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再生骨料混凝土框架内外梁柱节点的抗震性能研究
摘要：强震引起的钢筋混凝土框架结构梁柱节点的破坏会导致建筑物倒塌。因此，对天然骨料混凝土（NAC）制成的梁柱节点进行了大量的实验研究。但是，仅仅对再生骨料（RAC）梁柱节点进行了一些实验测试。本文对各种类型的RAC梁柱节点的抗震性能进行了实验研究。在准静态循环载荷下测试了一系列的五个RAC梁柱节点标本，包括三个内部节点和两个外部节点，并根据强度，刚度，累积能量耗散，阻尼比和损伤指数评估了它们的行为。在不同的荷载步骤，研究了节理形式、轴向压缩柱、节点板箍筋率、纵向配筋率等因素对钢筋混凝土节点抗震性能的影响。通过试验抗剪强度值与分析结果的对比，验证了不同建筑规范所提出的钢筋混凝土节点抗剪强度模型预测钢筋混凝土节点抗剪强度的有效性
作者关键词：再生混凝土；延展性；抗震性能；梁柱节点；抗剪强度。
介绍
许多国家已将由建筑，道路或公用事业的建造，改建或拆除等活动产生的建筑和拆除废物（CDW）列为优先废弃物流。它可能导致许多严重的环境问题，例如用于处置CDW的垃圾填埋场的短缺和对环境的不利影响；同时，随着城市化进程的加剧，天然骨料（NA）的消耗量猛增，石材岩或石资源的短缺。由于废弃混凝土占CDW的大部分，因此在新建建筑中将粉碎的废弃混凝土作为骨料再利用可以节省垃圾掩埋空间，并抵消与原始资源的开采和消耗以及新材料的生产相关的环境影响。因此，可以通过减少采购和处置成本来降低项目的总费用。
再生骨料混凝土（RAC）具有很高的潜力，正在吸引更多研究人员的注意。在过去的十年中，已经对RAC的机械性能和耐用性进行了广泛的实验研究。这些实验研究的结果表明，RAC在许多方面通常不如天然骨料混凝土（NAC），例如强度，弹性模量和耐久性降低，以及收缩/蠕变的增加，这主要归因于残留的砂浆附着在混凝土上。再生骨料以及新砂浆和RA之间的脆弱界面过渡带（ITZ）。此外，一些研究人员评估了各种RAC构件的静力和抗震性能，包括RAC梁，RAC柱和RAC剪力墙。尤其是研究了RAC框架的抗震性能，并进行了全尺寸RAC结构的受弯性能和动力特性。结果表明，RAC适合大多数结构应用。
由于梁柱节点是钢筋混凝土框架中相邻梁和柱之间传递荷载的关键组件，因此框架的性能不仅与结构构件相关，而且与梁柱节点的完整性有关。但是，关于RAC梁柱节点的抗震性能的报告和测试结果非常有限。Corinaldesi和Moriconi进行了实验研究，调查和比较由RAC或NAC制成的梁柱节点的延性。结果表明，在RAC接头的结构设计中应采取一些措施可以获得更好的延展性。但是，当使用改性粉煤灰的RAC时，可以获得与NAC接头几乎相同的机械性能。 Corinaldesi等人进行了一个涉及RAC梁柱节点的实验，以研究其抗震性能并评估一些参数（例如，开裂模式、所提供和耗散的能量、延性和设计值）。测试结果表明，由具有30％的细砾石替代率RAC制成的梁柱节点可以实现良好的结构性能。Xiao等人提出了预制RAC接头（即焊接钢筋，梁钢筋接头和柱钢筋接头）的不同组装方法，并研究了其抗震性能。他们的研究表明了在预制混凝土结构中使用RAC的积极结果。 Gonzalez和Moriconi研究了用RA部分替代粗骨料对RAC梁柱节点的抗震性能的影响，通过合理的设计发现用RC中的RA替代30％的粗骨料可用于抗震结构设计的策略是合理可行的。Xiao对3个1：2比例的不同RCA替换（0％、50％和100％）的接缝进行了测试，发现测试的RAC接缝的抗震性能比常规混凝土的接缝略低。还对各种钢-RAC复合接头进行了一些实验测试。测试结果表明，RAC试样的抗震性能略弱于NAC试样。先前研究中报告的所有经过测试的RAC梁柱节点均为外部梁柱节点，除了少数钢-RAC复合节点。
