基于延性破壞準則的再生混凝土柱抗震性能研究

成勇龍,付 國,張愛軍,張 博

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,簡稱“再生混凝土”)作為一種綠色環保建材,能夠有效減少廢棄混凝土排放,減輕環境負荷,促進資源循環利用,受到國內外學者的廣泛關注[1-5],再生混凝土結構的抗震性能已逐漸成為了學術界和工程界的熱點研究方向[6]。白國良等[2]、尹海鵬等[7]、王社良等[8,10-11]和李曉芳等[9]完成了再生混凝土柱的擬靜力試驗,結果表明:隨著再生骨料取代率增加,試件初始剛度、承載力和滯回耗能均呈下降趨勢,但未能闡明再生骨料取代率與再生混凝土柱抗震性能之間的量化關系;SARIBAS等[3]、FAN等[12]和MA等[13]研究了再生骨料摻量對抗震性能退化的影響規律,結果表明:再生混凝土柱和普通混凝土柱的破壞過程及性能退化規律基本類似?，F有研究多根據模型試驗結果和滯回曲線、骨架曲線對再生混凝土柱抗震性能進行定性分析,而抗震性能量化和破壞準則研究等方面開展還很不充分,開展再生混凝土柱破壞準則研究對再生混凝土結構震后損傷破壞評估及工程抗震加固具有十分重要的意義。

破壞準則能夠準確定義和量化結構或構件的破壞程度[14],單參數破壞準則僅選取單一破壞指標不足以全面反映結構地震破壞規律和性能退化機理;Park-Ang雙參數破壞準則考慮了最大變形與累積滯回耗能對破壞的影響[15],在抗震性能量化研究中獲得廣泛應用;延性破壞準則充分考慮了變形能力強弱對破壞的影響[16],能較好地評估鋼筋混凝土柱在地震作用下的破壞程度。開展再生混凝土柱的破壞準則研究和分析再生骨料摻量變化導致的結構抗震性能退化差異現象,能夠更好地反映再生混凝土柱的破壞機理,從而建立合理的可應用于工程實踐的再生混凝土柱性能評價標準。

鑒于此,本文基于已有試驗數據驗證了Park-Ang雙參數破壞準則和延性破壞準則評估再生混凝土柱破壞的合理性;對再生混凝土柱的性能退化規律進行研究,重點分析再生骨料取代率、再生混凝土強度與破壞指數的關系,給出了考慮骨料取代率影響的再生混凝土柱破壞準則計算式。通過統計不同破壞程度下再生混凝土柱的破壞指數分布,建立再生混凝土柱的破壞量化標準,研究成果可為再生混凝土柱的抗震性能研究提供參考。

1 再生骨料混凝土柱破壞指數對比

1.1 模型試驗

對國內外學者完成的63根再生混凝土柱擬靜力試驗數據進行了計算分析,試件編號、再生骨料替代率和混凝土強度見表1,模型詳細信息及加載制度見對應文獻,再生骨料來源包括廢棄建筑和廢棄路基等,基體混凝土(指加工成再生粗骨料的原始混凝土)強度略大于對應再生混凝土設計強度。

表1 試件基本參數Table 1 Basic parameters of specimen

1.2 Park-Ang雙參數破壞準則和延性破壞準則

Park-Ang破壞準則定義結構的破壞由變形和累積耗能的共同作用引起[15],較好地考慮了首超破壞和累積損傷的影響,其數學表達式如下:

(1)

β=(-0.447+0.073λ+0.24n+0.314ρt)0.7ρω

(2)

式中:D為鋼筋混凝土柱的破壞指數,δm為加載過程中的最大變形,δu為單調加載下的極限變形,由文獻[17]建議公式計算得出,?dE為累積塑性耗能,Qy為屈服強度,β為組合系數,n為軸壓比,ρt為縱筋配筋率,ρω為體積配箍率。

延性破壞準則考慮了不同變形能力鋼筋混凝土柱抗震性能的差異[16],較好地解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規律,其計算式如下:

(3)

式中:μi為第i個加載幅值對應的延性系數,βi為μi對應的加載循環次數,μmax為單調加載下的延性系數,μmax=δu/δy,δy為鋼筋混凝土柱屈服位移。

1.3 破壞指數計算結果

由于再生骨料內部原始損傷以及新、老砂漿過渡區的影響,再生混凝土柱的延性、耗能能力和抗震性能較普通混凝土柱均有所降低[7, 26],但再生混凝土柱的破壞過程和性能退化規律與普通混凝土柱基本類似[27]。對表1中試件分別進行了Park準則和延性準則計算研究,破壞指數計算結果如圖1所示。

