摘要：在绿色、低碳、节能社会发展新理念指引下，建筑垃圾资源化高效利用已成为国家重大战略需求，同时我国又是地震灾害严重的国家，抗震减灾工作是社会发展的重要任务，因此，创新发展可恢复功能再生混凝土结构成为了国家发展绿色韧性城镇的迫切需求。

1.引言

地震是一种突发的自然灾害，它严重威胁着人们的生命安全与财产安全。尤其是近年来随着国家的快速发展，我国建筑市场迅猛发展，建筑物也相应越建越高，因此当地震发生时人们生命财产安全遭受危害程度也随之增加[1]。目前我们国家的抗震设计仍是以建筑物抗倒塌设计为基础，但是这样的构造设计会使建筑物破坏后造成的经济损失却是难以估量的。这主要是因为震后建筑物残余变形过大或者损伤较为严重导致结构不可修复；或者有的建筑物可以修复，但维修成本和难度都比较高。因此，为让震后的灾区建筑物能够快速恢复其正常使用功能，抗震设计理念需要从以往的抗倒塌设计向新的设计理念进行转变，即要使建筑结构具有可恢复功能。

同时，由于旧建筑拆除、自然灾害导致建筑物损坏等情况都会产生建筑垃圾，国家每年产生的建筑垃圾约有 24 亿吨[2]，并且大部分垃圾未经过严格处理直接放置郊外或者随意堆积、填埋，对生态环境造成污染[3]，如何处理数量庞大的建筑垃圾已经成为我们当今社会面临的重大问题。建筑垃圾大部分都是废弃混凝土，近年来由于再生混凝土技术的提出，使得废弃混凝土中的骨料得以恢复其本身原有性能，并可以重新利用，形成新的建材产品。这一技术的成熟不仅可以减少天然骨料的消耗，还可以提高建筑垃圾利用率，减少垃圾产生，既可以解决一些环保方面的问题，又满足当前可持续发展的需要。

2.传统剪力墙可恢复性能提高的方法

结构具有可恢复功能是抗震设计研究的一个新方向[4]，它是指结构在遭受过地震作用后不需要经过任何修复或者只需要简单修复便可快速恢复其正常使用功能，当运用于实际工程中时不仅可以对人们生命财产安全提供保障，还能尽快恢复震后人们正常生活，减少社会经济损失。在可恢复功能抗震结构中，可恢复功能剪力墙主要可以分为三大类：可更换构件剪力墙、摇摆剪力墙和自复位剪力墙。

（1）可更换构件剪力墙

可更换构件一般设置于结构容易发生塑性变形的位置，将此部位强度进行削弱或者在此处安装延性耗能构件或者可更换构件，从而保护主体结构免受破坏或者所受破坏较小。

吕西林院士[5]等通过对传统连梁双肢剪力墙和可更换连梁剪力墙进行对比研究，结果表明：这两种剪力墙的承载力相同，且可更换连梁剪力墙的耗能能力和刚度退化优于传统连梁剪力墙，震后对剪力墙中损坏的连梁进行简单更换便可恢复其正常使用功能，并通过有限元模型进行验证。此外，毛苑君[6]等通过研究发现剪力墙墙脚处在地震作用下损坏较为严重，于是对墙脚处设置可更换构件来提高剪力墙的抗震性能，并对 5 个剪力墙进行了循环荷载试验，得出结论：在墙脚处带有可更换构件的剪力墙变形能力和耗能能力大幅度提高。

（2）摇摆剪力墙

通过放松结构与基础之间的约束可以使结构与基础之间的界面仅有受压能力而没有受拉能力，因此在地震作用下结构整体会发生摇摆晃动，地震作用停止后可以回到原有的位置上而没有残余变形，既降低了结构本身的破坏程度，又提高了结构的可恢复性能。对于摇摆剪力墙的研究，相关研究学者也已经取得初步进展。

Wada 等把摇摆墙和阻尼器同时运用于东京工业大学某建筑的剪力墙结构加固中，并对加固前后的结构进行对比分析，结果表明加固后的剪力墙的残余变形、耗能能力等抗震性能显著提高。为了让剪力墙的基础在地震时产生摇摆，减少基础的埋置深度，并在大型离心机上对浅埋基础剪力墙和普通剪力墙进行了对比试验，结果表明：浅埋基础剪力墙的抗震性能得到提高，同时也具有良好的可恢复性。Toranzo 等通过一个 40% 比例的框架-剪力墙进行试验来研究摇摆墙的抗震性能，结果表明利用摇摆墙体系可以降低墙体的破坏，减少结构的残余变形，具有一定的可恢复能力。叶列平教授[38]等通过对加固前后的摇摆墙进行抗震性能对比分析可知：摇摆墙体系在框架结构中的运用可显著降低地震响应，并且可以对结构的破坏模式和抗震性能进行控制。