自20世纪60年代中期以来，在钢筋混凝土框架中承受周期性荷载的梁柱节点的试验测试和分析研究一直在增加。全世界已经对800多种由常规混凝土制成的梁柱节点进行了测试，这些测试结果为当前的设计规范提供了许多设计建议。但是，对RAC梁柱节点的抗震性能的研究和了解相对有限。不仅测试了较少的试件，而且还没有研究各种参数对RAC接头抗震性能的影响。此外，文献中报告的大多数经过测试的RAC梁柱节点是外部梁柱节点。对RAC内部梁柱节点的研究很少。本研究调查了用100％粗骨料替代的RAC制成的不同类型的梁柱节点的抗震性能。评估了不同破坏模式的影响以及不同参数对地震性能的影响。此外，分析了RAC梁柱接头的抗剪强度，并验证了一些现行设计规范对RAC接头抗剪强度的估算的适用性。
测试程序
材料和性能
图1为从拆除后的混凝土路面施工中获得的再生骨料的颗粒形状和表面纹理。 本研究中使用的再生骨料使用洗石机进行了预处理以去除任何污染物。 本次调查中使用的细骨料为0-5毫米等级的河砂，而再生粗骨料具有从6到32毫米的连续级配。通过筛分分析测得细骨料和再生粗骨料的颗粒分布与ASTM C33要求进行了比较[图2（a和b）]。粒度分布曲线表明，本研究中使用的细骨料和粗骨料均具有良好的级配性，并符合ASTM标准。
图1.本研究中使用的再生骨料
图2.（a）细骨料的粒度分布；（b）回收的粗骨料
本研究使用波特兰粒状高炉渣水泥[P.S 32.5（江苏元荣水泥）]，其主要化学成分如下：，21.5%；，5.2%；，2.9%；，63.1%；，2.1%；，5.2%。水泥的比重为3.15，比表面积为0.35，灼烧损失为0.24%。 表1列出了在该实验中用作纵向或横向钢筋的力学性能（即屈服应力、极限应力、杨氏模量和断裂伸长率）。本研究中使用的混凝土水胶比为0.42，28天RAC立方体的抗压强度为36.5MPa。
表1.钢筋的机械性能
试样
大多数钢筋混凝土框架是空间结构，由通过节理连接的梁和柱组成。通常可以将空间钢筋混凝土框架可视化为纵向或横向平面内框架的组合，这些框架根据运动方向由耦合梁连接。图3显示了中间层两种类型的面内几何钢筋混凝土梁-柱节点：一种称为内部节点，包括两根纵梁和一根连续的柱；另一种是只有一根纵梁和一根连续柱的接头，通常称为外部接头。
图3.钢筋混凝土框架中的典型内部和外部接头
实验对五个2：3比例的构件进行了研究，其中包括三个内部节点构件（IJ-1，IJ-2和IJ-3）和两个外部节点构件（EJ-1和EJ-2），构件分别在循环载荷下测试和制作。 这些样品代表从中高层框架建筑中取出的内部/外部梁柱组合构件的一部分，内部和外部节点样品的尺寸和加固细节在图4和表2中给出。在每个测试样品中，柱长度为2000mm，截面为300mm的正方形，而纵梁的矩形截面为200times;350mm，从柱的表面到自由端的长度为1500mm。所有测试的梁柱节点构件都是根据当前设计规范要求的强柱弱梁概念设计的，以避免柱中出现弯曲铰接。各类型的试样中的变量都相同。
图4.钢筋细节和应变仪布置：（a）内部接头；（b）外部接头
表2.试样的详细信息
内部节点样品的所有柱子均由六根直径为20mm（D20）的纵向钢筋穿过节点进行了加固，横向钢筋的直径为6mm，间距为100mm（D6@100mm）。试件IJ-1的横梁在顶部和底部分别设计了具有两根16mm（D16）的钢筋，而在构件IJ-2和IJ-3中使用了三根18mm（D18）的钢筋。
对于外部节点，试样EJ-1的柱子采用六根D20纵向钢筋进行了加固，而横向钢筋的直径为6mm，间距为60mm（D6@60mm）。而试件EJ-2采用了六根D16纵向钢筋和D6@100mm横向钢筋加固。试件EJ-1和EJ-2梁的顶部和底部钢筋分别为三根直径22mm（D22）和三根D16。
测试设置和测量
