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地球工程与工程振动（2013）12:669-680 DOI:10.1007/s11803-013-0205-x
再生骨料混凝土框架结构地震反应研究
王长庆1，3～；肖建庄1，2～；
1. 同济大学建筑工程系，上海200092，中国。
2．同济大学土木工程减灾国家重点实验室，上海200092，中国。
3．南阳师范大学土木工程与建筑学院，南阳473000。
文摘：通过六自由度三维振动台试验，得到了再生混凝土框架的地震反应。分析结果表明，在相同的地震波作用下，最大层剪力和倾覆力矩沿模型高度呈比例减小。随着加速度幅值的增大，结构的层间剪力、基底剪力系数和倾覆力矩逐渐增大。基底剪切系数主要由峰值地面加速度（PGA）控制。通过数学拟合得到了PGA与剪切系数、PGA与动态放大系数的关系。动态放大系数在弹塑性阶段迅速减小，但随着弹塑性阶段的发展而缓慢减小。结果表明，与天然骨料混凝土框架结构相比，RAC框架结构具有合理的变形能力。RAC框架模型在频繁和罕有强度8个试验阶段的最大层间位移比分别为1/266和1/29，比中国抗震设计要求的允许值大1/500和1/50。然而，RAC框架结构在PGAs从0.066g到1.170g的基础激励下不会倒塌。
关键词：再生混凝土；框架结构；地震反应；剪切系数；动力放大系数
1.导言
最初，建筑垃圾的回收是在德国第二次世界大战后首次进行的（Khalaf和DeV-enny，2004）。从那时起，大量的研究工作开始进行，以重新利用建筑垃圾作为新混凝土的组成部分。以往的研究主要涉及拆除混凝土的处理、混合料设计、物理力学性能和耐久性改善。尼克松（1978）、汉森（1986、1992）、ACI555报告（2002）和肖等人对这些成就进行了广泛的回顾和总结。（2006年a）。结果表明，再生骨料混凝土（RAC）的某些力学性能总体上可能低于普通混凝土，但它在土木工程中的实际应用仍然是足够的。近年来，人们对RAC构件的力学性能和抗震性能进行了大量的研究（Xiao等人，2012a）。例如，RAC梁的剪切性能（Han等人，2001；Etxeberria等人，2007；Fathifazl等人，2010），RAC梁的外围性能（Fathifazl等人，2009），RAC梁和柱的承载力和变形能力（Ajdukiewicz和Kliszczewicz，2007），以及梁柱节点的抗震性能对循环荷载作用下的RAC材料（Corinaldesi和Moriconi，2006；Xiao等人，2010）进行了研究和分析。为了推广RAC结构，需要对其抗震性能进行研究。目前，国内外文献对钢筋混凝土平面框架结构的抗震性能进行了研究和探讨。肖等人。（2006b）对4个1/2缩尺RAC框架结构进行了低频循环侧向荷载作用下的地震试验，试验结果表明，随着再生粗骨料（RCA）替代率的增加，RAC框架结构的整体抗震性能下降。Min等人。（2011）完成了两个RCA框架的低周反复侧向荷载试验，RCA替换为
函电：中国上海同济大学建筑工程系肖建庄，邮编：200092，
电话： 86-21-65982787；
传真： 86-21-65986345，
邮箱：jzx@Tongji.edu.cn
trade;助理教授；Dagger;教授
资助单位：中国国家科技支柱计划2008BAK48B03重点项目国家自然科学基金第51178340号
资助项目于2012年9月12日到2013年5月21日。
分别为25%和50%，发现RAC框架具有可接受的抗震性能。此外，曹等人。（2011）对两个1/2.5比例的两层RAC框架在低周反复荷载作用下的抗震性能进行了对比研究，发现RAC框架的承载力与传统混凝土框架相似。然而，据作者所知，对三维RAC框架结构地震反应的研究并不多见。为此，本文设计了一个RAC空间框架结构的振动台试验模型。在振动台试验的基础上，通过白噪声试验评价了模型的动力特性。对加速度响应、地震力响应、层间剪力、基底倾覆力矩以及基底激励下的位移响应进行了分析和讨论，给出了不同pga下剪力系数、基底剪力和基底剪力倾覆力矩的计算公式。根据荷载-变形曲线，对RAC框架结构的位移延性进行了分析和讨论。
2研究意义
