关于采用螺旋箍柱和原钢筋梁的再生骨料混凝土框架的抗震性能的实验研究

《Journal of Building Engineering》:Experimental investigation on the seismic behavior of recycled aggregate concrete frames with spiral-stirrup columns and original reinforced beams

【字体: 时间:2026年02月18日 来源:Journal of Building Engineering 7.4

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  螺旋箍筋再生骨料混凝土框架的抗震性能研究通过设计制作两跨两层试件,结合低周反复荷载试验与有限元分析,发现螺旋箍筋在节点核心区和柱基区提供连续约束,有效抑制裂缝扩展和混凝土剥落,延缓塑性损伤发展,使框架在屈服后仍保持稳定承载力、完整滞回环和优异耗能能力。时程分析表明螺旋箍筋柱显著提升框架侧向刚度,层间位移角控制在规范限值内,最大顶点加速度随地震强度合理增长。研究成果为再生骨料混凝土结构抗震设计提供理论支撑。

  
徐瑞天|陈宗平|范宁|刘雪梅
广西大学土木工程与建筑学院,南宁,530004,中华人民共和国

摘要

为了研究螺旋箍筋对再生骨料混凝土(RAC)框架抗震性能的影响,基于原型工程结构设计并制作了一个由螺旋箍筋RAC柱和原始钢筋RAC梁组成的两层两跨框架。进行了低周反复加载试验和有限元模拟。实验研究了框架的破坏过程、滞回行为、承载能力、延性、能量耗散和刚度退化。此外,利用有限元分析探讨了不同结构参数和地面运动强度下框架的抗震响应。结果表明,柱子和节点核心区域采用的螺旋箍筋提供了连续且均匀的侧向约束,有效抑制了裂缝扩展和混凝土剥落,同时延缓了塑性损伤的发展。因此,框架在屈服后仍表现出稳定的承载能力、完整稳定的滞回循环以及增强的能量耗散和延性。时程分析进一步表明,螺旋箍筋柱的存在提高了框架在地震激励下的侧向刚度。最大层间位移比保持在规范限值以下,屋顶加速度峰值随地震强度增加而逐渐增大,但仍处于合理范围内。总体而言,该框架表现出令人满意的抗震性能。本研究的结果为RAC在抗震框架结构中的更广泛应用以及相关设计规范的完善提供了科学依据。

引言

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。

试件设计

试件设计

根据市政消防站办公楼的原型框架,按照GB 50010-2010 [18]标准设计了一个六层两跨钢筋混凝土空间框架结构,如图1所示。该设计属于抗震组I和场地类别II,地震强度为7°(0.15g)。框架的设计抗震类别为III级。设计荷载包括每平方米5.0千牛的楼面恒载、每平方米2.0千牛的活载以及梁线荷载

破坏过程

在低周反复加载下,试件表现出明显的分阶段破坏过程:
在初始加载阶段(位移比θ ≈ 1/400),顶层梁端首先出现了细小的垂直裂缝(长度约为40毫米),平均裂缝宽度约为0.05-0.10毫米,而顶层节点保持完好。在第一层,最早的裂缝出现在梁端,长度约为8厘米,第一层的节点和柱基均未受损。

再生骨料混凝土(RAC)

在本研究中,混凝土行为采用混凝土损伤塑性(CDP)方法进行建模。CDP模型的关键材料参数包括弹性模量(Ec)和泊松比(ν),对于未开裂和开裂的混凝土,ν均假设为0.2。形状参数(Kc)用于控制不同压缩和拉伸屈服应力对偏差屈服面的影响,设置为0.667,以满足凸性要求(0.5 ≤ Kc ≤ 1)[28]。塑性流动

结论

基于由螺旋箍筋RAC柱和原始钢筋RAC梁组成的两层两跨框架的抗震性能测试和有限元时程分析,可以得出以下结论。
  • 在低周循环加载下,两层两跨螺旋箍筋RAC框架表现出延性弯曲破坏。边缘节点的损伤较小,塑性铰链主要形成在梁端。尽管中间节点和柱基也受到
  • 作者贡献声明

    徐瑞天:撰写——原始草稿、软件编写、形式分析、概念构思。陈宗平:监督、资金获取、概念构思。范宁:形式分析。刘雪梅:撰写——审阅与编辑、监督。

    利益冲突声明

    作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
    然而,我们想披露刘雪梅副教授是《建筑工程杂志》的副主编。本手稿的编辑过程由其他编辑独立处理,以确保公平性和公正性。

    致谢

    作者感谢国家自然科学基金(52568022)、技术开发基金广西重点项目(Guike AB25069179)以及广西大学的学科建设对口援助项目(资助编号2023N01)提供的财政支持。
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