圖1 延性破壞準則與Park-Ang準則計算結果對比Fig. 1 Comparison between ductility failure criterionand Park-Ang criterion

由Park-Ang雙參數破壞準則計算得出的破壞指數DPark平均值2.219,標準差為0.663,高估了再生混凝土柱的破壞程度,計算結果表明由式(2)得出的組合參數β偏大,高估了再生混凝土柱滯回耗能對構件破壞的影響。根據文獻[28-29]研究成果,定義組合參數定值為0.05,調整后的Park-Ang破壞準則(β=0.05)計算結果如圖2所示,破壞指數DPark,0.05平均值1.065,標準差0.230,能夠較好地定義再生混凝土柱的破壞。

圖2 調整組合參數β后Park-Ang準則計算結果Fig. 2 Calculation results of Park-Ang criterion after adjusting the combination parameter β

由延性破壞準則計算得出的破壞指數D延平均值為0.916,標準差為0.342,延性破壞準則可以更好地實現再生混凝土柱的破壞量化研究。進一步研究表明柱承載力退化程度越大,破壞指數也越大,根據承載力退化幅值對最終破壞指數重新進行了計算。

當加載至破壞極限狀態時,41根再生混凝土柱承載力退化至峰值荷載的85%,15根柱承載力退化幅值未超過10%,7根柱承載力退化幅值超過20%。圖3是63根再生混凝土柱的承載力退化幅值統計圖,參考文獻[16]計算結果,定義承載力退化程度與承載力下降至峰值荷載85%時的破壞指數滿足式(4)。

圖3 承載力退化幅值統計結果Fig. 3 Statistical results of carrying capacity degradation amplitude

(4)

式中:d為承載力退化值,d=Pu/Pmax,Pu為極限荷載,Pmax為峰值荷載,D0.85為承載力退化至峰值荷載85%時結構的破壞指數。

按式(4)對承載力退化幅值小于10%和承載力退化幅值超過20%的部分再生混凝土柱破壞指數進行了計算,結果見表2。

表2 承載力退化幅值對破壞指數影響Table 2 Influence of carrying capacity degradation amplitude on the failure index

未考慮承載力退化的延性準則破壞指數平均值0.884,標準差0.399;統一承載力退化幅值后延性準則破壞指數平均值0.882,標準差0.365,承載力退化對延性破壞準則計算結果整體影響較小。但由表2可以看出:對部分試件,承載力退化對延性破壞準則評估再生混凝土柱破壞的影響不能忽略,統一承載力標準后的延性破壞準則更為合理,可避免因為不同組試驗承載力退化大小不統一導致計算結果離散性偏大。

2 改進延性破壞準則

2.1 再生骨料摻量與混凝土柱破壞關系分析

同天然骨料相比,再生骨料性能離散性和變異性、摻量多少對混凝土性能影響更為顯著[27],圖4是僅骨料取代率不同時再生混凝土柱的破壞曲線,其中黑、紅和藍分別對應再生骨料取代率為0、50%和100%時的破壞曲線。由圖4可知:隨著再生骨料摻量增加,再生混凝土柱破壞指數先變小后增大,表明再生骨料摻量的多少會對再生混凝土柱抗震性能產生不同影響。

注:(RCZ-3)-100-31.97表示:(試件編號)-再生骨料替代率/%-混凝土立方體抗壓強度平均值/MPa。

為了進一步研究再生骨料取代率對混凝土柱破壞的影響規律,將再生骨料取代率與混凝土強度、混凝土強度與破壞指數的關系曲線分布繪于圖5。

圖5 再生骨料取代率對混凝土柱破壞的影響規律Fig. 5 Influence of replacement rate of recycled aggregate on failure of concrete columns

考慮不同試驗組再生骨料來源不同,試驗方法和試件參數等均存在差異,分別計算再生骨料強度對應不同再生骨料取代率時的強度退化百分比,并對相同再生骨料取代率的不同試驗組混凝土強度退化值與破壞指數取平均值,減少初始混凝土強度和骨料取代率等離散性較高對計算結果的影響,使結論更合理。由圖5及不同試驗組混凝土強度退化百分比計算結果可知:隨著再生骨料取代率的增加,再生混凝土強度總體呈下降趨勢,兩者之間近似為線性關系;當再生骨料摻量低于30%時,對混凝土強度影響較小;當再生粗骨料取代率為100%時,混凝土強度約下降15%～25%,與文獻[30-32]研究結果基本吻合。再生混凝土柱破壞程度隨再生骨料摻量增加呈先減弱后增強的趨勢,對應破壞指數先下降后上升。再生混凝土柱抗震性能隨骨料取代率的增加存在一個逐漸增強到劣化的過程,主要原因如下:

