钢筋再生混凝土梁受力性能试验研究.pdf

第 43 卷 第 9 期 2013 年 5 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 9 May 2013 钢筋再生混凝土梁受力性能试验研究 * 陈宗平 1 ， 2， 范 杰 1， 叶培欢1， 郑 巍 1 ( 1 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004; 2 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004) 摘要为了研究钢筋再生混凝土梁的受力性能， 设计并制作了 6 根钢筋再生混凝土梁试件， 进行静力单调加载 试验， 观察不同剪跨比下钢筋再生混凝土梁的破坏过程及破坏形态， 绘制出荷载-变形、 荷载-应变等关系曲线， 分析 了再生粗骨料取代率、 剪跨比对试件极限承载力的影响; 采用规范公式计算试件极限承载力和刚度并与试验值进 行对比分析。结果表明: 再生混凝土梁与普通混凝土梁破坏过程和形态相似， 根据剪跨比的不同， 表现为剪切斜压 和弯曲破坏两种形态; 随着再生粗骨料取代率的增加， 试件的极限承载力略有降低， 而随着剪跨比的增大， 极限承 载力则显著降低; 现行混凝土规范方法可适用于钢筋再生混凝土梁的极限承载力及短期刚度计算。 关键词再生混凝土梁;受力性能;强度计算 中图分类号: TU398. 7文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 09- 0092- 04 Experimental study on mechanical behavior of reinforced recycled aggregate concrete beams Chen Zongping1， 2，Fan Jie1，Ye Peihuan1，Zheng Wei1 ( 1 College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2 Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of China Ministry of Education， Guangxi University，Nanning 530004，China) Abstract: In order to reveal the mechanical behavior of reinforced recycled aggregate concrete beams，6 specimens were designed for the testThe failure process and modes，load-deformation and load-strain curves were obtained from the experiment Based on the test data，the influence of recycled aggregate replacement ratio and shear span ratio on the bearing capacity were analyzed The ultimate bearing capacity and stiffness calculated by code formula were compared with the test values The results show that the failure pattern of reinforced recycled aggregate concrete beams is similar to that of ordinary reinforced concrete beams Two types of failure patterns，which are shear pressure failure and bending failure，are appeared for different shear span ratios With the increase of recycled aggregate replacement ratio，the ultimate bearing capacity slightly decreases，but it decreases obviously with the increase of shear span ratio Methods in concrete code could be applied to the calculations of