本文对再生骨料混凝土框架结构的抗震性能进行了试验研究。地震反应表明，RAC框架模型结构设计合理，满足我国结构抗震要求，再生骨料混凝土结构与天然骨料混凝土结构的变形能力非常相似。研究RAC框架结构的地震反应，为进一步应用RAC技术在废弃混凝土再生利用中提供了重要的技术支撑和理论基础。
3 RAC框架模型的设计与构建
3.1相似律
该模型是通过缩小原型结构的几何和材料特性来设计的。从尺度理论出发，建立了基本的模型相似规则（Sedov，1982；Zhang，1997）。在综合考虑振动台、施工条件、起重机起重能力等因素的基础上，将RAC框架模型的尺寸换算参数取为1:4。根据最终相似标度关系设计了测试程序。肖等人给出了主要的标度参数。（2012年b）。
3.2材料
研究中使用了28天标称抗压强度等级为42.5兆帕的普通硅酸盐水泥。骨料为河砂，粒径为0.05-5mm。应用的粗骨料为粒径为5–10 mm的再生粗骨料（RCA）。由于再生粗集料的高吸水性，使用的再生骨料在混合前用附加水预处理。根据饱和表面干燥条件，计算再生集料的预筛水量。再生混凝土配合比的标称强度等级为C30，坍落度值在180-200 mm之间，RCA替换率等于100%（即RCA质量与所有粗骨料质量之比）。表1中所述混凝土的配合比是根据肖等人报告的先前调查确定的。（2005年）。根据我国建筑标准GB 50010（2010）和框架模型的相似规律，钢筋采用细铁丝。纵向钢筋采用8#和10#细铁丝，箍筋采用14#。
3.3模型设计与施工
该模型为二跨六层框架结构，平面和立面规则，符合强柱弱梁的设计原则。RAC框架模型的平面尺寸为2175mmtimes;2550mm，层高为750mm。柱截面尺寸为100 mmtimes;100 mm，梁截面尺寸为结构X方向62.5 mmtimes;125 mm，Y方向50 mmtimes;112.5 mm。框架模型的板厚为30 mm。模型的加固和构造满足现行设计规范GB 50010（2010）和GB 50011（2010）的抗震细部设计要求。图中示出了RAC框架模型的一般几何结构、单元截面和相应加固的细节。1（a）、1（b）、1（c）和1（d）。梁柱节点中钢筋的细节如图1（e）所示。附加质量
表1再生骨料混凝土配合比设计
（C＝水泥，S＝砂，S/A＝Fe骨料与总骨料之比，w＝混合水，Wa＝附加水，SP＝高效减水剂）
为了模拟原型结构中的荷载条件，从第一层到第二层的每块板上分别连接1528 kg和1375 kg。框架模型的建立是在刚度较大的钢筋混凝土梁上进行的，以便以后运到振动台上。制作好的钢笼固定在模板中，与实际施工类似地浇铸，并在实验室环境温度下养护28天。用铁块和铁板作为人工质量，固定在模型结构的每个平面上。模型的总重量估计为17吨，包括基础梁，小于振动台的荷载限制。框架模型的构建过程如图2所示
- RAC框架模型的平面布局
- RAC框架模型立面详图
X方向 Y方向
- 钢筋混凝土框架梁的截面配筋
4试验程序
4.1地震波选择及仪器布置
场地土的条件是确定地震输入的重要因素之一。将我国某Ⅱ类场地定义为软土层厚度315m，土层剪切波平均速度不大于140m/s的场地（GB 50011-2010）。根据《建筑抗震设计规范》（GB 500 11-2010），选取四川安县塔水地震台（2008）和El Cito地震波（EWW）（1940）观测到的汶川地震波作为输入激励。除了这两个记录外，上海人造波（SHW）也被选作比较研究。
侧柱和纽尔 角柱
- 钢筋混凝土框架柱的截面配筋
- 梁柱节点大样图
图1框架模型配置及配筋（单位：mm）
- 梁柱的架设形式
- 模板安装
- 再生骨料混凝土浇筑
图2 RAC帧模型构造
加速度计和位移计分别测量加速度和位移。所有测试数据均由计算机控制的数据采集系统采集，并可传输到其他计算机进行进一步分析。安装了尽可能多的传感器，并优先监控按键。30个加速计安装在基础梁、1楼至5楼和屋顶上。所有的加速计都用来记录水平加速度，包括两个在基础梁上，四个在第一层到第五层，八个在屋顶上。
图3 RAC帧模型的总图
安装了14个位移计，其中1-5层各2个，屋顶4个；所有位移计均用于记录水平位移。一些位移计与加速度计放置在同一测量点上，因此可以通过比较位移计和积分加速度的数据来检查传感器的精度。安装在振动台设备上后的模型概述和实验装置如图3所示。
