不同轴压比再生混凝土框架柱抗震性能试验研究

张 静， 周 安， 柳炳康， 陈丽华， 高斌斌

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.六安职业技术学院 建筑工程系，安徽 六安 237158；3.合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）

不同轴压比再生混凝土框架柱抗震性能试验研究

张 静1，2， 周 安1，3， 柳炳康1，3， 陈丽华1，3， 高斌斌1，3

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.六安职业技术学院 建筑工程系，安徽 六安 237158；3.合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）

文章通过对5个粗骨料取代率为100%再生混凝土框架柱低周反复荷载下的抗震性能试验，研究各试件的破坏形式、滞回特性、延性性能、承载能力，分析轴压比对试件的抗震性能的影响。结果表明：在剪跨比、配箍率、混凝土强度都一致的条件下，随着轴压比的增加，试件的滞回曲线越来越扁平，耗能能力、延性及极限承载力不断下降。再生混凝土框架柱抗震性能的变化规律与普通混凝土柱基本相似，略低于普通混凝土柱构件，因而可以确定再生混凝土框架柱适用于低轴压结构。

再生混凝土；框架柱；轴压比；抗震性能

目前，国内外再生混凝土的研究多集中在材料层次，对再生混凝土结构抗震的研究则刚刚起步［1］。文献［2－5］进行了再生混凝土梁－柱节点及框架的抗震性能试验。试验表明：合理设计的再生混凝土梁柱节点的延性、耗能均满足抗震要求［2－4］；合理设计的再生混凝土框架，其抗震性能并没有随再生骨料掺量的增加而明显降低，再生混凝土用于地震区框架结构是可行的［5］。

然而，再生混凝土要正式应用于建筑工程的主体结构中，还有许多空白或远不充分的研究需要填补。其中轴压比的大小是影响建筑构件在地震中破坏程度的一个重要因素。本文通过对5根粗骨料取代率为100%的再生混凝土框架柱试件，进行了低周反复荷载作用下的受力性能试验，分析不同轴压比对再生混凝土框架柱的破坏过程、破坏特征、滞回特性、耗能性能、延性和承载力计算等抗震性能的影响。

1 试验设计

1.1 试件设计

共设计制作5根粗骨料取代率100%的再生混凝土框架柱［6］，试件高度均为850mm，箍筋形式均为8＠100，采用低周反复加载方法，研究不同轴压比对再生混凝土柱的抗震性能的影响，试件的试验参数见表1所列，配筋构造如图1所示。

表1 试件试验参数

图1 试件尺寸及配筋图

1.2 材料的力学性能

混凝土的力学性能如下：强度等级RC30，再生粗骨料取代率为100%，平均fcu为35MPa，平均为24MPa；钢筋的材料力学性能见表2所列。混凝土构件由于制作的原因，轴心抗压强度值均有差异，但差别不大，故取试验平均值进行研究。

表2 钢筋材料力学性能 MPa

1.3 试验装置和加载制度

试验装置如图2所示。反复荷载采用荷载－位移混合控制加载制度［7］，试件屈服前采用荷载控制分级加载，每级循环1次，试体屈服后采用位移控制，位移值取屈服时试体的最大位移值并以该位移值的倍数为级差控制加载，每级循环3次，直至试件的承载力下降到极限承载力的85%为止。

图2 试验加载装置简图

1.4 试验数据采集

（1）钢筋采用预先埋设的应变片量测应变情况，纵筋和箍筋布置在离基座100mm高度处，其中纵筋每根布置1个，在一道箍筋上布置2个。

（2）在柱底两侧高度为100mm左右分别布置2个混凝土应变片，测量混泥土的应变。

（3）在柱底侧面和反面分别布置位移计，测量柱底位移。

具体钢筋应变片布置如图3所示。混凝土裂缝由人工进行观察，并拍照记录。

图3 钢筋应变片布置

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及破坏特征

试件的裂缝开展情况与破坏形式分别如图4、图5所示。各试件的破坏特征具有以下特点。

（1）力控制阶段。柱正面出现弯曲水平裂缝，逐渐贯通；柱侧面出现斜裂缝，当斜裂缝不断延伸时伴随柱脚混凝土脱落，纵向钢筋屈服，即转为位移控制。

（2）位移控制阶段。柱身混凝土保护层大面积剥落，邻近破坏时，能够听到柱身内发出呲呲声，此时受压区混凝土被压碎、箍筋外露严重，承载力下降到极限承载力的85%试件最终破坏。

