普通RAC及EC-RAC框架结构抗震性能试验研究

发布时间：2019-12-01 11:18

【摘要】：随着我国城市化进程的日益加快，由于建筑垃圾所造成的城市污染也日趋严重，而再生混凝土（RAC）作为一种能够有效利用建筑垃圾的新型建筑材料，符合我国节能减排和可持续发展的国家战略，同时也是一种能够节约不可再生资源、改善城市环境、推进并发展循环经济的有效途径。然而由于地域性差异，各地区建筑垃圾来源不尽相同，导致所制备的普通RAC物理力学性能差异较大，加之目前对于普通RAC的研究成果均表明其抗裂能力和延性较差，故本文主要针对西安地区的地域特点，在对不同类别废旧混凝土调研基础上，采用人工破碎、机械破碎、清洗、筛分等加工处理方法，制备了3种不同来源、不同服役寿命的再生混凝土骨料和普通RAC试块，并进行了相应的力学性能研究。随后，基于性能增强需要，采用4种不同再生纤维，即聚丙烯三枝抗老化网状纤维（PPF-1）、改性聚丙烯（粗）TANK纤维（PPF-2）、子午线钢丝纤维（RSF-1）和尼龙纤维（RNF-2）等，并将其进行一元、二元、三元混杂后掺入普通RAC中，制备了相应的性能增强再生混凝土（EC-RAC）材料，同时进行了相应的力学性能研究，对比分析了其性能增强效果。接着，文中还以上述普通RAC和EC-RAC材性试验为基础，分别设计制作了1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC受弯构件以及1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC柱，并进行了相应的抗震性能试验。最后，文中还设计制作了1个缩尺比例为1：4的含有多种类型的普通RAC和EC-RAC构件的框架结构试验模型，进行了模拟地震振动台试验研究，得出了一些具有创新意义的研究成果。本文的主要研究工作如下： （1）收集3种不同来源和不同服役寿命的建筑垃圾，通过破碎、清洗、筛分等方法，制备了40组再生粗骨料和12组再生细骨料，进行了相应的颗粒级配、表观密度、孔隙率、含水率、含泥量、气干及饱和面干状态下的压碎值指标等物理力学性能试验，计算了颗粒不均匀系数与曲率系数，评价了再生骨料级配不均匀性、表观密度和孔隙率等性能指标。结果表明，文中制备的再生混凝土骨料级配良好，能够用于再生混凝土材料的制备。 （2）采用文中制备的再生粗骨料，考虑不同再生骨料取代率，根据现有普通混凝土配合比设计方法，经现场试配和调整等，确定了文中普通RAC配合比，并制备了91组共273个普通RAC试块，进行了抗压、劈裂抗拉、抗折及变形性能等力学性能试验，建立了再生骨料取代率r与f c/f cu的计算公式以及f cu与f c的换算关系、劈拉强度与立方体抗压强度的换算关系、抗折强度与立方体抗压强度的换算关系、弹性模量与立方体抗压强度的计算公式、峰值应变与轴心抗压强度的计算公式、普通RAC应力-应变曲线与取代率r之间的计算公式等，为进一步研究提供了依据。 （3）采用PPF-1、PPF-2、RSF-1和RNF-2等4种不同再生纤维，分别在再生骨料取代率为0%、30%和50%的普通RAC基础上，掺入单一纤维，二元混杂纤维和三元混杂纤维，制备了150组共450个EC-RAC试块，进行了EC-RAC材料的力学性能试验研究，探讨了不同种类纤维及其掺入量等对普通RAC强度和变形性能的影响，分析了EC-RAC的各强度指标、峰值应变和弹性模量以及比普通RAC的增强效果，建立了在不同取代率（0%、30%和50%）下，单掺、二元、三元混杂纤维后所得EC-RAC受压时的应力-应变方程。 （4）根据前述材性试验结果，考虑不同再生骨料取代率和不同混杂纤维掺量，研究了其对于受弯构件承载力及变形性能的影响。