（3）自复位剪力墙

建筑结构在强烈的地震作用后，结构本身受到的损坏往往难以进行修复，并且大部分建筑物只能进行拆除重建，给社会带来了巨大的经济损失。因此，实现建筑结构具有良好的弹性恢复力已经逐渐成为人们的迫切需求。其中自复位剪力墙作为一种提高结构弹性恢复力的一种结构，具有良好的抗震性能和可恢复性能。

张建伟等对带有超高强钢筋剪力墙进行了循环荷载试验，并研究了轴压比、有无钢纤维以及边缘构件钢筋强度等级对墙体抗震性能的影响，结果表明：超高强钢筋由于具有高弹性的力学特点给剪力墙提供了较大的恢复弹力，显著降低了剪力墙试件的残余变形和裂缝宽度，且通过限制轴压比和加入钢纤维能够较好的降低墙体的损伤程度。赵军等设计了一种在边缘构件中使用高强预应力钢绞线作为纵筋的剪力墙，并对其进行了拟静力试验，结果表明，钢绞线的使用延缓了剪力墙试件的屈服，减少了墙体在大变形后的残余变形，剪力墙试件在破坏前具有较好的正刚度和良好的可恢复能力。

3.超高强钢筋再生混凝土剪力墙设计

（1）试件设计

根据以往的研究，共设计了6 个剪跨比为1.5 的可恢复功能再生混凝土剪力墙。主要包括边缘暗柱中纵筋类型、轴压比、有无钢纤维和暗支撑。试件编号分别为SNB、SNU、SHU、SNU-X、SNU-1 和SNU-1-X，其中“S”表示剪力墙；“N”表示轴压比为 0.4 的剪力墙，“H”表示轴压比 0.6的剪力墙；“B”表示边缘暗柱中纵筋为HRB600 级钢筋，“U”表示边缘暗柱中纵筋为弱粘结超高强钢筋（UHSS）；“X”表示在再生混凝土剪力墙内加入X形暗支撑；数字“1”表示墙体钢纤维体积率为 1% ，数字“0”表示再生混凝土不使用钢纤维。

6 个试件的水平和垂直分布钢筋均是直径为8mm的HRB600 级钢筋，分布钢筋的配筋率为0.67% ，暗柱中箍筋是直径为 8mm的HRB400 级钢筋。试件SNB边缘暗柱中配置 10 根直径为8mm的HRB600 级钢筋，而试件SNU、SHU、SNU-X、SNU-1 和SNU-1-X边缘暗柱中配置直径为 12.6mm的弱粘结超高强钢筋。在试件SNU-X和SNU-1-X中，由 8 个超高强钢筋组成的两个钢筋笼呈X形放置在墙体中作为暗支撑，其中暗支撑交叉的角度为60，并且暗支撑两端延伸到基础和加载梁中。此外，为了加强试件内超高强钢筋的约束效果，避免钢筋在加载梁和基础产生滑动，弱粘结超高强钢筋两端用锚具进行锚固。

（2）加载方案

在每一个试件施加水平力之前，对试验轴压比为 0.2 的试件施加462kN 轴力，对试验轴压比为 0.4 的试件施加924kN 轴力，并且在试验过程中，各试件承受轴力保持不变。加载制度采用位移控制，如图 2-9 所示，图中 为位移角，其中 ， 为每级加载时的水平位移，H为加载位置和基础顶部之间的距离。试验中利用数据采集设备对位移数值进行监测。在 0.5% 位移角之前，每级位移角的增量为 0.1% ，循环 2 次；在 0.5%-2.0% 位移角之间，每级位移角的增量为 0.25% ，循环2 次；在 2.0% 位移角之后，每级位移角的增量为 0.5% ，循环1 次。当试件的水平承载力下降到峰值荷载的 85% 以下或试件发生较大变形时，应终止试验。在每级加载的过程中，在墙体中标记裂缝的走向，并记录裂缝开展的宽度。