轴压比较大的试件斜裂缝较明显。随着轴压比的增加，混凝土保护层剥落的高度增加，试件裂缝开展较少。达极限荷载后轴压比较大试件承载力下降迅速。同时，柱根角部混凝土被压碎剥落，纵筋外露严重，它们呈现弯曲破坏为主的形态。

图4 各试件侧面裂缝开展云图

图5 试件最终破坏形式

KZRC5破坏形式为小偏压破坏。施加往复水平力为－80kN时，柱身混凝土突然压崩，承载力下降迅速，试验结束。试验结果表明反复荷载作用下，高轴压比再生混凝土框架柱的破坏较严重，因此抗震结构设计中应严格控制构件的轴压比。

2.2 滞回曲线

滞回曲线是构件在力循环往复作用下的荷载－位移曲线，滞回曲线的形状是反映结构抗震性能的综合体现。同时滞回环曲线所包围的面积反映了结构耗能的大小，滞回环越丰满，包围的面积越大反映地震耗散能力强，构件的延性好；滞回环越扁平，包围的面积越小反映地震的耗散能力差，延性差［8］。荷载－位移滞回曲线如图6所示。

普通混凝土柱在低轴压比情况下，滞回环骨架曲线的下降段比较平缓，框架柱承受变形的能力较大，而承载力降低不明显。在高轴压比情况下，滞回环骨架曲线的下降段较陡，滞回曲线的丰满程度较差［9－10］。观察各试件滞回曲线所呈现的情况，可得出以下结论：

（1）低轴压比时曲线形状稍显饱满，延性相对较大；随着轴压比的增大，构件的滞回曲线有捏拢现象，延性降低，但幅度不明显。

（2）各试件随着轴压比的增大极限承载力有所降低。达到极限承载力之后，高轴压比再生混凝土柱的承载力降低较快。

（3）从图6中还可以观察出，各试件滞回曲线在正反（正负）2个方向加载的图形并不对称。当施加的反复荷载值不大时，一个方向作用水平荷载时对应一侧混凝土出现弯曲裂缝，当在反方向作用水平荷载时，前期出现的裂缝能够完全闭合或基本闭合。后期，当施加的水平荷载较大时，导致前期混凝土裂缝不能完全闭合，滞回曲线出现不对称现象。

试验结论与普通混凝土柱构件基本相同，且类似轴压比下再生混凝土柱的滞回曲线降低较普通钢筋混凝土柱捏拢严重，但仍能足够满足变形性能的要求。

图6 各试件滞回曲线

2.3 骨架曲线

取荷载－位移曲线各级循环峰值连接起来的包络线作为试件的骨架曲线，各骨架曲线分别如图7所示。

图7 骨架曲线

对各试件骨架曲线进行分析，得到如下结论：

（1）各试件骨架曲线相似，均有明显的弹性段、强化段和强度退化段。

（2）试件承载力随着轴压比的增大，呈下降趋势，到达荷载峰值后，随着柱身保护层的不断脱落，钢筋和混凝土之间的黏结力下降，导致试件承载力下降较快。

2.4 延性性能

各试件荷载特征值记录见表3所列。

观察表3中各试件的荷载特征值，其中，极限位移为极限荷载对应的位移值，破坏荷载为承载力下降至极限荷载值的85%所对应的荷载，位移为最大位移。随着轴压力的增加，试件的平均屈服荷载升高而极限荷载在下降。总体来看，轴压比在一定范围内，构件承载力较高；当轴压比超过了一定的限制，承载力较低。

各试件的位移特征值记录见表4所列。

表4中延性系数μ＝uu／uy，其中，uu为试件破坏时所对应的最大位移，且为正反方向的平均值；uy为试件屈服荷载所对应位移平均值。实测最大转角为uu／h。

各试件延性系数较接近，KZRC3比KZRC1位移延性降低4.5%；KZRC4比KZRC3延性系数降低2.4%。这说明在相同剪跨比、相同配箍率下，轴压比越小的构件塑性越好，这与普通混凝土表现的性能一致。

