基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()陕西省自然科学基础研究计划项目()作者简介:成勇龙()男硕士研究生主要从事钢筋混凝土结构抗震研究:.通信作者:付 国()男博士讲师主要从事混凝土结构抗震研究:.文章编号:():./.基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究成勇龙付 国张爱军张 博(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院陕西 杨凌)摘 要:为揭示再生混凝土柱的性能退化机理根据拟静力试验现象和试验数据对再生混凝土柱的破坏进行了量化研究 首先进行了 破坏准则和延性破坏准则的计算验证统计分析结果表明延性破坏准则可用于再生混凝土柱破坏计算研究 基于延性破坏准则对再生骨料取代率与混凝土强度、破坏指数的量化关系进行了研究建立了混凝土强度退化与破坏指数的函数关系从再生骨料界面结合能力、粘结性能和强度变化三个方面对再生混凝土柱性能退化规律进行了解释说明考虑再生骨料取代率和混凝土强度的影响提出了改进的再生混凝土柱延性破坏准则 研究结果表明:考虑混凝土强度影响的改进延性破坏准则计算结果更接近于.且离散性较低更准确的定义了再生混凝土柱的破坏 综合再生混凝土柱试验现象、破坏规律及破坏指数计算结果给出了再生混凝土柱的延性准则破坏评价标准相关研究成果可用于再生混凝土柱的破坏评估和震损鉴定关键词:再生混凝土柱抗震性能破坏准则再生骨料取代率破坏标准中图分类号:.文献标识码:():.世 界 地 震 工 程第 卷:引言再生骨料混凝土(简称“再生混凝土”)作为一种绿色环保建材能够有效减少废弃混凝土排放减轻环境负荷促进资源循环利用受到国内外学者的广泛关注再生混凝土结构的抗震性能已逐渐成为了学术界和工程界的热点研究方向 白国良等、尹海鹏等、王社良等和李晓芳等完成了再生混凝土柱的拟静力试验结果表明:随着再生骨料取代率增加试件初始刚度、承载力和滞回耗能均呈下降趋势但未能阐明再生骨料取代率与再生混凝土柱抗震性能之间的量化关系等、等和 等研究了再生骨料掺量对抗震性能退化的影响规律结果表明:再生混凝土柱和普通混凝土柱的破坏过程及性能退化规律基本类似 现有研究多根据模型试验结果和滞回曲线、骨架曲线对再生混凝土柱抗震性能进行定性分析而抗震性能量化和破坏准则研究等方面开展还很不充分开展再生混凝土柱破坏准则研究对再生混凝土结构震后损伤破坏评估及工程抗震加固具有十分重要的意义破坏准则能够准确定义和量化结构或构件的破坏程度单参数破坏准则仅选取单一破坏指标不足以全面反映结构地震破坏规律和性能退化机理 双参数破坏准则考虑了最大变形与累积滞回耗能对破坏的影响在抗震性能量化研究中获得广泛应用延性破坏准则充分考虑了变形能力强弱对破坏的影响能较好地评估钢筋混凝土柱在地震作用下的破坏程度 开展再生混凝土柱的破坏准则研究和分析再生骨料掺量变化导致的结构抗震性能退化差异现象能够更好地反映再生混凝土柱的破坏机理从而建立合理的可应用于工程实践的再生混凝土柱性能评价标准鉴于此本文基于已有试验数据验证了 双参数破坏准则和延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的合理性对再生混凝土柱的性能退化规律进行研究重点分析再生骨料取代率、再生混凝土强度与破坏指数的关系给出了考虑骨料取代率影响的再生混凝土柱破坏准则计算式 通过统计不同破坏程度下再生混凝土柱的破坏指数分布建立再生混凝土柱的破坏量化标准研究成果可为再生混凝土柱的抗震性能研究提供参考再生骨料混凝土柱破坏指数对比.