ultimate bearing capacity and short-term stiffness of reinforced recycled concrete beams Keywords: recycled aggregate concrete beam;mechanical behavior;strength calculation * 国家自然科学基金( 50908057 ) ， “八桂学者” 建设工程专项经费资助， 广 西自然科学基金( 2012GXNSFAA053203) ， 广西科技攻关项目( 桂科攻 12118023- 3) ， 广西理工科学实验中心重点项目( LGZX201102) 。 作者简介: 陈宗平， 博士， 教授， 博士生导师， Email: zpchen gxu edu cn。 0引言 再生骨料混凝土( Recycled Aggregate Concrete， 简称 RAC) 是指将废弃混凝土块经过破碎、 清洗与 分级后， 接一定的比例与级配混合形成再生混凝土 骨料， 部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新 的混凝土 1。再生骨料混凝土技术可实现对废弃 混凝土的再加工、 使其恢复原有的性能， 形成新的建 材产品， 既能使有限的资源得以再利用， 又解决了部 分环保问题 2。 近年来我国城市化进程处于高速发展阶段， 建 筑材料用量也随之不断增大， 尤其是作为最大使用 量的人造建材 混凝土。与此同时， 随着旧建筑 物的拆除， 建筑垃圾产生的各种环境问题也越来越 显著。再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的 再利用， 能将混凝土的生产方式转变到一个可持续 发展的轨道上。国内外研究机构对再生混凝土进行 了系列研究， 也取得了重要成果， 但主要集中在再生 混凝土材料的物理性能和力学性能上， 而针对再生 混凝土构件及结构的性能研究甚少 3- 7。为此， 本 试验以钢筋再生混凝土梁为对象， 主要研究在不同 再生粗骨料取代率、 剪跨比下其受力机理及破坏形 态， 并探讨抗弯、 抗剪强度计算方法， 以期为再生钢 筋混凝土梁的相关研究和工程应用提供参考。 1试验概况 1. 1 试验材料 试验所用再生粗骨料为已经服役 50 年的混凝 土电线杆经人工破碎、 清洗、 筛分而得， 原生混凝土 强度为 C30。水泥采用海螺牌普通硅酸盐水泥， 强 第 43 卷 第 9 期陈宗平， 等 钢筋再生混凝土梁受力性能试验研究 度等级为 32. 5R， 天然粗骨料采用粒径为 10 28mm 连续级配的碎石， 堆积密度为 1 437kg/m3， 再生粗 骨料粒径为 14 28mm， 堆积密度为 1 385kg/m3 ， 细 骨料为天然河砂。混凝土的配制以普通混凝土为基 准， 试配强度为 C40， 水胶比为 0. 41， 砂率为 31% 。 对于不同粗骨料取代率的再生混凝土， 保持水、 水 泥、 砂完全相同， 在粗骨料总质量不变的前提下改变 粗骨料的组成成分。混凝土配合比及其预留立方体 试块 实 测 强 度 值 f r cu， k见 表 1。试 验 采 用 直 径 为 18mm 和 12mm 的变形钢筋作为纵向钢筋， 直径为 6. 0mm 的光圆钢筋作为箍筋。依标准试验方法对 其进行材性试验， 测试结果见表 2。 1. 2 试件设计 试验考虑了再生骨料取代率和剪跨比两个变化 参数， 骨料的取代率有 0% ， 50% ， 100% 三种情况， 剪跨 比 有 1. 5 和 3. 2 两 种，试 件 配 筋 率 均 为 2. 187% ， 箍筋为 6 200。试件设计参数见表 3， 截 面配筋见图 1。 1. 3 加载装置及加载制度 试验采用两点对称集中加载， 加载装置如图 2 所示。采用荷载和位移混合控制的加载制度， 在达 到预估极限荷载之前， 采用分级荷载控制， 每级以预 估极限荷载的 1 /10 进行加载， 并持荷 5min; 接近预 估极限值时则转为位移控制， 控制的位移级差为 2mm; 当由于试件挠度、 裂缝宽度过大而不能继续加 载时， 试件宣告破坏， 试验结束。测试内容主要包括 混凝土配合比及实测强度表 1 取代率 /% 各种材料用量 /( kg/m3) 水泥自来水天然粗骨料再生粗骨料 f r cu， k 0431176992046. 5 5043117649649642. 0 100431176099241. 6 钢筋力学性能表 2 钢材类型 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/GPa 18 396. 0562. 0200 12 382. 0536. 3206 6 340. 3472. 