随着城市更新和基础设施重建的加速,产生了大量的建筑废弃物,其中废混凝土占最大比例。再生骨料混凝土(RAC)通过粉碎废混凝土获得再生骨料作为天然骨料的部分替代品,为缓解资源枯竭和环境压力提供了一种有效方法。作为一种可持续材料,RAC已成为建筑废弃物回收和再利用的重要途径[[1], [2], [3]]。然而,由于再生骨料本身的缺陷和高孔隙率,RAC的力学性能和耐久性通常不如传统混凝土,这在一定程度上限制了其在抗震结构中的应用[4,5]。因此,在确保结构安全的同时提高RAC框架结构的抗震性能已成为一个紧迫的挑战。
近年来,全球范围内进行了大量研究来评估RAC结构的抗震性能。Xiao等人[[6], [7], [8], [9]]对RAC框架进行了低周反复加载试验,并报告称,在适当的设计条件下,其延性和能量耗散能力可与普通混凝土框架相媲美。Khan等人[10]通过拟动力试验进一步研究了单层单跨RAC框架的抗震响应。中国学者也对RAC框架的滞回行为、刚度退化、能量耗散和破坏机制进行了系统的实验和数值研究[[11], [12], [13]]。这些研究总体上表明,RAC框架在结构层面上可以达到与普通混凝土框架相似的抗震性能。然而,大多数研究采用传统的矩形箍筋,并关注RAC框架的整体响应,而先进约束配置在提高抗震性能方面的潜力尚未得到充分探索。
为了解决这一局限性,一些研究人员将新型侧向约束配置(如螺旋箍筋)引入RAC构件中,以提高其力学性能[[14], [15], [16], [17]]。由于螺旋箍筋具有连续的环向约束作用,已被证明能有效改善传统构件中核心混凝土的抗压性能和延性。现有的关于螺旋箍筋RAC的研究主要集中在受轴向或复合加载的孤立结构构件上,展示了增强的强度、变形能力和峰值后的行为。然而,大多数现有研究主要关注单个构件,如柱子或节点。包含螺旋箍筋RAC柱的框架系统的抗震性能,特别是柱子和梁之间的相互作用以及结构层面的损伤重分布,仍不够清楚。
总体而言,目前关于螺旋箍筋RAC的研究主要集中在构件层面,而传统的矩形箍筋仍被广泛用于RAC框架系统。关于全尺寸、多跨RAC框架在低周反复加载下的实验研究很少,螺旋约束在提高延性、能量耗散和破坏机制方面的作用尚未得到全面评估。此外,实验研究与数值研究的结合不足,特别是在反映实际地震激励下框架动态响应的时程分析方面。具体来说,缺乏同时评估RAC框架系统滞回行为、破坏演变和动态抗震响应的集成实验-数值研究。这些研究空白阻碍了螺旋箍筋RAC框架在地震区域的更广泛应用。特别是,现有研究在RAC柱中的螺旋约束如何影响损伤重分布、层间变形需求和框架层面抗震响应方面的系统级证据有限。
在此背景下,本研究聚焦于一个由螺旋箍筋RAC柱和原始钢筋RAC梁组成的两层两跨框架。进行了全面的实验和数值研究。首先进行了低周反复加载试验,以获得滞回曲线、强度和延性指标、刚度退化及能量耗散特性,并明确破坏机制。随后开发了一个有限元(FE)模型,并根据实验结果进行了验证。然后进行了动态时程分析,以模拟框架在真实地面运动下的抗震响应。与现有研究相比,本工作的创新之处在于:(i)将螺旋约束从孤立的RAC构件扩展到整个框架结构系统;(ii)实验揭示了多跨螺旋箍筋RAC框架的抗震行为、损伤演变和破坏机制;(iii)建立了一个经过验证的实验-数值框架,以评估准静态和动态抗震响应。通过采用代表典型低层RAC框架建筑的两层两跨子结构,本研究能够研究直接与抗震设计和性能评估相关的层间位移分布和损伤演变。需要注意的是,实验程序是在没有物理测试的传统箍筋框架作为直接对照样本的情况下进行的。因此,与普通RAC框架的比较主要是基于文献中报告的代表性结果进行的定性比较,而不是通过严格控制的并行实验。尽管存在这一局限性,这些贡献明确填补了构件层面螺旋约束研究和RAC框架系统层面抗震性能评估之间的研究空白。结果展示了所测试的螺旋箍筋RAC框架的抗震响应特性,与以往研究中观察到的总体趋势相比具有优势,但需要在未来的工作中通过受控的对比实验进一步验证。这些发现旨在提供螺旋箍筋RAC框架抗震性能的全面评估,并为RAC在抗震结构中的更广泛应用以及相关设计规范的完善提供科学依据。