再生骨料混凝土结构抗震设计关键问题

再生骨料混凝土结构抗震设计关键问题

张庆喆

中建五局第三建设有限公司， 湖南 长沙 410004

摘要：随着砂石骨料日益短缺、价格上涨，以及国家对生态环保事业的日益重视，在结构工程中大规模使用再生混凝土的时机已基本成熟。然而，在实际工程应用中，结构设计人员对再生混凝土结构抗震设计关键参数的选取不准确，大多沿用普通混凝土结构的设计参数，这给再生混凝土结构的应用埋下了一定的安全隐患。

关键词：再生骨料；混凝土结构；抗震设计；措施分析

1再生骨料混凝土结构抗震设计关键问题

根据以往的研究，再生混凝土的材料性能区别于普通混凝土，表现在相同配合比下强度较低，弹性模量偏低，参数的离散性较大。

1.1再生混凝土强度

实践应用表明，通过合理的配合比设计，实际工程中再生混凝土可达到与普通混凝土相同的抗压强度标准值和工作性能。通过在配合比中增加少量水泥、控制再生粗骨料来源和取代率、保证再生粗骨料质量等方式，再生混凝土的抗压强度标准值可达到与普通混凝土相等的水平。因此，建议在实际工程中，要以相同的抗压强度标准值作为目标，进行再生混凝土配合比设计，以获得与普通混凝土相近的抗压强度等力学性能。

1.2再生混凝土弹性模量

与抗压强度的情况不同，再生混凝土的弹性模量一般要低于相同强度等级的普通混凝土，且一般难以通过调整配合比获得与普通混凝土弹性模量相同的再生混凝土。在再生粗骨料取代率较低的情况下，再生混凝土的弹性模量约比普通混凝土低3.99%～4.34%。在现行规范中，一般推荐再生混凝土的弹性模量取普通混凝土的80%～90%以考虑这一差异。由于结构的自振频率与结构刚度相关，而结构刚度与使用材料的弹性模量相关，因此通过对比结构形式相似、混凝土强度等级相同的再生混凝土和在进行结构设计之前，建议进行再生混凝土适配和材料性能测试，并建议在估计地震作用时，选取弹性模量试验值;若无试验资料，建议依据普通混凝土的相关规范，按相应强度等级的普通混凝土弹性模量取值。另一方面，为了防止在浇筑混凝土时出现局部再生混凝土的实际弹性模量明显小于试验值的情况，建议在计算再生混凝土结构构件变形和结构层间位移角时，仍采用规范建议的折减后的弹性模量取值，保证实际结构偏于安全。

1.3再生混凝土抗压强度标准差和材料分项系数

相比普通混凝土，再生混凝土的显著特点是性能离散性大。再生混凝土的抗压强度离散性(标准差)大于相同强度等级的普通混凝土，且强度等级越高，再生混凝土抗压强度的离散性越显著。造成这一现象的主要原因是再生混凝土内部复杂的微观结构，及在生产再生粗骨料时随机发生于骨料内部的微裂缝。这使得如果不对再生混凝土性能的离散性单独考虑而沿用普通混凝土的材料参数，可能导致再生混凝土结构内部强度低于预期而在未超出设计荷载或遭遇低于设防烈度地震作用的情况下出现损伤，甚至发生安全事故。

1.4再生混凝土本构关系参数

相比普通混凝土，再生混凝土在本构关系上的特征在于:其上升段与普通混凝土相近，而下降段更加陡峭，使得再生混凝土构件的抗震承载力超过峰值后更迅速地降低，增加了结构发生脆性破坏的风险。因此，采用再生混凝土的专用本构关系就显得非常重要。

1.5振型数相关要求

在实际的结构设计优化过程中，为了确保抗震设计要求，再生骨料混凝土结构抗震振型的相关质量需要超出总质量的90%。振型数主要由结构形式以及层数进行决定，当建筑整体刚度有较大变化或建筑结构本身拥有较大刚度时，需要取最大振型数。