再生混凝土框架柱试件最大转角随着轴压力的增大而降低，根据各试件延性与位移转角的比较，轴压比较小的试件表现较好的变形能力。

表3 荷载特征值kN

表4 位移特征值mm

2.5 轴压比对耗能的影响

耗能能力是衡量构件抗震性能的一项重要指标。把试件所有的力－位移峰值滞回曲线所包围的面积相加，就是结构的总耗能情况。轴压比与试件总耗能的关系如图8所示。

图8 不同轴压比柱总耗能曲线

KZRC1试件的总耗能为25 639kN·mm，KZRC3试件的结构总耗能为19 691kN·mm，KZRC3比KZRC1的总耗能值下降了23.2%。可见，随着轴压比的增加，再生混凝土框架柱的耗能性能越来越差，抗震性能也越来越差。

3 结 论

（1）由于轴压比的不同，各试件的延性和承载力及耗能情况也有所不同。低轴压比试件具有较好的延性及较高的承载力，高轴压比的试件延性及耗能情况均较低。

（2）由于构件制作的不对称性，滞回曲线有一定的不对称性；正反向的承载力、破坏形态、延性等也有所不同。

（3）再生钢筋混凝土框架柱与普通混凝土框架柱在不同轴压下的抗震性能变化一致，可按现行抗震设计规范限制再生混凝土框架柱的轴压比。经合理设计的再生混凝土框架柱可用于框架结构构件的抗震。

［1］肖建庄.再生混凝土［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008：147－152.

［2］O’Mahony M M.An analysis of the shear strength of recycled aggregates［J］.Journal of Materials and Structures，1997，30：599－606.

［3］Corinaldesi V.Recycled aggregate concrete under cyclic loading［C］／／Proceedings of the International Symposium on Role of Concrete in Sustainable Development，2003：509－518.

［4］肖建庄，朱晓晖.再生混凝土框架节点抗震性能研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2005，33（4）：436－440.

［5］孙跃东，周德源，肖建庄，等.不同轴力下再生混凝土框架抗震性能的试验［J］.同济大学学报：自然科学版，2007，35（8）：1013－1018.

［6］胡 波，柳炳康，张李黎.再生混凝土氯离子渗透性能测试与分析 ［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（8）：1240－1243.

［7］JGJ 101－96，建筑抗震试验方法规程［S］.

［8］肖建庄，李 杰.钢筋混凝土框架柱轴压比限值问题研究［J］.世界地震工程，1998，14（4）：17－22.

［9］郭子雄，吕西林.高轴压比框架柱抗震性能试验研究［J］.华侨大学学报：自然科学版，1999，20（3）：258－263.

［10］张国军，吕西林，刘伯权.钢筋混凝土框架柱在轴压比超限时抗震 性 能 的 研 究 ［J］.土 木 工 程 学 报，2006，39（3）：47－54.

Experimental study of seismic behavior of recycled concrete frame columns with different axial compression ratios

ZHANG Jing1，2， ZHOU An1，3， LIU Bing－kang1，3， CHEN Li－hua1，3， GAO Bin－bin1，3

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Dept.of Architectural Engineering，Lu’an Vocational and Technical College，Lu’an 237158，China；3.Key Lab of Civil Structure and Material of Anhui Province，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Based on the experimental study of five concrete frame columns with 100%replacement ratio of recycled coarse aggregates under the low cyclic loading test，the failure shapes，hysteretic characteristics，ductility factors，load carrying capacity and the relative effects from the variation of axial compression ratios on the seismic behavior of the columns were discussed separately.The testing results indicated that the hysteretic curves became flat step by step and the energy dissipation capacity，ductility and ultimate bearing capacity gradually dropped down with the increase of axial compression ratios at the specified condition of the same shear span，stirrup reinforcement ratio and concrete strength.Basically，the seismic behavior of recycled concrete frame columns are similar to or a little worse than those of the normal reinforced concrete columns，indicating that the recycled concrete can be applied to the concrete columns structures with special low axial compression ratio.

recycled concrete；frame column；axial compression ratio；seismic behavior

TU375.4

A

1003－5060（2012）04－0503－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.017

2011－06－22；

2012－02－22

安徽省自然科学基金资助项目（090414163）

张 静（1979－），女，安徽六安人，合肥工业大学硕士生，六安职业技术学院讲师；

周 安（1964－），男，安徽六安人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师；

柳炳康（1952－），男，安徽凤阳人，合肥工业大学教授，博士生导师.

（责任编辑 张淑艳）