模型试验对国内外学者完成的 根再生混凝土柱拟静力试验数据进行了计算分析试件编号、再生骨料替代率和混凝土强度见表 模型详细信息及加载制度见对应文献再生骨料来源包括废弃建筑和废弃路基等基体混凝土(指加工成再生粗骨料的原始混凝土)强度略大于对应再生混凝土设计强度.双参数破坏准则和延性破坏准则 破坏准则定义结构的破坏由变形和累积耗能的共同作用引起较好地考虑了首超破坏和累积损伤的影响其数学表达式如下:()(.).()式中:为钢筋混凝土柱的破坏指数 为加载过程中的最大变形 为单调加载下的极限变形由文献建议公式计算得出 为累积塑性耗能 为屈服强度 为组合系数 为轴压比 为纵筋配筋率 为体积配箍率延性破坏准则考虑了不同变形能力钢筋混凝土柱抗震性能的差异较好地解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律其计算式如下:(.)./()第 期成勇龙等:基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究式中:为第 个加载幅值对应的延性系数 为 对应的加载循环次数 为单调加载下的延性系数/为钢筋混凝土柱屈服位移表 试件基本参数 文献来源试件编号再生骨料取代率/文献.文献.文献.文献.文献.文献.文献来源试件编号再生骨料取代率/文献.文献.文献.文献.文献.文献.注:为柱高 为试验轴压比 为剪跨比 和 分别为纵筋和箍筋屈服强度.破坏指数计算结果由于再生骨料内部原始损伤以及新、老砂浆过渡区的影响再生混凝土柱的延性、耗能能力和抗震性能较普通混凝土柱均有所降低 但再生混凝土柱的破坏过程和性能退化规律与普通混凝土柱基本类似 对表 中试件分别进行了 准则和延性准则计算研究破坏指数计算结果如图 所示世 界 地 震 工 程第 卷图 延性破坏准则与 准则计算结果对比.图 调整组合参数 后 准则计算结果.图 承载力退化幅值统计结果.由 双参数破坏准则计算得出的破坏指数平均值.标准差为.高估了再生混凝土柱的破坏程度计算结果表明由式()得出的组合参数 偏大高估了再生混凝土柱滞回耗能对构件破坏的影响根据文献研究成果定义组合参数定值为.调整后的 破坏准则(.)计算结果如图 所示破坏指数.平均值.标准差.能够较好地定义再生混凝土柱的破坏由延性破坏准则计算得出的破坏指数 延平均值为.标准差为.延性破坏准则可以更好地实现再生混凝土柱的破坏量化研究 进一步研究表明柱承载力退化程度越大破坏指数也越大根据承载力退化幅值对最终破坏指数重新进行了计算当加载至破坏极限状态时 根再生混凝土柱承载力退化至峰值荷载的 根柱承载力退化幅值未超过 根柱承载力退化幅值超过 图 是 根再生混凝土柱的承载力退化幅值统计图参考文献计算结果定义承载力退化程度与承载力下降至峰值荷载 时的破坏指数满足式().()式中:为承载力退化值/为极限荷载 为峰值荷载.为承载力退化至峰值荷载 时结构的破坏指数按式()对承载力退化幅值小于 和承载力退化幅值超过 的部分再生混凝土柱破坏指数进行了计算结果见表 表 承载力退化幅值对破坏指数影响 试件编号承载力退化/.试件编号承载力退化/.第 期成勇龙等:基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究 未考虑承载力退化的延性准则破坏指数平均值.标准差.统一承载力退化幅值后延性准则破坏指数平均值.标准差.承载力退化对延性破坏准则计算结果整体影响较小 但由表 可以看出:对部分试件承载力退化对延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的影响不能忽略统一承载力标准后的延性破坏准则更为合理可避免因为不同组试验承载力退化大小不统一导致计算结果离散性偏大改进延性破坏准则.