1.6再生混凝土结构阻尼比取值

阻尼参数是结构设计和非线性分析中的重要参数，结构在地震作用下的响应是阻尼比的函数。已有的材料试验表明，再生混凝土的阻尼比高于普通混凝土，大多数学者认为再生混凝土的阻尼比相比普通混凝土高15%以上。相对较大的阻尼比有利于结构在地震作用和风荷载下的振动控制，但阻尼比选取过大则可能导致偏于不安全的设计结果。因此，在再生混凝土实际结构监测成果较少的情况下，阻尼比取值应尽量保守。

2提高再生骨料混凝土结构抗震设计效果的措施分析

2.1加强设计前期配合比设计

工程设计前，建议合理进行配合比设计和试配，使再生混凝土可以达到与普通混凝土相等或相近的抗压强度标准值;在进行再生混凝土抗压强度试验时，推荐采用至少12个试件，使用实测的强度标准差计算再生混凝土强度的标准值，并适当增大再生混凝土的材料分项系数，保证结构的可靠度。再生混凝土的弹性模量低于普通混凝土，但一般高于规范的推荐值，建议在计算结构自振频率和地震作用时采用实测值，如无试验资料，则采用普通混凝土弹性模量的规范推荐值，计算构件变形和层间位移角时采用规范推荐的折减后的弹性模量取值。再生混凝土与纵向钢筋的锚固长度建议取值与普通混凝土相等。

2.2计算模型和整体分析方法

建筑内力和变形计算应当采用能够合理反映再生骨料混凝土结构受力特性的计算模型。一般情况下应建立空间三维的整体计算模型，对于复杂高层还应采用多种力学模型进行分析比较，确保分析结果的可靠性。建筑结构的计算模型应根据实际计算精度的需要，充分考虑不同工况对各种荷载效应的影响，如施工过程对重力荷载效应影响、不同风向及风向角对风荷载效应的影响、双向水平地震的耦合等。对于需要考虑结构动力响应、材料非线性的情况，应相应采取时程分析、弹塑性分析予以补充计算分析。在进行结构设计之前，还应认真分析判断力学模型的合理性和计算结果的准确性。

2.3荷载假定

作用于建筑的主要荷载大致可分为竖向荷载、风荷载和地震作用三类。其中竖向荷载包括建筑物自重、楼屋面可变荷载和雪荷载等，通常等效为沿竖向作用的均布荷载进行计算。风荷载与所在地区平均风压、房屋高度、建筑体型以及结构对风荷载的动力响应等因素有关，涉及较为复杂的流体动力学问题，目前难以进行精确求解，相关数值和影响系数大多通过观测统计和风洞试验数据获得，这方面理论研究有待进一步深入。实际地震力对建筑物作用机理非常复杂，与震源机制、震级大小、震中远近等地震因素和特征周期、阻尼比等建筑物自身的动力响应特征都密切相关，目前主要基于地震反应谱理论，根据地震影响系数曲线分别计算水平和竖向地震作用。

2.4变形假定

进行重力荷载和多遇地震作用计算分析时，在几何非线性的影响可忽略不计的前提下，通常采用小变形假定简化计算。对于刚重比较小的再生骨料混凝土结构，可以采用内力和变形增大系数修正小变形假定下的线性计算结果的方法，近似反映二阶附加效应。在进行罕遇地震作用的计算分析时，对结构薄弱部位应补充相应的弹塑性变形验算，确保实现“大震不倒”的设计指标。

2.5楼板假定

考虑楼板面内变形影响时，应根据其自身面内刚度和边界约束的实际情况，采用刚性、半刚性、分块刚性、弹性、柔性等不同假定。在初步设计分析中，判别建筑位移比、周期比、剪重比、刚重比、倾覆力矩比等总体性能指标时，可以粗略采用强制刚性楼板假定。在具体计算构件内力和变形时，则应根据实际情况分别采用能够更精确反应楼板面内变形影响的假定，采用刚性楼板假定时必须采取相应措施，确保楼板面内刚度。

3结束语

综上所述，针对目前我国建筑情况来说，设计人员应提高建筑的抗震性能，加强再生骨料混凝土结构抗震设计安全意识，运用新型技术等，严格遵守结构设计规范，从根本上保障抗震设计效果。

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