本文设计并制作了缩尺比例均为1：2的1根普通混凝土受弯构件、3根普通RAC受弯构件和2根EC-RAC受弯构件试验模型，进行了相应的静力加载试验研究，探讨了试验过程中各受弯构件的破坏规律和破坏特征，对比分析了试验所得各受弯构件的开裂弯矩、极限承载力和跨中变形等，确定了各特征值随再生骨料取代率和不同混杂纤维掺量的变化规律，特别是混杂纤维掺量对普通RAC受弯构件承载力和变形性能的影响；通过试验所得结果，利用最小二乘法进行了内力臂系数η、截面弹塑性抵抗矩系数ζ和钢筋应变不均匀性系数公式的拟合，建立了适用于RAC受弯构件的短期刚度计算公式，同时计算了正常使用状态下的梁的挠度值。最后，将ABAQUS有限元软件模拟结果与试验结果进行了比较，两者吻合较好。 （5）考虑不同再生骨料取代率和不同混杂纤维掺量等因素，设计并制作了缩尺比例均为1：2的1根普通混凝土柱、3根普通RAC柱和2根EC-RAC柱试验模型，同时进行了相应的低周反复加载试验，探讨了各柱试验模型的破坏过程及特征，分析了其承载力、滞回曲线、骨架曲线、延性和耗能能力等抗震性能指标及其相应的变化规律，特别是混杂纤维掺量对普通RAC柱承载力和抗震性能的影响。通过对试验数据的分析与拟合，建立了适用于普通RAC和EC-RAC柱的三折线型P-Δ恢复力模型，同时拟合了正反向加卸载各阶段的刚度退化公式。利用所建立的恢复力模型，分析了各柱相应的滞回曲线和骨架曲线，最后采用ABAQUS有限元软件，对各柱在低周反复荷载下的滞回性能进行了模拟，得到了相应的滞回曲线和骨架曲线，并与试验结果进行了对比，二者吻合较好，上述结果表明文中建立的恢复力模型和有限元分析结果可靠，可用于这类构件的抗震性能分析。 （6）根据试验模型相似理论，以某3层实际框架结构为原型，设计并制作了1个缩尺比例为1：4的3层单跨框架结构试验模型。为了有效对比不同取代率和不同纤维掺量对于RAC梁、柱构件的抗震性能的影响，对框架模型结构中的梁、柱采用了多种类RAC进行浇筑。进行模型结构的模拟地震振动台试验时，各工况开始前、后均采用白噪声扫频，以测试模型结构的自振特性；然后按照地震烈度从小到大的顺序，分别进行EL Centro波、Taft波、兰州波（人工波）的单向、双向输入下的模拟地震振动台试验，，从而考察了模型结构在各工况下的震害特点和规律，同时测试了其相应各层的加速度和位移响应，求解了模型结构的加速度幅值、位移幅值、层间位移幅值和层间位移角等，对比分析了普通RAC和EC-RAC框架结构的抗震性能。 （7）根据白噪声扫频结果，利用MATLAB编程，计算了模型结构在各工况后的自振特性，并根据所求层间位移角，同时参考试验现象，提出了普通RAC和EC-RAC框架结构破损等级的5级初步划分标准；利用整体结构在试验各阶段计算所得频率和阻尼比，考虑结构X、Y方向不同刚度、结构振型数量、结构形式以及自振频率测试方法等影响，建立了适用于普通RAC和EC-RAC框架整体结构的损伤模型；根据各工况后普通RAC和EC-RAC框架结构计算所得的损伤指标以及相应的台面加速度峰值，拟合了方便实用的框架结构快速评定结构损伤指标的计算公式；基于上述损伤模型，计算了各试验工况后模型结构的损伤指标，结合上述破损等级的5级初步划分标准，建立了普通RAC和EC-RAC框架结构破损程度的综合评定标准；利用ANSYS有限元软件，对该模型结构进行了X向主输入的双向地震作用下的有限元模拟，并与试验结果进行了对比，两者较为吻合，因此可用有限元软件分析这类结构的抗震性能。 研究结果表明，文中提出的再生骨料、普通RAC和EC-RAC的制备方法有效可靠，所建立的力学性能计算公式和本构关系与试验结果吻合良好，梁、柱构件及框架结构的抗震性能均能够满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等规范的要求，特别是混杂纤维的掺入能够有效地增强材料和构件的抗裂性能及延性，提高框架结构的整体抗震性能，减小地震灾害的影响，同时相应的制备技术、本构关系、恢复力模型、结构损伤综合评定标准等均可为工程应用时提供必要的技术参考。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU352.11


本文编号：2568339