1) 普通混凝土骨料與砂漿彈性模量相差較大,在漿-骨界面容易產生微裂縫形成薄弱面[33],而再生骨料表面包裹著水泥砂漿,新舊砂漿彈性模量相差不大,界面結合得到增強[34];再生骨料表面存在較多微裂縫,吸入新的水泥顆粒后接觸面增大、水化程度更充分,從而形成致密的界面結構,促使界面結合進一步加強[35],對改善再生混凝土性能具有一定幫助。

2) 同天然骨料相比,再生骨料的表面粗糙,棱角較多,與新水泥漿體的界面嚙合力更強[36],與鋼筋的摩阻力和機械咬合力更大,再生混凝土的粘聚性得到增強;而且再生骨料吸水率較大,能夠更好地吸收新拌漿體的多余水分,降低粗集料表面水灰比和再生混凝土有效水灰比,使得界面粘結性能增強[33]。

3) 當再生骨料取代率較大時,再生混凝土與鋼筋粘結性能有所削弱[37-39],骨料強度降低對再生混凝土性能劣化的影響不能忽視;再生混凝土內部界面過渡區、再生骨料初始損傷裂紋和骨料內部原始缺陷數量顯著增加,嚴重影響再生混凝土的力學性能。

當取代率較低時,摻入再生骨料后對混凝土性能的劣化影響程度較小,界面結合增強和粘結強度提高等性能優化因素占主導,總體表現為再生混凝土柱抗震性能提升,對應破壞指數減小;再生骨料取代率增加,骨料摻入對再生混凝土強度和力學性能劣化的影響居于主導地位,表現為再生混凝土柱抗震性能降低,對應破壞指數增大。

理論分析和破壞指數計算結果均表明:當再生骨料摻量在30%～50%范圍時,再生混凝土柱抗震性能最好。選取再生混凝土強度退化率為變量,回歸分析并得出破壞指數與再生混凝土強度退化值的量化關系,如式(5)和式(6):

(5)

(6)

式中:dfc為摻入再生骨料后混凝土強度退化百分比,fcu為混凝土立方體抗壓強度,fcu,i為再生骨料取代率為i時對應混凝土立方體抗壓強度,kfc為混凝土強度影響系數。

將式(5)帶入式(3),得到考慮混凝土強度影響后的改進延性破壞準則計算如式(7)。

(7)

2.2 改進延性破壞準則計算驗證

對因再生骨料取代率增加導致混凝土強度變化的30根柱試驗結果進行了計算研究,由Park-Ang破壞準則、延性破壞準則和改進延性破壞準則(統一按承載力退化至峰值荷載85%為極限狀態計算)計算得到的破壞指數見表3。

表3 破壞指數計算對比Table 3 Damage index calculation comparison

未考慮混凝土強度影響延性破壞準則破壞指數平均值0.879,標準差0.300,考慮混凝土強度影響的改進延性破壞準則破壞指數平均值0.983,標準差0.310,改進后的延性破壞準則可以更好的定義再生混凝土柱的破壞。表3中有幾組構件摻入再生骨料后混凝土強度退化百分比為負值,這是因為不同再生混凝土構件再生骨料來源不同,基體混凝土的強度等級、服役年限和使用部位等都會對再生混凝土的性能產生影響[5,40],品質越好的再生混凝土,其表面附著舊砂漿與內部初始缺陷越少,抗壓強度高于相同試驗條件下的普通混凝土;此外,由于再生骨料吸水性較強,在混凝土拌合物初期再生骨料能大量吸收新拌水泥漿體中的多余水分,既降低了粗骨料表面水灰比,同時由降低了混凝土拌合物中的有效水灰比,這對增強界面粘結和提高水泥石強度均十分有利[36]。

2.3 改進延性破壞準則試驗驗證

選取已完成的8根縮尺比為1∶2的再生混凝土柱低周反復加載試驗結果[41],進一步驗證改進延性破壞準則評估再生混凝土柱破壞的合理性。所有構件的截面尺寸均為250 mm×250 mm,柱身高度1650 mm,其它詳細參數見表4。

表4 試件基本信息及破壞指數計算結果對比Table 4 Comparison of calculation results of basic information and failure index of specimens

試驗所用再生粗骨料來源于某服役15 a的五層框架結構拆除的廢舊混凝土,基體混凝土強度為C30～C35。天然骨料采用人工碎石,細骨料采用級配良好的中粗河沙,試驗采用陜西“秦嶺”牌32.5R級普通硅酸鹽水泥,各試驗材料性能指標均滿足規范要求。