8206 试件尺寸及配筋设计表 3 试件 编号 钢筋长度 /mm 剪跨比 试件长度 /mm 取代率 /% 极限荷载 /kN RACB- 12 0003. 22 0500126. 00 RACB- 22 0003. 22 05050117. 13 RACB- 32 0003. 22 050100107. 10 RACB- 41 2001. 51 2500238. 38 RACB- 51 2001. 51 25050213. 15 RACB- 61 2001. 51 250100202. 49 图 1试件截面尺寸及配筋图 图 2加载装置示意图 在每级荷载下的挠度、 钢筋的应变并观察裂缝的开 展情况等。 2试验结果及分析 2. 1 试件破坏过程及形态 剪跨比 = 3. 2 的试件 RACB- 1 RACB- 3 的破 坏过程相似， 其破坏过程经历了弹性、 开裂、 屈服和 破坏四个阶段。加载初期， 再生混凝土梁的应力及 变形均较小。随着荷载的增大， 梁底部的混凝土首 先开裂。荷载逐级增加， 原有裂缝沿着底部向上延 伸， 并在跨中侧面继续出现新的竖直裂缝， 且裂缝随 荷载增大逐渐向上部伸展， 当加载级数继续增加， 剪 压区段开始出现斜裂缝， 并向加载点延伸， 最后贯穿 梁的侧面。加载末期， 梁的荷载值不再增加， 但变形 继续加大， 最后纯弯段底部钢筋全部达到受拉屈服， 顶部混凝土被压碎， 试验结束。3 个试件的破坏形 式为典型的弯曲破坏， 试件的破坏形态见图 3， 试件 破坏时的极限荷载值见表 3。 39 建筑结构2013 年 剪跨比 = 1. 5 的试件 RACB- 4 RACB- 6 发生 了剪切斜压破坏。其破坏过程为: 加载初期， 再生混 凝土梁的应力及变形均较小; 随着荷载的增大， 在跨 中附近出现微小斜裂缝; 当荷载继续增大， 新裂缝相 继出现， 原有斜裂缝向加载点附近延伸， 并逐渐形成 临界斜裂缝; 加载末期， 斜裂缝贯穿整个梁表面， 剪 压区实测箍筋应变达到屈服应变值， 顶部剪压区混 凝土被压碎， 试验结束。试件的破坏形态见图 4。 2. 2 荷载- 跨中挠度曲线 图 5 为试件的荷载-跨中挠度曲线， 由图可见: 钢筋再生混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线具有较好 的后期变形能力， 剪跨比对试件的强度和刚度均有 明显影响; 剪跨比较大的试件( RACB- 1 RACB- 3) 与剪跨比较小的试件( RACB- 4 RACB- 6) 相比， 其 弹性刚度和极限承载力均显著降低， 但剪跨比大的 试件的延性更好。 2. 3 荷载- 应变曲线 图 6 为试件受力纵筋的荷载-应变曲线， 由图可 见: 试件的纵向受力钢筋在试件破坏时均达到了屈 服强度， 对于剪跨比较大的弯曲破坏试件约在 0. 6 倍极限荷载( 0 6Pu) 时， 纵向受力钢筋已经达到屈 服强度; 而剪切斜压破坏试件则是在 0. 9Pu左右时 才达到屈服。 图 3再生梁的弯曲破坏形态 图 4再生梁的剪压破坏形态 图 5荷载-跨中挠度曲线 图 6纵筋-荷载应变曲线 3影响因素分析 3. 1 再生粗骨料取代率的影响 图 7 给出了不同再生粗骨料取代率下试件的极 限承载力对比。由图可知: 相同剪跨比、 不同取代率 试件的极限承载力随着取代率的增加， 承载力逐渐 降低。 = 1. 5 的试件， 全再生粗骨料混凝土( 取代 率 100% ) 与天然混凝土( 取代率 0% ) 相比， 承载能 力降低了 15. 1% ， 由 0% 增加到 50% ， 以及由 50% 增加 到 100% ， 极 限 承 载 力 分 别 降 低 了 10. 5% ， 4. 6% ， 承载力的降低呈现先大后小的特点; = 3. 2 的试件， 全再生粗骨料混凝土( 取代率 100% ) 与天 然混 凝 土 ( 取 代 率 0% )相 比， 承 载 能 力 降 低 了 15% ， 其中由 0% 增加到 50% ， 以及由 50% 增加到 100% 时， 极限承载力分别降低了 7. 04% ， 7. 96% ， 承载力的降低幅度接近。 3. 2 剪跨比的影响 由图 7 也可发现: 随着剪跨比的增加， 试件的极 限承载力显著降低， 降低的程度跟再生骨料的取代 率关系不大， 取代率为 0% ， 50% ， 100% 时， 试件的 剪跨比从 1. 5 增大到 3. 2， 试件的极限承载力分别 降低 47. 2% ， 45% ， 47. 2% 。此外， 随着剪跨比的增 大， 试件的破坏形态发生了变化， 由剪切斜压破坏转 变为弯曲破坏。 49 第 43 卷 第 9 期陈宗平， 等 钢筋再生混凝土梁受力性能试验研究 图 7取代率对承载力的影响 4极限承载力及短期刚度计算 4. 