我国再生混凝土梁、柱及框架节点研究现状.pdf

第 3 7卷 第 1期 2 0 1 0年 1月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c hn i qu e De v e l o pme n t Vo 1 3 7，No 1 J a n 2 01 0 我 国再 生混凝土梁、 柱及框 架节点研究现状 王乐天 刘 煦 王凌飞 张靖 ( 1 西安建筑科技大学土木工程学院，西安7 1 0 0 5 5 ； 2 中国建筑科 学研 究 院国 家建 筑 工程质 量监 督检 验 中心 ， 北京1 0 0 0 1 3 ) 摘要 基于国 内外大量相关研究成果 ， 对再 生混凝 土梁 的受 弯及受 剪性能 ， 柱 的轴心 、 偏心受 压性能 和节点 的抗震 性 能进行 了较为全面系统的分析。研究结果表明 ， 与普 通钢筋 混凝土相 比， 再生混 凝土梁 、 柱 及框架节 点的 破 坏模 式基本相同 ， 刚度和极 限承载力 略有 降低。 关键词 】 再生混凝土 ； 受弯性能 ； 受剪性能 ； 受压性 能 ； 抗震性能 中图分 类号 T U 5 2 8 0 4 1 文献标 志码】 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 5 7 -03 PRES ENT S TUDY S TATE oF RECYCLED CoNCRETE BEAM S CoLUM NS AND F RAME J o TS D CHD-i A Ab s t r a c t Ke y w o r d s W a n g Le t i a n，L i u Xu W a ng Li n f e i ， Zh a n g J i n g Ba s e d o n a l a r g e n umb e r o f t he r e l a t e d t r e s u l t s f r o m p ub l i s he d l i t e r a t u r e，t he fle x ur a l pe rfo r ma n c e a nd t h e s h e a r p e rfo r ma n c e o f r e i n f o r c e d r e c y c l e d a g g r eg a t e c o n c r e t e be a ms，t h e a x i a l a n d e c c e nt ric c o mp r e s s i o n pe rfo r ma n c e o f r e i n f o r c e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e c o l u mn s a n d t h e s e i s mi c p e rf o r ma n c e o f f r a me j o i n t s a r e a n a l y z e d Co mp a r e d wi t h no r ma l c o n c r e t e，t h e f a i l u r e mo d e o f r e i n f o r c e d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e b e a ms，c o l umn s a n d f r a me j o i n t s a r e s i mi l a r ，h o we v e r ，t h e s t i f f n e s s a n d h e a r i n g c a p a c i t y a r e r e d u c e d f l e x ur a l pe rfo r ma n c e； s h e a r p er f o r ma n c e； a x i a l a n d e c c e n t ric c o mp r e s s i o n p e rfo r ma n c e； s e i s mi c pe rfo r ma n c e 近年来 ， 随着世界 建筑业 的高 速发 展 ， 建 筑材 料对 自然 资源 的需求与 E t 俱 增 。混凝 土是 对 自然 资源 消耗 最大 的建 筑材料 ， 它对环境 造成 的负 面影 响越来 越受 到人们 的重 视。 