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再生混凝土结构抗震性能研究及混凝土结构损伤评估

胡波  
【摘要】:随着我国城市化进程的加快,每年都会有大量的混凝土结构临近使用年限被拆除,或遭受地震等自然灾害被损毁,产生了大量的建筑废弃物。传统的废弃混凝土处理方法主要是运往郊外露天堆放或填埋,占用大量土地,破坏生态环境。另一方面,建筑业作为国民经济的支柱产业之一,混凝土的需求量也在保持高速增长。混凝土的配制需要砂石骨料,开山采石毁坏自然植被,引起水土流失,对自然资源的占用及环境的负面影响也日趋严重。将废弃混凝土块体经过回收、破碎、筛分后,按一定的比例与级配混合形成再生骨料,它可代替天然骨料制成新的建材产品。再生混凝土循环利用,符合国家“十二五”提出的节约资源、保护环境和可持续发展的战略思想,有助于建设资源节约型和环境友好型社会。 目前再生骨料混凝土多用于公路工程的路基路面和建筑工程的非承重构件,为将其用于土木工程的主体承重结构,本文进行了再生混凝土基本力学性能试验研究、再生混凝土梁柱节点和两层单跨再生混凝土框架的抗震性能试验研究,可为再生混凝土结构的实际应用提供试验依据和理论基础。 本文通过再生混凝土基本力学性能的相关试验,研究了再生混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度的影响因素及变化规律,并给出了再生混凝土各项强度指标之间关系式。对再生混凝土与普通混凝土的单轴受压性能、本构关系进行了对比试验研究,在对试验数据回归分析的基础上,提出了再生混凝土弹性模量的计算公式、应力-应变曲线的拟合公式。试验结果表明,再生骨料表面吸附旧水泥砂浆,再生骨料新、老砂浆之间界面过渡区存在孔隙率大,吸水率高,粘结强度低的特点,界面过渡区被认为是再生混凝土最薄弱部位,导致了再生混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及弹性模量等力学指标均要低于天然骨料混凝土 制作了再生混凝土框架中节点、边节点和拐角节点等不同类型的梁柱组合体,进行了拟静力试验研究,了解节点的受力状态和破坏过程,对其滞回曲线、延性特征、耗能性能、强度退化和刚度退化等性能指标进行了研究。试验结果表明,再生混凝土节点在低周反复荷载作用下破坏过程与普通混凝土节点相似,其受力和破坏过程可分为初裂、通裂、极限、破坏四个阶段。由于废弃混凝土破碎生成的再生骨料,生产剥离过程中表面包裹有母体水泥砂浆,且骨料内部存在不同程度的缺陷和裂纹,造成再生混凝土中新拌水泥砂浆与再生骨料界面薄弱。再生混凝土节点核心区剪切破坏时,核心区菱形块体混凝土剥落,多沿再生骨料新老砂浆接合面呈酥松状破坏,表现出明显脆性性质,节点抗震性能弱于普通混凝土试件。 对1榀两层单跨再生混凝十框架进行了拟动力和拟静力试验。拟动力试验时,采用不同加速度峰值的E1-Centro地震波激励加载,研究了框架的动力性能、受力特点、变形性能等抗震性能。试验表明,再生混凝土框架在小震和中震作用下具有足够的承载力和刚度,框架处于弹性工作状态,加载至框架屈服,卸载后残余变形较小。通过拟静力试验研究了框架在低周反复荷载作用下的破坏过程、承载能力、滞回曲线、耗能能力、延性系数、刚度退化等抗震性能指标。试验结果表明,再生混凝土结构具有良好的延性和耗能能力,通过合理设计可以用于抗震设防地区。 在试验研究的基础上,分别采用不同的有限元软件ABAQUS和OpenSees,对再生混凝土节点和框架的抗震试验结果进行了数值模拟。此外,利用一个MATLAB编写的程序对再生混凝土框架的拟动力试验进行了模拟。节点和框架的拟静力试验模拟结果表明,在OpenSees中基于'SimpleJoint'的建模方法建立的模型,能够很好地模拟出节点或是框架在低周反复荷载作用下的滞回性能。而框架拟动力试验的模拟结果则说明Takeda恢复力模型用于对再生混凝土框架的非线性时程分析中效果良好。 结构健康监测手段或损伤评估方法,是结构高效、安全工作的有力保障。而目前,混凝土结构健康监测手段或损伤评估方法较为匮乏。基于此,本文分别利用结构的频响函数和小波分解理论分别提出了两个可以用于确定结构整体损伤程度的指标。并且,利用前面相关的再生混凝土试件抗震性能试验数据验证了这些指标用于评估结构损伤的有效性。此外,还利用了布置在混凝土结构不同位置处的压电材料对混凝土结构中各种损伤及钢筋腐蚀程度进行相关试验。试验结果表明,利用预先埋置或是粘结在混凝土结构上的压电材料,对混凝土结构局部区域的损伤或钢筋腐蚀程度进行评估是可行的。


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