4.2试验加载程序
加载程序用于评估模型的整体行为和研究模型的动态响应。试验程序分为9个阶段，即地面加速度峰值（PGA）分别为0.066g、0.130g（8级多发地震）、0.185g、0.264g、0.370g（8级基本地震）、0.415g、0.550g、0.750g（8级少发地震），和1.170克（很少发生9级地震）。试验过程中依次输入WCW、ELW和SHW，地震波加速度记录的时间间隔为0.00736s，按GB（50011-2010）确定的基础激励逐渐增大的振幅作为时标地震波连续输入。输入不同系列的地面加速度后，扫描白噪声，确定模型结构的固有频率和阻尼比，白噪声输入峰值取0.050g。
5地震反应与分析
5.1加速度响应
结构加速度响应是再生骨料混凝土的重要组成部分结构动力响应参数与地震输入的频谱特性、结构固有频率和阻尼比有关。测得的加速度与相应的输入峰值地面加速度之比称为加速度放大系数。图4显示了不同地震水平下，WCW、ELW和SHW输入下X方向加速度放大系数的分布。加速度放大系数在第一层为0.798~1.602，第二层为0.938~2.318，第三层为0.892~2.827，第四层为0.758~3.257，第四层为0.870~3.858，屋顶为1.187~3.998。结果表明，在相同的试验条件下，屋盖的加速度放大系数大于其它屋盖的加速度放大系数。从PGA为0.066 g的试验阶段获得的加速度放大系数大于相同测量点处的其他试验阶段。由图4可以看出，在同一地震水平下，加速度放大系数随高度的增加而逐渐增大；加速度放大系数随台架激励强度的增加而逐渐减小，说明结构刚度逐渐降低。PGA为0.066g～0.185g的试验阶段，其分布特征更为明显，PGA为0.370g的地震输入后，RAC框架模型结构遭受了较为严重的损伤，高阶振型的影响逐渐增大，某些测点的加速度放大系数不再符合分布。RAC框架结构加速度放大系数的分布特征与普通混凝土框架结构相似（Joseph et al.，1995；Hosoya et al.，1995；Lu et al.，2008；Lu et al.，2009；Xiao et al.，2011）。同一测点的WCW、ELW和SHW在同一地震水平下的加速度放大系数不同。三种地震波中，浅层地震波引起的动力响应最大，其次是浅层地震波，最低的是低层地震波。这主要是因为这三种地震波具有不同的频谱特征。
5.2地震作用
分析RAC框架模型结构在振动台试验中的地震力分布特性，对于实际RAC框架结构的设计和应用具有重要意义。
在不同的试验阶段，在每个楼板的X方向上最大地震力的分布呈现在图5中。地震力的计算基于模型结构各楼层的质量分布和各楼层测量点的加速度。
假设mi是i-fl oor的集中质量，ui（t）是地震作用下，t时，floor i相对于地面的位移，ug（t）是t时的地面位移，为了补偿对地震力计算的可能理解，引入了该FLOOR的质点运动方程，并用公式（1）表示：
（a） 在WCW激励下
（b） ELW激励下
（c） 在超高频激励下
图4模型加速度放大系数分布
因此，这个楼板的最大地震力推导如下：
其中，刚度系数kij等于因沿自由度j的单位位移而沿自由度i的力，阻尼系数cij是因沿自由度j的单位速度而沿自由度i的力。是t时i-fl oor的绝对加速度响应。
不同的试验阶段，最大地震力的分布如图5所示。一般来说，地震力在试验早期随着输入激励的PGA的增加而成比例增加。然而，在弹塑性阶段，随着加速度幅值的逐渐增大，在一系列基础激励下，地震力可能减小。在PGAs为0.066g～0.185g的试验阶段，地震力随着加速度幅值的逐渐增大而逐渐增大。PGA为0.370g的地震输入后，高阶振型的影响逐渐增大，当输入PGA增大时，地震力可能减小，如图5所示。
5.3位移响应
在模型上安装了用于监测各楼层和屋顶位移响应的传感器。为了研究结构位移响应，分别在图6中示出了在不同试验阶段从WCW、ELW和SW获得的最大层位移。因此，在图7中示出了沿RAC框架模型的高度的最大层间漂移分布。在不同的试验阶段，层间位移比的最大值列于表2中。由于输入激励都是一维的，所以图6、图7和表2中只给出了X方向的结果。
图6表明
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