废弃混凝土的传统处理方式未能有效 的利用资 源 ， 且 污染 了 环境 。而将废 弃混 凝 土块 经破 碎 、 清 洗分 级 后制 成再 生 骨 料 ， 利用其作为骨料部分或全部来代替天 然骨料所 配制成 的 再生混凝土 ， 是解 决混凝土废料的有效方法 。这样 既节省 了 自然资源 ， 使得有 限的资 源得 以再利 用 ， 又解决 了部 分环 保问题 ， 符合我 国可持续发展战略 。 再 生混凝 土在材料 的物理 力学性 质上与 普通混凝 土有 很大差异 ， 如表观密度 、 弹性模量 、 抗压强度 等 。在工程实 际的应用 方面 ， 设计 人 员更 关 注再 生混 凝 土构 件 的受力 性 能 。我 国的科研院所 及高 等 院校 对再 生混凝 土结 构构件 的 收稿 日期 ： 2 0 0 91 0一l 5 作者简介 ： 王乐天( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 内蒙古 鄂尔多斯人 ， 西安建 筑科 技大 学在读硕士研 究生， 研究方 向： 混凝土结构及其抗震。 受力性 能进 行了深入 的研究 ， 本文基 于国内外相关 的试验结 果 ， 综 述分析了再生混 凝 土受弯 构件 、 受压 构件及 受剪 构件 的基本受力性 能 ， 拟对再生混凝土和再 生混凝 土结 构的实际 应用进行初 步的理论 探索 。 1 再生混凝土梁的受弯性能 1 1 平 截 面 假 定 适 用 性 平截 面假定对 于正截面受弯构件非 常重 要 ， 将 这一假定 用 于再 生混凝 土构件的研 究很有意 义。文献 4 完成 了对 3 根不 同粗 骨料取代率梁 ( 分别为 0 、 5 0 、 1 0 0 ) 的抗弯性 能试 验 ， 结果表 明， 无 论再生骨料取代率 为多少 ， 在梁受力 的 全过程 中 ， 从开裂直 到最 终破坏 时 ， 梁跨 中截 面上各 点 的混 凝 土平 均应 变曲线近似为直线 。由此可 见 ， 再 生混凝土取代 率对平 截面假定 没 有影 响， 平 截 面假定 适 用 于再生 混 凝土 梁 ； 刘佳亮等 对 1 0根不 同再 生骨料 取代 率 的梁 进行 受弯 性能试验 ， 结果 也 证 明平截 面 假定 同样 适 用 于再 生混 凝土 梁 。文献 6 7 在再生混凝土梁的受弯性能试验 中， 也得 出 了类似结论 。这为再 生混 凝 土构件 的受弯 性能分 析提 供 了 5 7 第 1 期 王 乐天 ， 等： 我 国再生混凝 土粱、 柱及框 架节点研 究现状 第 3 7卷 的一定 的理论依据。 1 2破 坏模 式 在文献 4 的试验中 ， 再生混凝 土梁 在加 载初期 ， 处于弹 性阶段 ， 当荷载达到 3 0 k N时 ， 试验梁开裂 ， 开裂前钢 筋应变 5 6 0 。随着荷载增加 ， 梁 的挠度逐 渐增 大 ， 裂缝 开展越 来 越宽 ， 同时受压区混 凝土塑 性表现得 越来 越明显 ， 这是再 生 混凝土梁 的弹塑性 阶段 。当荷 载达 1 1 0 k N时 ， 受 拉钢 筋屈 服 ， 试验梁变形 进一步加大 ， 直 至梁顶边 缘混凝土压碎 ， 试验 梁宣告破坏 。由此可见 ， 再生混凝 土梁受力全过 程与普通混 凝土梁相 同， 分为弹性 、 开裂 、 塑性 、 极限破坏 四个阶段。 结合 国内外其它试验 可以得 出， 再生混凝 土梁的破 坏模式与普通钢筋混凝土梁相同 ， 分为 弹性 、 开裂 、 屈服及破 坏 四个 阶段 。最终破坏均始于受拉 区钢筋的屈服 ， 终于受压 区边缘混凝土 的压碎 。 1 3 裂 缝 文献 4 的试验发现 ， 三根梁的裂缝 开展情况相似 ， 梁开 裂时 ， 均伴有轻微 响声 ， 开裂后 ， 裂缝宽度 随荷 载的增大而不 断增加 ， 纵向受力钢筋屈服后 ， 裂缝 宽度 急剧增大 ， 直至试验 梁破坏 。三根梁破 坏时 的裂缝 间距 基本相 同， 然 而 ， 三根试 验梁的裂缝开展情 况也存 在一定 差异 ， 在相 同弯矩作 用下 ， 再生混凝 土梁 的挠度 和最 大裂 缝宽 度大 于普 通混 凝土 梁。 开裂弯矩与极 限弯矩 略小 于普通混凝 土梁 。周 静海等人 的试验也有类似 的结果 。 1 4变形 与 刚 度 随着再 生混凝土取代率的增加 ， 再 生混 凝土的弹性模量 在减少。