對上述8根再生混凝土柱分別進行了延性破壞準則、Park-Ang破壞準則(β=0.05)和改進延性破壞準則的計算研究,破壞指數計算結果見表4,各試件滯回曲線及破壞曲線如圖6所示。

圖6 各試件滯回曲線與破壞曲線Fig. 6 Hysteresis curve and damage curve of each specimen

試驗結果表明:再生骨料混凝土柱具有良好的耗能能力和抗震性能,經合理設計后可用于具體工程實際。當再生骨料取代率較低時,骨料摻入對混凝土柱破壞指數影響不大,隨著再生骨料取代率的增加,混凝土強度逐漸降低,破壞指數有先降低后升高趨勢,試驗結果與本文規律吻合較好。

隨著加載幅值的增加,混凝土柱的破壞程度和破壞速率逐漸加大,Park-Ang準則破壞曲線中段破壞速率較緩,前段與后段曲線增長速率較快;延性準則破壞曲線增長速率隨加載循環數增加而加快,與試驗現象吻合更好,較Park-Ang破壞準則可以更合理量化再生混凝土柱的破壞過程。破壞指數計算結果表明:改進延性準則破壞指數平均值為1.048,標準差為0.108,對各再生混凝土柱,改進延性準則破壞指數的計算結果更接近于1.0,與未改進延性破壞準則計算結果相比離散性更小。

3 再生混凝土柱性能水準

綜合再生混凝土柱試驗結果,參考《建(構)筑物地震破壞等級劃分》(GB/T 24335-2009)[42],將再生混凝土柱破壞過程劃分為4個階段,分別為:

1)輕微破壞:柱身裂縫數量不斷增加,混凝土有輕微剝落。

2)中等破壞:裂縫不斷發育并形成幾道貫通裂縫,柱腳出現細微豎向裂縫,混凝土保護層開始脫落。

3)嚴重破壞:主裂縫貫通柱身,柱腳混凝土壓碎脫落,混凝土保護層脫落嚴重。

4)失效/倒塌:混凝土嚴重脫落,鋼筋外露變形,承載力急劇下降。

考慮再生混凝土柱震損分級,綜合延性破壞準則破壞指數計算結果,給出包含詳細試驗描述的22根再生混凝土柱在不同階段臨界點破壞指數,列于表6中。

表6 再生混凝土柱破壞特征點Table 6 Failure characteristic points of recycled concrete columns

參考國內外學者給出的普通混凝土柱破壞標準和延性破壞準則破壞指數統計結果[43],給出適用于再生混凝土柱的延性準則破壞評價標準見表7。

表7 延性準則破壞評價標準Table 7 Damage evaluation standard of ductility criterion

與普通混凝土柱破壞標準相比,由于再生混凝土內部損傷以及界面過渡區的影響,裂縫的發育程度更充分,輕微破壞和中等破壞對應破壞指數較普通混凝土柱偏小;在破壞階段再生混凝土柱延性、滯回耗能和承載力等抗震性能指標均弱于普通混凝土柱,對應失效/倒塌破壞指數臨界值低于普通混凝土柱的1.0。

4 結論

本文對再生骨料混凝土柱的抗震性能進行了量化研究,重點分析了再生骨料取代率、混凝土強度與混凝土柱破壞指數之間的量化關系,得到以下結論:

1) Park-Ang雙參數破壞準則破壞指數平均值為2.219,標準差為0.663,其組合參數β高估了加載過程中耗能對再生混凝土柱損傷的貢獻程度,且對應破壞曲線前期與后期增長較快,中期增長較為緩慢,不符合混凝土柱隨加載幅值增大破壞程度和破壞速率逐漸加大的規律;當β取定值0.05時,對應破壞指數平均值為1.065,標準差為0.230,計算結果得到顯著改善。

2) 延性破壞準則考慮了不同變形能力構件抗震性能的差異,較好地解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規律,對應破壞指數平均值為0.916,標準差為0.342,且對應破壞曲線前期增長較慢,中后期增長較快,與混凝土柱破壞過程吻合較好,可更好實現對再生混凝土柱倒塌破壞量化研究。

3) 隨著再生骨料取代率的增加,混凝土強度逐漸降低,破壞指數呈先下降后上升的變化規律,改進后的延性破壞準則反映了混凝土強度與破壞指數的函數關系,解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規律,破壞指數計算結果更接近1.0,離散性更低。

4) 綜合再生混凝土柱的試驗現象與破壞指數分布規律,建議取破壞指數0.1、0.5和0.9分別為中等破壞、嚴重破壞和倒塌失效的臨界值,該破壞標準較好地考慮了再生混凝土柱的破壞特點,可用于再生混凝土柱抗震性能量化與評估。