1 极限承载力计算 试验结果表明: 剪跨比 = 3. 2 的试件均属于 弯曲破坏。对于弯曲破坏试件的极限承载力计算， 参照混凝土结构设计规范 ( GB 500102010) 8 ( 简称混凝土规范) 正截面强度计算公式: Mu= 1fck bx h 0 x () 2 ( 1a) Mu= fykAsh0 x () 2 ( 1b) 当 x 2as 时: Mu= fykAs( h0 as)( 1c) 式中参数按混凝土规范选取。 根据课题组前期研究成果， 再生混凝土的轴心 抗压强度可按下式确定: fck= 0 87fcuk( 2) 剪跨比 = 1. 5 的试件发生了剪切斜压破坏， 参照 混凝土规范普通混凝土梁斜截面强度计算公式为: Vu= 1 75 + 1 0 ftkbh0+ fyv Asv s h0( 3) 式中参数按混凝土规范选取。 参照文献 9 ， 再生混凝土的抗拉强度按下式 确定: ftk= 0 12fcuk( 4) 分别按式( 1) ， ( 3) 计算试件的极限承载力， 并 与试验实测值进行对比分析， 具体数值见表 4， 5。 由表可见: 试验实测值比理论计算值略大， 略偏于安 全; 但随着再生粗骨料取代率的增加， 这种强度富余 值逐渐变小， 若要使再生混凝土构件与普通混凝土 构件保持相同的可靠度水准， 结合试验实测数据， 建 议采用下式进行设计: 正截面承载力: M Mu( 5) 弯曲破坏试件计算值与实测值对比表 4 试件编号Mu c /( kNm)Mu t/( kNm) Mu t/M u c RACB- 127. 2334. 811. 28 RACB- 227. 2332. 211. 18 RACB- 327. 2331. 321. 15 备注 Mu t为实测值， M u c为计算值， 两者比值的均值约 为 1. 2， 标准差 0. 068， 变异系数 0. 057 剪切斜压破坏试件计算值与实测值对比表 5 试件编号Vu c /kNVu t/kN Vu t/V u c RACB- 4185. 50228. 381. 23 RACB- 5174. 70213. 151. 22 RACB- 6173. 60202. 491. 16 备注 Vu t为实测值， V u c为计算值， 两者比值的均值约 为 1. 2， 标准差 0. 037， 变异系数 0. 031 斜截面承载力: V Vu( 6) 式中: Mu， Vu分别为再生混凝土梁的抗弯和抗剪极 限承载力， 可分别按式( 1) ， ( 3) 计算; 为再生粗骨 料混凝土的强度折减系数， 再生粗骨料取代率为 0% 时， 取 = 1. 0， 再生粗骨料取代率为 100% 时， 取 = 0. 85， 中间线性插值。 4. 2 短期刚度计算 参照混凝土规范短期刚度的计算公式对再生梁 的短期刚度进行计算: BS= EsAsh2 0 1 15 + 0 2 + 6E/( 1 + 3 5f) ( 7) 式中参数按混凝土规范选取。 再生混凝土的弹性模量参照文献 10 ， 采用下 式确定: E = 13 100 + 370fcuk( 8) 6 根再生混凝土梁的短期刚度及挠度计算值与 实测值见表 6。由表可见: 取代率为 0% 的梁短期刚 度最大， 取代率为 50% 的梁次之， 取代率 100% 的梁 短期刚度最小， 利用式( 7) ， ( 8) 计算结果得到试件 的跨中挠度， 计算值均比实测值大， 换言之， 试件的 计算刚度比实测刚度小， 两者之间的差异均值为 9. 25% ， 标准差为 0. 019 8， 变异系数 0. 213 7， 总体 上变化不大， 因此再生钢筋混凝土梁可以近似利用 现行混凝土规范进行短期刚度及挠度计算。 试件短期刚度及挠度计算值与实测值对比表 6 试件 编号 弹性模 量 /MPa 短期刚度 /( 1011N /mm2) 计算挠 度 /mm 实测挠 度 /mm 误差 /% RACB- 1306. 226. 485. 919. 6 RACB- 2296. 146. 566. 136. 9 RACB- 3286. 106. 606. 186. 8 RACB- 4307. 754. 313. 929. 9 RACB- 5297. 404. 514. 0810. 8 RACB- 6287. 194. 644. 1711. 5 ( 下转第 9 页) 59 第 43 卷 第 9 期丁洁民， 等 上海中心大厦柔性悬挂式幕墙支撑结构分析与设计 置箱形限位牛腿， 环梁箱形牛腿伸入楼面限位牛腿 中， 并在环梁牛腿与楼面限位牛腿间设置滑板， 以便 环梁相对楼面上下、 前后滑动， 而在环向约束环梁的 位移。 ( 3) 底环梁竖向伸缩节点 每区最下方的环梁与楼面结构连接节点采用了 图 14 所示的竖向伸缩节点。