当再生混凝土 的取代 率超过 2 0时 ， 再生 混凝土 的弹性模量 随取 代率 的增 加而减 小的趋 势相对 较快。文献 8 的试验发 现， 弹性模量 的降低将导致其刚度降低 ， 再生混 凝土梁的刚度 降低表现 在挠 度的增 加。在文 献 4 的试验 中， 梁未开裂时 ， 在相 同荷 载作用下 ， 取代率 为 1 0 0 的梁挠 度较大 ， 5 0 的次之 ， 普通混凝 土梁 最小 。接 近屈服弯矩 时 ， 普通混凝土梁挠度最小 。另外 ， 文献 6 中也指出 ， 在相 同荷 载下 ， 再生混凝土挠度略大于普通混凝土 。 1 5极 限 承 栽 力 文献 4 的试 验结 果 表 明， 再 生 粗骨 料取 代 率为 0 、 5 0 、 1 0 0 的梁极 限荷载分别为 1 3 3 k N、 1 3 1 k N、 1 2 8 k N， 差 别较小 ， 刘佳亮等 的试验和周静海等 完成的试验也有类 似 的结 论 。 因此 ， 再 生 混 凝 土 梁 的 极 限 承 载 力 可 以 按 现 行 规 范公式进行计算 。 2再 生 混 凝 土 梁 的 受 剪性 能 2 1 裂缝开展及破 坏模式 肖建庄等 对 三根再 生 骨料取 代率 分别 为 0 、 5 0 、 1 0 0 的简支梁进行 抗剪试验 研究。对 于普通 混凝 土梁 ， 荷 载加到 7 O k N时在剪压区出现弯剪斜裂缝 ，随着荷载增加裂 缝宽度增加 ，荷载继续 增加 ， 斜 裂缝 明显 加 宽， 在达 到极限 承载力时 ， 斜裂 缝平均 宽度为 1 4 mm。再 生骨料取 代率 为 58 5 0 的梁 ， 当 荷载加 到 6 0 k N时， 剪 压 区出 现腹剪 斜 裂缝 。 随着荷载的增加 ， 斜 裂缝 的数量不 断增加 ， 斜 裂缝宽度逐渐 增大 ， 逐渐在几条斜裂 缝 中形 成一 条主斜裂 缝 ， 当达到极 限 荷载时 ， 斜裂缝宽度为 1 mm。取代 率为 1 0 0 的梁 ， 随着荷 载增大 ，首先在弯剪 区 出现斜 向裂缝 。在几 条斜裂缝 中形 成一条主斜 裂缝 后，开裂混凝 土退 出工作 ，荷载继续 增加 ， 箍筋应力迅速增 长 ， 斜裂缝不断扩展并 向加 载点处延伸 ， 最 终破坏时斜 裂缝 宽度 为 0 9 m m。 试 验结果表 明， 再 生混凝 土梁抗 剪破 坏过程与普通混凝 土梁相似 ， 均经历弹性 阶段 和非弹性 阶段 ； 再生混凝 土梁 的 受剪破坏均属于典 型剪压破坏 ； 再生 混凝土梁斜截 面开 裂荷 载稍小于普通混 凝土梁 ， 而斜裂缝平 均宽度略 大于 普通 混凝 土 梁 。 日本广岛大学 的 Ma s a r u S o g o等 研 究 了再生 混凝 土 梁的抗剪性能 ， 试验也 表 明， 再生 混凝 土梁斜裂缝 的 出现和 开展与普通混凝 土梁基本相 同， 破坏模式也基本相 同。 2 2极 限 承 栽 力 文献 9 中指 出， 再生混凝 土梁 的抗 剪极限承 载力 随着 再生粗骨料取代率的增加 而减小 。文献 1 1 也研 究 了再生 混 凝 土 梁 的 抗 剪 承 载 力 ， 试 验 结 果 表 明 ， 再 生 混 凝 土 梁 抗 剪 承载力较低 ， 按照 普通 混凝 土梁 的设 计方 法设 计将 偏 于不 安 全 。 3再生混凝土柱的轴心受压性能 3 1 裂 缝 开 展 及 破 坏 模 式 周静海等人 对 9根再 生混 凝土柱 和 3根普通混 凝土 短柱进行轴心受压试 验。结果表明 ， 不同再生骨料取代 率下 的构件从加载到破坏都 经历 了三个 阶段 ， 即弹性 阶段 、 带 裂 缝阶段和破坏阶段 ： 在加载初期 ， 构件 尚处于稳定状态 ， 混凝 土和钢筋都处于弹性 阶段 ， 纵向钢筋 和混凝土 的压应变 变化 不大。随着荷载 的增大 ， 试件顶端或 底端开始 出现纵 向的小 裂缝 ， 再生取代率越 大 ， 混凝 土柱 出现 裂缝 的时间越早 。荷 载继续增大 ， 混凝 土的塑性 变形更 加明显 ， 压缩 变形 的增加 速度快于荷载增加速度 ， 即应变与 荷载 的关 系为 非线性 的。 同时 ， 钢筋应变 比混凝 土应 变增 加得快。随着荷载 的继 续增 加 ， 混凝土柱开始 出现 微细裂缝 ， 并 且裂缝 的宽度 随着荷 载 的增加 越来越 大， 此时为构 件的带裂缝工作 阶段 。当混凝 土 达到极 限压应变 ， 混凝 土柱 四周 出现 明显 的纵向裂缝 ， 承 载 力不再增加 ， 再生混凝土柱和普通混凝 土柱最后破坏都 是裂 缝贯穿整个 柱体发生破坏 ， 破 坏过程一样 。 