再生骨料掺量与混凝土柱破坏关系分析同天然骨料相比再生骨料性能离散性和变异性、掺量多少对混凝土性能影响更为显著图 是仅骨料取代率不同时再生混凝土柱的破坏曲线其中黑、红和蓝分别对应再生骨料取代率为、和 时的破坏曲线 由图 可知:随着再生骨料掺量增加再生混凝土柱破坏指数先变小后增大表明再生骨料掺量的多少会对再生混凝土柱抗震性能产生不同影响注:().表示:(试件编号)再生骨料替代率/混凝土立方体抗压强度平均值/图 再生混凝土柱破坏曲线.为了进一步研究再生骨料取代率对混凝土柱破坏的影响规律将再生骨料取代率与混凝土强度、混凝土强度与破坏指数的关系曲线分布绘于图 图 再生骨料取代率对混凝土柱破坏的影响规律.世 界 地 震 工 程第 卷考虑不同试验组再生骨料来源不同试验方法和试件参数等均存在差异分别计算再生骨料强度对应不同再生骨料取代率时的强度退化百分比并对相同再生骨料取代率的不同试验组混凝土强度退化值与破坏指数取平均值减少初始混凝土强度和骨料取代率等离散性较高对计算结果的影响使结论更合理 由图 及不同试验组混凝土强度退化百分比计算结果可知:随着再生骨料取代率的增加再生混凝土强度总体呈下降趋势两者之间近似为线性关系当再生骨料掺量低于 时对混凝土强度影响较小当再生粗骨料取代率为 时混凝土强度约下降 与文献研究结果基本吻合 再生混凝土柱破坏程度随再生骨料掺量增加呈先减弱后增强的趋势对应破坏指数先下降后上升 再生混凝土柱抗震性能随骨料取代率的增加存在一个逐渐增强到劣化的过程主要原因如下:)普通混凝土骨料与砂浆弹性模量相差较大在浆骨界面容易产生微裂缝形成薄弱面而再生骨料表面包裹着水泥砂浆新旧砂浆弹性模量相差不大界面结合得到增强再生骨料表面存在较多微裂缝吸入新的水泥颗粒后接触面增大、水化程度更充分从而形成致密的界面结构促使界面结合进一步加强对改善再生混凝土性能具有一定帮助)同天然骨料相比再生骨料的表面粗糙棱角较多与新水泥浆体的界面啮合力更强与钢筋的摩阻力和机械咬合力更大再生混凝土的粘聚性得到增强而且再生骨料吸水率较大能够更好地吸收新拌浆体的多余水分降低粗集料表面水灰比和再生混凝土有效水灰比使得界面粘结性能增强)当再生骨料取代率较大时再生混凝土与钢筋粘结性能有所削弱骨料强度降低对再生混凝土性能劣化的影响不能忽视再生混凝土内部界面过渡区、再生骨料初始损伤裂纹和骨料内部原始缺陷数量显著增加严重影响再生混凝土的力学性能当取代率较低时掺入再生骨料后对混凝土性能的劣化影响程度较小界面结合增强和粘结强度提高等性能优化因素占主导总体表现为再生混凝土柱抗震性能提升对应破坏指数减小再生骨料取代率增加骨料掺入对再生混凝土强度和力学性能劣化的影响居于主导地位表现为再生混凝土柱抗震性能降低对应破坏指数增大理论分析和破坏指数计算结果均表明:当再生骨料掺量在 范围时再生混凝土柱抗震性能最好 选取再生混凝土强度退化率为变量回归分析并得出破坏指数与再生混凝土强度退化值的量化关系如式()和式():()()式中:为掺入再生骨料后混凝土强度退化百分比 为混凝土立方体抗压强度 为再生骨料取代率为 时对应混凝土立方体抗压强度 为混凝土强度影响系数将式()带入式()得到考虑混凝土强度影响后的改进延性破坏准则计算如式().()./().改进延性破坏准则计算验证对因再生骨料取代率增加导致混凝土强度变化的 根柱试验结果进行了计算研究由 破坏准则、延性破坏准则和改进延性破坏准则(统一按承载力退化至峰值荷载 为极限状态计算)计算得到的破坏指数见表 未考虑混凝土强度影响延性破坏准则破坏指数平均值.标准差.考虑混凝土强度影响的改进延性破坏准则破坏指数平均值.标准差.