粗骨料取代率框架节点的破坏过程、 形态及机理研究较少， 文献[9]认为再生粗骨料取代率为0%和100%框架边节点的破坏形态类似， 但取代率为50%试件的裂缝形状较为杂乱， 核心区主斜裂缝向下柱偏移， 导致屈服时塑性铰偏离设计位置. 而文献[4]则认为再生混凝土节点与普通混凝土节点破坏形态相同， 但在混凝土块体剥落处出现较多新老砂浆， 体现了再生骨料新旧砂浆界面薄弱的特征， 但并不随取代率发生规律性变化. 为进一步探讨再生粗骨料取代率对节点破坏形态的影响规律和作用机理， 本研究设计了4个不同再生粗骨料取代率(0%、 50%、 70%和100%)的框架边节点试件并进行拟静力实验， 通过观测节点区域的裂缝发展、 钢筋应变和混凝土应变， 研究再生粗骨料取代率对框架边节点破坏机理的影响规律， 以期为再生混凝土的工程应用提供参考.

1 试验概况

1.1 原材料

再生粗骨料取自某路面废混凝土， 其基本性能见表1. 采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、 细砂、 聚羧酸高效减水剂， 混凝土配合比及实验当天(龄期300 d)的立方体抗压强度测试结果见表2， 其中， NJ表示普通混凝土试件， RJx代表再生粗骨料取代率为x%的试件. 梁纵筋为直径22 mm的HRB400变形钢筋， 屈服强度469 MPa、 极限强度588 MPa； 柱纵筋为直径18 mm的HRB400变形钢筋， 屈服强度505 MPa、 极限强度628 MPa； 箍筋为直径6 mm的HPB300光圆钢筋， 屈服强度318 MPa、 极限强度429 MPa.

表2 混凝土配合比及其抗压强度

注：p300 d表示混凝土龄期300 d的立方体抗压强度.

1.2 试验设计

框架边节点的尺寸配筋见图1， 拟静力加载示意图见图2， 钢筋和混凝土应变片布置见图3， 其中， 节点核心区仅有一根箍筋， 分别在四周粘贴钢筋应变片， 以测量核心区箍筋在截面高度和宽度方向上的微应变.

实验过程中， 对柱端施加轴压比为0.15的恒定轴压力， 对梁端施加±2.5、 ±5.0、 ±7.5、 ±10.0、 ±20.0、 ±30.0和±40.0 mm的竖向位移， 每级加载循环3次.

图1 节点尺寸及配筋(单位： mm)

Fig.1 Dimension and details of exterior joint(unit: mm)

图2 拟静力加载示意图

Fig.2 Quasi-static loading diagram

图3 钢筋和混凝土应变片布置

Fig.3 Layout of strain gauges

2 破坏过程与分析

2.1 破坏过程与裂缝发展

本研究4个试件的尺寸配筋均相同仅再生粗骨料取代率不同， 反复荷载作用下的破坏过程和裂缝发展见图4～7， 各试件的裂缝发展异同点详述如下.

1) 相同点. 均经历初裂(在节点核心区观察到第一条横向裂缝)、 通裂(节点核心区形成两条X型的交叉主斜裂缝)、 极限(梁端荷载达到最大)与破坏(梁端荷载降低到峰值荷载的80%以下)四个阶段； 从各试件的最终破坏形态看， 其破坏机理是节点核心区剪切破坏为主， 梁端弯曲破坏为辅.

2) 不同点. ① 再生粗骨料会影响节点的裂缝走向， 比如反复荷载作用下， 试件NJ(普通混凝土)会在节点核心区产生对称斜裂缝， 如图4(b)， 而对于试件RJ50、 RJ70和RJ100(再生混凝土)而言， 改变加载方向会改变裂缝的走向， 但仍沿原有裂缝开展， 从而在梁柱交界处形成水波纹形状的裂缝， 如图5(b)、 图6(c)、 图7(c)所示； ② 再生混凝土试件的裂缝明显多且密， 比如通裂时， 试件NJ仅有两条贯通主斜裂缝， 如图4(b)， 但其他试件的裂缝分布细密, 多条裂缝平行发展. 原因是再生粗骨料表面附着老砂浆， 导致其界面过渡区较为薄弱， 裂缝更容易发展.

图4 试件NJ的破坏过程Fig.4 Failure progress of specimen NJ

图5 试件RJ50的破坏过程Fig.5 Failure progress of specimen RJ50

图6 试件RJ70的破坏过程Fig.6 Failure progress of specimen RJ70

图7 试件RJ100的破坏过程Fig.7 Failure progress of specimen RJ100

2.2 加载位移—应变滞回曲线

仅通过肉眼观测节点的破坏情况较为主观， 还应测量节点核心区的混凝土应变、 节点箍筋应变、 梁柱纵筋应变， 以便从材料局部应变角度分析试件的破坏过程和机理.

2.2.1节点混凝土应变

以核心区左上角的混凝土应变片为例， 各试件的混凝土应变随加载位移的变化曲线见图8. 由图可知： I) 加载初期， 混凝土应变随加载的反复而正负交替， 应变变化在±500个微应变以内， 且卸载后应变值回归初始值、 残余变形较小， 仍属弹性变形; 当加载位移大于7.5 mm时， 混凝土应变片迅速失效， 说明此时测点部位的混凝土开裂， 核心区进入初裂阶段. II) 弹性范围内， 试件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的混凝土微应变范围分别为-144～ 265、 -403～135、 -535～226和-397～239， 即分别浮动了409、 538、 761和636个微应变， 说明再生混凝土试件的微裂缝比普通混凝土试件多， 且试件RJ70的微裂缝最多.