该节点连接既能为环 梁提供侧向约束防止环梁在环向和径向产生较大变 形， 又能允许环梁与主楼之间相对自由滑动， 防止底 层玻璃板块和吊杆受压。为了防止环梁因温度作用 引起的膨胀或收缩阻碍竖向伸缩节点滑动， 同时在 底环梁中设置了伸缩缝 以 释放 环 梁 的 环 向 温 度 应力。 图 14竖向伸缩节点 4结语 上海中心大厦外幕墙为目前设计建造的最为复 杂的幕墙系统， 其螺旋上升的外幕墙形态赋予了整 个塔楼一个非常独特的标志性造型和立面形态。针 对这样复杂的幕墙系统， 通过全面、 深入地分析幕墙 系统与主体建筑结构的关系， 设计了一个刚度大、 传 力可靠、 结构轻巧的悬挂式幕墙支撑体系。为确保 幕墙系统能够顺利建造、 安全承载、 正常使用， 对整 个幕墙支撑体系进行了涵盖抗风、 抗震、 主体结构收 缩徐变、 温度作用、 施工过程影响等一系列的复杂分 析与计算。通过对幕墙支撑结构与主体结构连接节 点进行精细分析与设计研究， 保证了结构构造与理 论分析模型的一致性。 参考文献 1 丁洁民， 巢斯， 赵昕， 等 上海中心大厦结构分析中若干 关键问题J 建筑结构学报， 2010， 31( 6) :122- 131 2 Tomasetti Thornton 上海中心项目结构抗震专项审查报 告R 2009 3 DING J M，LI J P，HE Z J，et alDesign of flexible hanging curtain wall support structureC/ /The CTBUH 9th World Congress Shanghai:2012 4 胡殷， 何志军， 丁洁民 上海中心大厦幕墙支撑结构的 选型分析J 结构工程师，2011， 27( 5) :1- 5 ( 上接第 95 页) 5结论 ( 1) 钢筋再生混凝土梁与普通钢筋混凝土梁的 破坏过程类似， 经历了弹性、 开裂、 屈服和破坏四个 阶段。 ( 2) 根据剪跨比的不同， 钢筋再生混凝土梁呈 现两种不同的破坏形态， 剪跨比为 3. 2 时， 发生弯曲 破坏， 剪跨比为 1. 5 时， 发生剪切斜压破坏。 ( 3) 随着再生粗骨料取代率的增加， 试件的极 限承载力逐渐降低， 与天然骨料混凝土相比， 取代率 为 100% 的再生混凝土试件， 其极限承载力降低了 15% 。剪跨比对试件的极限承载力影响显著， 随着 剪跨比的增大， 极限承载力明显降低。 ( 4) 采用我国现行混凝土规范计算钢筋再生混 凝土梁的正截面和斜截面极限承载力， 计算值略小 于试验实测值; 采用我国现行混凝土规范计算钢筋 再生混凝土梁的挠度， 计算值略大于试验实测值。 参考文献 1 肖建庄， 李佳彬， 兰阳 再生混凝土技术最新研究进展 与评述J 混凝土， 2003( 10) : 17- 20， 57 2 HANSEN T CRecycling of demolished concrete and masonryM London:Spon Press， 1990 3 TOPCU IB Physicalandmechanicalpropertiesof concrete produced with waste concreteJ Cement and Concrete Research， 1997， 27( 12) : 1817- 1823 4 史巍， 候景鹏 再生混凝土技术及其配合比设计方法 J 建筑技术开发， 2001， 28( 8) : 18- 20 5 NIXON PJ Recycledconcreteasanaggregatefor concrete-a reviewJ Materials and Structures， 1978， 11 ( 5) : 371- 378 6 KHATIB J M Properties of concrete incorporation fine recycled aggregateJ Cement and Concrete Research， 2005， 35( 4) : 763- 769 7 屈志中 钢筋混凝土破坏及其利用技术的新动向 J 建筑技术， 2001， 32( 2) : 102- 104 8 GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2011 9 陈宗平， 余兴国， 柯晓军 再生混凝土抗折强度试验研 究J 混凝土， 2010( 6) : 58- 60， 120 10 DHIR R K，LIMBACHIYA M C Suitability of recycled aggregate for use in BS 5328 designated mixesJ Proceedings of the Institution of Civil Engineers，1999， 134( 3) :257- 2741 9