改进后的延性破坏准则可以更好的定义再生混凝土柱的破坏 表 中有几组构件掺入再生骨料后混凝土强度退化百分比为负值这是因为不同再生混凝土构件再生骨料来源不同基体混凝土的强度等级、服役年限和使用部位等都会对再生混凝土的性能产生影响品质越好的再生混凝土其表面附着旧砂浆与内部初始缺陷越少抗压强度高于相同试验条件下的普通混凝土此外由于再生骨料吸水性较强在混凝土拌合物初期再生骨料能大量吸收新拌水泥浆体中的多余水分既降低了粗骨料表面水灰比同时由降低了混凝土拌合物中的有效水灰比这对增强界面粘结和提高水泥石强度均十分有利第 期成勇龙等:基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究表 破坏指数计算对比 文献来源试件编号再生骨料取代率/延性系数.文献.文献.文献.文献.文献.文献.文献.注:.为同时考虑承载力退化和混凝土强度影响的延性破坏准则破坏指数.改进延性破坏准则试验验证选取已完成的 根缩尺比为 的再生混凝土柱低周反复加载试验结果进一步验证改进延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的合理性 所有构件的截面尺寸均为 柱身高度 其它详细参数见表 表 试件基本信息及破坏指数计算结果对比 试件编号再生骨料取代率/配筋配箍/./()./()./()./()./()./()./()./().平均值.标准差.世 界 地 震 工 程第 卷 试验所用再生粗骨料来源于某服役 的五层框架结构拆除的废旧混凝土基体混凝土强度为 天然骨料采用人工碎石细骨料采用级配良好的中粗河沙试验采用陕西“秦岭”牌.级普通硅酸盐水泥各试验材料性能指标均满足规范要求对上述 根再生混凝土柱分别进行了延性破坏准则、破坏准则(.)和改进延性破坏准则的计算研究破坏指数计算结果见表 各试件滞回曲线及破坏曲线如图 所示第 期成勇龙等:基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究图 各试件滞回曲线与破坏曲线.试验结果表明:再生骨料混凝土柱具有良好的耗能能力和抗震性能经合理设计后可用于具体工程实际 当再生骨料取代率较低时骨料掺入对混凝土柱破坏指数影响不大随着再生骨料取代率的增加混凝土强度逐渐降低破坏指数有先降低后升高趋势试验结果与本文规律吻合较好随着加载幅值的增加混凝土柱的破坏程度和破坏速率逐渐加大 准则破坏曲线中段破坏速率较缓前段与后段曲线增长速率较快延性准则破坏曲线增长速率随加载循环数增加而加快与试验现象吻合更好较 破坏准则可以更合理量化再生混凝土柱的破坏过程 破坏指数计算结果表明:改进延性准则破坏指数平均值为.标准差为.对各再生混凝土柱改进延性准则破坏指数的计算结果更接近于.与未改进延性破坏准则计算结果相比离散性更小再生混凝土柱性能水准综合再生混凝土柱试验结果参考建(构)筑物地震破坏等级划分(/)将再生混凝土柱破坏过程划分为 个阶段分别为:)轻微破坏:柱身裂缝数量不断增加混凝土有轻微剥落)中等破坏:裂缝不断发育并形成几道贯通裂缝柱脚出现细微竖向裂缝混凝土保护层开始脱落)严重破坏:主裂缝贯通柱身柱脚混凝土压碎脱落混凝土保护层脱落严重)失效/倒塌:混凝土严重脱落钢筋外露变形承载力急剧下降考虑再生混凝土柱震损分级综合延性破坏准则破坏指数计算结果给出包含详细试验描述的 根再生混凝土柱在不同阶段临界点破坏指数列于表 中世 界 地 震 工 程第 卷表 再生混凝土柱破坏特征点 文献来源轻微中等破坏临界点破坏指数中等严重破坏临界点破坏指数严重破坏失效/倒塌临界点破坏指数文献.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.文献.