3 2极 限承 栽 力 文献 1 2 指出 ， 随着再 生骨料 掺人量增 加 ， 试 件 的开裂 荷载逐渐减 小 ， 柱的极限承载力 随再 生骨料取代率增加 而逐 渐降低 ， 但幅度不大。文献 1 3一l 4 结 果也 表明 ， 再 生混凝 土柱的承载力 与普通混凝土柱相差不多 ， 可按现行规范设计 计算其承载力。 第 3 7卷 王乐天 ， 等 ： 我 国再生混凝 土梁、 柱及框 架节点研 究现状 第 1 期 4再 生 混 凝 土 柱 偏 心 受 压 性 能 文献 1 3 所做的试验 中， 完成 了 9个不 同取代 率下再生 混凝土偏 心受压构件 ， 其 中包括 了小偏 心受 压 ， 界限受 压及 大偏心受压各 3 个 构件 。偏 心距为 3 0 m m 的试 件 即小偏压 试件 ， 在加载初期 ， 荷载与位 移 ， 荷载 与钢筋应变 基本上均 呈 线性变化 ， 随着荷载 的增 大， 裂缝呈现较 多且较密 ， 但其发 展 缓慢 。在受拉钢筋 屈服之 前 ， 受压 区混凝 土就 已压碎 ， 且 破 坏范 围较大 ， 为典 型的小偏 心受压 破坏 。偏 心距 为 8 2 n l m的 试件 即界 限受压试件 ， 在加 载后期 ， 有 明显的 主拉 裂缝 ， 在受 拉钢筋屈 服的同时， 受 压 区混 凝土 压碎 ， 试验 现象 比较接 近 界限破坏 。偏心距为 1 0 0 m m 的试件 即大偏压 试件 ， 加 载后 期主拉裂缝 明显 ， 首 先是受拉 钢筋 的屈服 ， 中和轴 上升 ， 然后 受压 区混凝土压碎 ， 为典 型的大偏心受压 破坏 。从 以上试验 可得 出， 再生混凝土柱与普通混凝土柱相 似 ， 都具 有小偏压 、 界限破坏及 大偏压 三类破坏形态 ， 再生混凝 土柱受力 过程和 破坏机理 与普通混凝土 柱基本相 同。 5再生混凝土节点的抗震性能 5 1破 坏 模 式 文献 1 5 中完成 了 3种不 同再 生粗骨 料取 代率再 生混 凝土框架边节点的抗震性能试验。研究表 明 ， 再 生混凝土框 架节点的破坏过程和普通混凝土框架节点类 似 ， 都经历 了初 裂 一通裂 一梁屈 服 一极 限 一破 坏 5个 阶段 。从试 验中可 以 看 出， 0 、 1 0 0 再生骨 料取代 率 的节点 沿核 心 区对 角线方 向的交叉斜裂缝较为明显 ， 而 5 0 取代率节点 的核心 区裂缝 较为散乱无规则 ， 梁上 中部 出现明显 的剪切斜 裂缝 。 5 2耗 能 能 力 与延 性 文献 1 3 指 出 ， 再生混 凝土框 架节点 均 大于 4 0 ， 满 足抗震设计要求 。但随着再生粗骨料 的加入 ， 再生混凝 土节 点 的抗震性能有 降低 的趋 势 ， 表现 为抗剪 承载 能力 降低 ， 耗 能能力 降低 ， 延性减小。 5 3 承 栽 能 力 试 验 所 做 结 果 为 ， 再 生 骨 料 取 代 率 为 0 、 5 0 、 1 0 0 的节点实测 抗 剪 承载 力 分别 为 4 3 3 7 k N、 4 3 8 7 k N、 4 4 0 7 k N 。可见 ， 再生混凝土与普通混 凝土相 比其承 载力并 没有降低 ， 可直接采用现行混凝土结构设 计规范 中普通混凝 土节点抗剪承载力计 算公 式计算 。再 生混 凝 土节点 的抗震 性能与普通混凝土节点相 比并没有大幅度 下降 ， 满足抗震设 计要求 。由此试验结果可得出 ， 再 生混凝土可 用于有抗震设 防要求 的结构构件 中。 6结 论 本文基于 国内外相关试验结果 ， 初步综述 分析 了再 生混 凝土梁 、 柱及框架节点的基本受力性能 ， 可得 出如下结论 ： 1 ) 再生混凝土梁受弯正截面平均应变服从平 截面假定 ， 在受弯过程 中都要 经历 弹性 、 带裂缝 工作 、 钢筋屈 服和 构件 破坏 4个阶段。 2 ) 再生混凝土梁 的开裂荷载 、 屈服荷载和极 限承载力与 普通混凝 土梁的差别不大 ， 刚度较普通混凝土 降低 。 3 ) 再生混凝 土梁 的抗剪 承载 力随着 再生 骨料 的取代率 增 加 而 减 小 。 4 ) 再生混凝 土柱与普通 混凝 土柱破坏模式相 似 ， 受力 过 程和破坏机理也基本相 同， 在受力过程 中仍具 有明显 的小偏 压、 大偏压 和界限破坏三类 破坏形态。 5 ) 再 生混凝土柱极限承载力与普通混凝 土柱接近 ， 可参 考现行规范公式计算 。 