图8 节点混凝土应变Fig.8 Concrete strain of joint core area

2.2.2节点箍筋截面高度方向应变

节点箍筋在截面高度方向的微应变变化如图9所示. 由图中可知： 1) 截面高度方向的节点箍筋受反复荷载作用的影响最大， 通裂前(加载位移约0～7.5 mm)变化很小， 说明此时节点箍筋受力较小， 节点抗剪主要由混凝土斜压杆机制分担; 通裂后箍筋应变迅速增大， 说明此时节点抗剪由钢筋构成的桁架机构和斜压杆机构共同承担， 在试件达到峰值荷载(加载位移为20 mm)时屈服， 多数应变片损坏失效， 说明节点箍筋已经屈服破坏. 2) 初次达到峰值荷载时， 试件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的节点箍筋(截面高度方向)应变分别为-1 042、 -2 669、 -5 647和-3 393个微应变， 说明再生混凝土试件的核心区箍筋变形或滑移较普通混凝土试件严重， 且试件RJ70最为严重.

图9 节点箍筋在截面高度方向的微应变Fig.9 Joint stirrup strain along the section height

2.2.3节点箍筋截面宽度方向应变

节点箍筋在截面宽度方向的微应变变化如图10所示. 节点箍筋在截面宽度方向的应变片在加载全程都没有失效， 原因是节点截面宽度方向的箍筋应变主要与核心区混凝土的膨胀有关， 受反复荷载作用的直接影响较小； 再生混凝土试件的核心区混凝土膨胀现象较普通混凝土试件严重， 试件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100在加载全过程中的应变变化范围分别约为-1 902～270、 -1 088～1 214、 -1 332～818和-2 958～54， 即分别浮动了2 172、 2 302、 2 150和3 012个微应变； 试件NJ和RJ100的箍筋应变以受拉为主， 而试件RJ50和RJ700的箍筋应变则拉压结合， 较为混乱.

图10 节点箍筋在截面宽度方向的微应变Fig.10 Joint stirrup strain along the section width

2.2.4梁纵筋应变

靠近节点的梁固定端纵筋应变变化见图11， 其中试件NJ的应变片在浇筑过程中损伤， 无法获取相应的数据. 由图11可知： 在整个加载过程中， 梁纵筋应变片一直没有损坏， 与节点箍筋在截面高度方向的应变片迅速失效形成鲜明对比， 说明节点先于梁端发生剪切破坏； 梁纵筋应变在反复荷载作用下正负交替， 且钢筋受拉应变明显大于受压， 原因是钢筋主要承担拉力； 试件RJ50、 RJ70和RJ100的梁纵筋微应变范围分别约为-2 081～1 059、 -2 941～2 948和-2 476～1 046， 即分别浮动了3 140、 5 889和3 522个微应变， 说明试件RJ70的梁纵筋变形或滑移较试件RJ50和RJ100更严重.

图11 梁纵筋应变Fig.11 Longitudinal reinforcement strain of beam

2.2.5柱纵筋应变

柱纵筋应变随加载位移的变化如图12所示. 在整个加载过程中， 各试件的柱纵筋应变片一直没有损坏(仅试件RJ50的柱纵筋在后期失效)， 与节点箍筋在截面高度方向的应变片迅速失效形成鲜明对比， 说明节点先于柱端发生剪切破坏； 实验初期， 随着荷载的反复， 柱纵筋应变正负交替， 核心区剪切破坏后， 节点抗弯刚度较小， 梁端荷载通过钢筋以轴力的形式传至柱中， 柱端钢筋受拉为主； 试件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的柱纵筋微应变范围分别为-1 417～495、 -2 088～207、 -3 197～684和-2 272～465， 即分别浮动了1 912、 2 295、 3 881和2 737个微应变， 说明试件RJ70的柱纵筋变形最为严重.

图12 柱纵筋应变Fig.12 Longitudinal reinforcement strain of column

2.3 结果分析

通过对比不同再生粗骨料取代率下各节点试件的混凝土应变、 箍筋应变、 梁纵筋应变以及柱纵筋应变， 可以发现： 试件RJ70的各项应变最大， 其次为试件RJ100和RJ50， 试件NJ的各项应变最小， 说明再生混凝土试件的应变普遍较普通混凝土大. 这是由于再生粗骨料的初始缺陷(如骨料加工过程中产生的微裂缝、 表面附着老砂浆)造成的. 再生粗骨料取代率为70%试件的应变较取代率100%的试件更大， 原因是天然、 再生粗骨料的物理力学性能相差较大， 二者混合使用会使应力集中在再生粗骨料薄弱的界面过渡区[10]， 进而使试件更易损伤.

3 结论

1) 反复荷载作用下， 再生混凝土试件与普通混凝土试件的破坏过程类似， 均经历初裂、 通裂、 极限与破坏四个阶段. 节点核心区的箍筋应变片明显早于梁纵筋和柱纵筋失效， 体现了剪切变形的受力特征， 从各试件的最终破坏形态看， 其破坏机理是节点核心区剪切破坏为主， 梁端弯曲破坏为辅.

2) 加载初期， 各试件的节点箍筋(截面高度方向)应变变化较小， 通裂后， 应变增速加快并迅速失效， 说明在通裂前， 节点抗剪主要由混凝土斜压杆机制分担， 通裂后则由节点抗剪钢筋构成的桁架机构和斜压杆机构共同承担.

3) 再生混凝土试件较普通混凝土试件更易开裂， 这是由于再生粗骨料界面过渡区较为薄弱导致的. 天然和再生粗骨料混合会使再生粗骨料的界面过渡区更为薄弱(尤其是再生粗骨料取代率为70%的情况)， 导致其纵筋变形或滑移、 混凝土开裂等, 甚至比全部采用再生粗骨料的试件更严重. 因此， 对于结构关键部位， 应慎重考虑将天然和再生粗骨料混合使用的情况.