4.试验结果分析

对 6 个再生混凝土剪力墙进行低周往复荷载试验。试验过程中，在边缘暗柱配置弱粘结超高强钢筋的剪力墙在 2.0% 和 3.0% 位移角之间发生了水平承载力的突降。这是因为超高强钢筋在两端锚固处被加工成螺纹形状，导致钢筋横截面积减少，进而增加钢筋锚固处的应力。此外，由于基础中的超高强钢筋也进行涂漆处理，导致钢筋与混凝土之间的粘结强度降低，锚固处钢筋的应变渗透现象更加明显，进一步增加了钢筋锚固处的应力。因此，基础中锚固处超高强钢筋达到抗拉强度而被拉断，墙体刚度和承载力突然降低。而根据国家规范GB 50011[12]可知，剪力墙弹性层间位移角限值为 1/100，而美国规范FEMA 356[13]中限值为 1/50。在本次试验中，各再生混凝土剪力墙试件都加载到了 2.0% 位移角。因此，我们着重研究了再生混凝土剪力墙在 2.0% 位移角之前的抗震性能和可恢复性能。

根据试验结果可以得知：

（1）在加载初始阶段，试件水平承载力和位移之间基本上呈线性关系，这是因为加载前期混凝土损伤较小且可以忽略不计，试件仍处于弹性阶段。在 1.0% 位移角之前，各试件滞回曲线都比较细长，残余变形小；在 1.0% 位移角之后由于HRB600 级钢筋的屈服以及混凝土的软化，试件SNB的承载力几乎不再增长，滞后曲线趋于丰满，耗能逐渐增加，但同时伴随着较大的残余变形。

（2）带有超高强钢筋的试件SNU、SHU、SNU-X、SNU-1 和SNU-1-X直到试验结束最外层纵筋没有达到屈服强度，水平承载力持续增长，表现出良好的正刚性[11]，二次刚度大，残余变形小，滞回曲线较为细长且呈现出严重的捏拢现象。这是因为超高强钢筋强度高且弹性范围大，其光滑表面与混凝土之间粘结力较弱，两者之间容易发生粘结滑移现象，延迟纵筋屈服，从而使试件具有较大弹性恢复力，墙体残余变形降低，可恢复性能提高。

（3）对比试件SNU，试件SHU的滞回曲线更为饱满一些，这是因为轴向压力的增大产生了较大F-Δ效应，受压区混凝土压缩应变增大，残余位移增加，进一步耗能性能增加。

（4）与无钢纤维的剪力墙试件相比，加入钢纤维的试件SNU-1 和SNU-1-X滞回曲线较为饱满，这是因为掺入钢纤维使受压区混凝土变形能力得到改善，裂缝间距减小，试件能量耗散能力得到改善，墙体损伤程度减轻。

（5）试件SNU-X和SNU-1-X滞回曲线比试件SNU捏拢现象更加明显，承载力大幅度提高，说明在墙腹板内设置X形超高强暗支撑不仅可以提高试件刚度，还可以改善试件弹性性能，使试件具有良好的可恢复性能。

5.结论

（1）6 个再生混凝土剪力墙试件弯曲破坏现象明显，发展的裂缝主要以水平裂缝和交叉斜裂缝为主。边缘暗柱配置HRB600 级钢筋的试件裂缝分布较密集，最终破坏时受压区混凝土压溃，竖向分布钢筋屈曲，暗柱最外侧纵筋断裂；

（2）边缘暗柱配置弱粘结超高强钢筋的试件裂缝分布较为稀松，最终破坏时混凝土损伤较轻，暗柱中超高强钢筋在大变形下仍能给墙体提供较好的弹性恢复力。

（3）边缘暗柱中配置HRB600 级钢筋剪力墙残余变形大，在边缘暗柱中使用超高强钢筋的剪力墙抗侧力较大，正刚性和二次刚度增大，残余变形和裂缝宽度均在可修复范围内，具有优越的可恢复性能。

参考文献

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[3] , , . [J]. ,2006(01):25-28.

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[5]吕西林，陈云，蒋欢军．带可更换连梁的双肢剪力墙抗震性能试验研究[J].同济大学学( ), 2014,42(02):175-182.

[6]毛苑君，吕西林．带可更换墙脚构件剪力墙的低周反复加载试验[J].中南大学学报(自), 2014,45(06):2029-2040.