6 ) 随着再生粗骨料 的加入 ， 再生混凝 土框架节点 的抗 震 性能有降低 的趋势 ， 其水平抗剪承载力 可参考现行混 凝土结 构设计规范 中普通混凝土节点抗剪承 载力计算公式计算 。 参考 文献 1 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 ，2 0 0 7， 3 5 ( 8 ) ：1 0 1 31 0 1 8 2 孙跃 东 ，肖建庄 再生混凝土骨料 J 混凝土 ， 2 0 0 3( 1 0 ) ： 3 3 3 肖建 庄 ， 李佳彬 ，孙振平 ， 等 再生 混凝 土 的抗压 强度研究 J 同济大学学报 ， 2 0 0 4， 3 2( 1 2 ) ：1 5 5 81 5 6 0 4 肖建庄兰阳再生 粗骨料混凝 土梁抗 弯性能试验 研究 J 特种结构 ， 2 0 0 6， 2 3 ( 1 ) ： 91 2 5 刘佳亮 ，孙伟 民，郭樟根 ， 等再 生混凝 土梁抗弯 承载力 的试 验 J 南京工业大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 3 8 4 2 6 周静海 ，张 微， 刘爱 霞再 生粗骨 料混 凝土 梁抗 弯性能 研 究 J 沈 阳建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 5 ) ： 7 6 2 7 6 7 7 高策 ，叶跃忠 ，张军 再生粗骨料钢筋混凝 土梁试验研究 J 四J I I 建筑 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ：1 4 71 4 9 8 骆行文 ，管昌生再生混凝土力学特性试验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 7， 2 8 ( 1 1 )： 2 4 4 0 2 4 4 7 9 肖建庄 ，兰阳再 生混凝土 粱抗 剪性能试验研 究 J 结 构工 程师 ， 2 0 0 4， 2 0 ( 6 ) ：5 3 5 5 1 OMa s a r u S o g o ，T a k a h i s a S o g a b e ，I p p e i Ma r u y a ma ，e t a 1 S h e a r b e h a v io r o f r e i n f o r c e d r e c y c l e d e o n e r e t e b e a ms ，C o n f e r e n c e On t h e Us e o f Re c y c l e d Ma t e r i a l s i n B uil d i n g a n d S t r uc t u r e s ，No v e mb e r 2 0 0 4， Ba r c e l o n a，S p a i n 1 1 H a n B C e t a 1 S h e a r c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms m a d e w i t h r e c y c l e d a g g r e g a t e J A C I S p e c i a l P u b l i c a t i o n ， 2 0 0 1 ，2 0 0 ( 8 ) ： 3 5 4 1 1 2 周静海 ， 杨永生 ，焦 霞再 生混凝 土柱轴心 受压承载力研 究 J 沈 阳建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 4 ) ： 5 7 25 7 6 1 3 肖建庄 ，沈宏波 ， 黄运标再生混凝土柱受压性能试验 J 结 构工程师 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 3 7 7 1 4 张军 ，叶跃 忠，高 策再 生混 凝 土柱 轴心 受压 性能 试验 J 四川建材 ，2 0 0 7， 4： 2 4 82 5 0 1 5 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 ， 2 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