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.文献.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.文献.、.、.、.、.、.、.、.、.、.平均值.参考国内外学者给出的普通混凝土柱破坏标准和延性破坏准则破坏指数统计结果给出适用于再生混凝土柱的延性准则破坏评价标准见表 表 延性准则破坏评价标准 性能指标轻微破坏中等破坏严重破坏失效/倒塌再生混凝土柱.普通混凝土柱.与普通混凝土柱破坏标准相比由于再生混凝土内部损伤以及界面过渡区的影响裂缝的发育程度更充分轻微破坏和中等破坏对应破坏指数较普通混凝土柱偏小在破坏阶段再生混凝土柱延性、滞回耗能和承载力等抗震性能指标均弱于普通混凝土柱对应失效/倒塌破坏指数临界值低于普通混凝土柱的.结论本文对再生骨料混凝土柱的抗震性能进行了量化研究重点分析了再生骨料取代率、混凝土强度与混凝土柱破坏指数之间的量化关系得到以下结论:)双参数破坏准则破坏指数平均值为.标准差为.其组合参数 高估了加载过程中耗能对再生混凝土柱损伤的贡献程度且对应破坏曲线前期与后期增长较快中期增长较为缓慢不符合混凝土柱随加载幅值增大破坏程度和破坏速率逐渐加大的规律当 取定值.时对应破坏指数平均值为.标准差为.计算结果得到显著改善)延性破坏准则考虑了不同变形能力构件抗震性能的差异较好地解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律对应破坏指数平均值为.标准差为.且对应破坏曲线前期增长较慢中后期增长较快与混凝土柱破坏过程吻合较好可更好实现对再生混凝土柱倒塌破坏量化研究)随着再生骨料取代率的增加混凝土强度逐渐降低破坏指数呈先下降后上升的变化规律改进后的延性破坏准则反映了混凝土强度与破坏指数的函数关系解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律破坏指数计算结果更接近.离散性更低)综合再生混凝土柱的试验现象与破坏指数分布规律建议取破坏指数.、.和.分别为中等破坏、严重破坏和倒塌失效的临界值该破坏标准较好地考虑了再生混凝土柱的破坏特点可用于再生混凝土柱抗震性能量化与评估参考文献:.().:.白国良 刘超 赵洪金 等.再生混凝土框架柱抗震性能试验研究.地震工程与工程振动 ():.():.().():.邵昀泓 庞亚凤 郑元勋 等.再生混凝土破坏机理及力学增强策略研究综述.郑州大学学报(工学版)():.第 期成勇龙等:基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究 .()():.().:.肖建庄 王春晖 郑振鹏 等.再生骨料混凝土结构抗震设计关键问题.土木工程学报 ():.():.()尹海鹏 曹万林 张亚齐 等.不同再生骨料取代率再生混凝土柱抗震试验研究.世界地震工程 ():.():.()王社良 杨涛 李涛.再生砖粒对再生混凝土柱抗震性能影响试验研究.工业建筑 ():.():.()李晓芳 王社良 滕伟玲 等.改性砖替率下 柱抗震性能试验研究分析.混凝土():.():.()王社良 余滨杉 樊禹江 等.性能增强再生骨料混凝土柱抗震性能试验研究.工业建筑 ():.():.()王社良 李涛 杨涛 等.掺加硅粉及纤维的再生混凝土柱抗震性能试验研究.建筑结构学报 ():.():.().:.:.苏佶智 刘伯权 邢国华.钢筋混凝土柱地震损伤模型比较研究.世界地震工程 ():.():.().():.付国 何斌 刘伯权.钢筋混凝土框架柱延性破坏准则研究.工程力学 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