梁柱节点的加载方法通常可以概括为以下两种方法之一：柱端加载（CL方法）或梁端加载（BL方法）。本研究采用BL法。测试装置和测试现场照片的示意图分别如图5（a和b）所示。将构件置于测试装置中，该装置主要由固定在坚固地板上的两个反力框架组成。将节点构件的柱顶部和底部横向固定到由平面外撑杆支撑的反力框架上，并在底部用滚轮支架支撑。一个液压千斤顶和两个垂直液压致动器连接到另一个反作用框架的十字头。柱顶顶部的恒轴向荷载从液压千斤顶通过球形阀座传递，并由测压传感器进行监控。使用两个垂直液压致动器，将两个大小相等但方向相反的平行力/位移施加到内部节点样品的两端。然而外部节点样本只有一个侧梁被加载。
图5.测试装置：（a）测试装置示意图；（b）测试现场照片
在开始测试之前，调整施加在柱子上的轴向荷载以使轴压比（）达到特定值，然后使其保持恒定。在整个测试过程中，连续监测柱的轴向荷载并保持恒定。这是通过在检测到任何较低的轴向荷载后立即调节液压千斤顶的油压来实现的。试件受到逐渐增加的准静态反向循环载荷。在这项研究中采用的加载程序是混合载荷-位移控制模式（图6）。 最初的几个荷载循环都具有荷载控制功能，直到纵向钢筋屈服为止。之后切换为位移控制的模式。每个加载步骤重复3次，然后以5mm的位移增量增加到下一个负载步骤，直到荷载降低到峰值的50%。
图6.混合负载-位移控制的加载程序
实验结果与讨论
在本节中，基于测试结果，研究了用100%RA代替原始骨料制成的内部和外部节点试件的抗震性能。检查每个试件的破坏模式和一些地震性能参数（例如，滞回、延性、能量耗散和刚度退化等），并将其与其他试件进行比较。此外，使用Park和Ang的损伤指数模型评估了循环载荷引起的每个节点试件的损伤。
一般观察和失效模式
每个样品在峰值载荷和试验结束时的裂纹模式分别如图7（a和b）。在测试中观察到的失败模式可以分为以下三种类型：
失效模式1：在节点核心处出现对角裂纹，然后将核心区域分成几个小区域。 当试件承受失效荷载时，这些区域的混凝土被压碎，接头核心的箍筋屈服并向外弯曲。
失效模式2：梁的端部发生弯曲裂纹，主要的弯曲裂纹扩展到整个截面。梁的纵向钢筋屈服，并在失效前在梁端形成塑性铰。
失效模式3：试件在混合模式下失效，该模式结合了上述两种失效模式的不同失败特征。试件表现出剪切和弯曲破坏固有的典型裂纹模式。裂纹从梁的末端开始，并横跨整个梁截面，然后在对角线方向的连接板上产生裂纹。在测试过程中，梁的纵筋中观察到明显的粘结滑动变形。
图7.（a）屈服载荷下观察到的裂纹模式；（b）最高负荷；（c）测试结束
样本IJ-1
首先在梁的顶部和底部开始出现几个可见的弯曲裂纹。之后，当试样加载到峰值荷载的约64%时，观察到了连接面板的斜裂缝和梁-节点界面的裂缝。随着施加荷载的增加，梁中的挠曲裂纹迅速传播，梁-节点间的裂纹扩展，但节点面板中对角裂纹没有进一步的传播。当施加的载荷增加到峰值荷载的75%时，梁中的纵向钢筋开始屈服，挠曲裂缝迅速延伸到梁端的整个截面。随着进一步周期性载荷的增大，节点面板中的主要对角裂缝扩大并连接在一起。在随后的加载循环中，纵向钢筋在一定程度上从接头核心拉出，这清楚地表明了粘结滑移。试样IJ-1失效后如图8（a）所示。IJ-1样本通常由于节点板的剪切破坏和梁中纵向钢筋的屈服共同作用而失效，可以归类为失效模式3。
样本IJ-2和IJ-3
在试样IJ-2中，弯曲和剪切裂纹首先出现在梁的端部，随后在对应荷载约为峰值荷载的52%的情况下，在节点面板中观察到细微的接缝核心裂纹。 随着施加荷载的增加，节点面板中的对角裂纹变得越来越宽和更长，并且出现了更多的新接头核心裂纹。随后，在施加的荷载超过峰值荷载的约79%之后，在节点板上形成了X形的主要对角裂纹。在形成X形主要对角裂纹之前，梁中存在的裂纹随着施加载荷的增加而进一步传播，但在梁中出现的新裂纹有限。在随后的位移为80mm的加载中，观察到向外的箍筋和接缝板上的混凝土碎裂。
IJ-3样本的失效过程与IJ-2样本相似
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