考慮剪切效應(yīng)的RECC柱及框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究.pdf

1、工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱ECC)，是一種具有超高拉伸延性、拉伸應(yīng)變硬化和多縫開裂特征的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。ECC材料優(yōu)異的拉伸性能，成為改善構(gòu)件受剪性能、提高結(jié)構(gòu)抗震能力的理想材料。本文通過理論分析、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等方法，分別從材料層次、構(gòu)件層次和結(jié)構(gòu)層次對(duì)ECC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　1.材料層次:
　　(1)基于細(xì)觀力學(xué)理論和顆粒堆積理論，開

2、展了ECC材料的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在實(shí)際配制時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)新拌漿體的流動(dòng)性等特征，最終確定了6組較為優(yōu)化的配合比。
　　(2)對(duì)其中3組配合比ECC試件進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:所配制的ECC材料均表現(xiàn)出了良好的拉伸延性和不同程度的多縫開裂特征，大部分試件拉伸應(yīng)變能力超過3％。
　　(3)假設(shè)基體中的固有缺陷和纖維分布的不均勻性滿足隨機(jī)正態(tài)分布，建立了模擬單軸拉伸作用下多縫開裂全過程的數(shù)值分析模型。通過與單軸拉伸試驗(yàn)的結(jié)

3、果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本模型對(duì)ECC試件開裂應(yīng)力、開裂應(yīng)變、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
　　(4)對(duì)6組不同配合比的ECC試件分別進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所配制的ECC均表現(xiàn)出了良好的拉伸延性和受壓韌性，抗壓強(qiáng)度均超過30MPa。綜合評(píng)估后確定了粉煤灰比重為3.2的配合比為最優(yōu)配合比，并將其應(yīng)用于RECC試驗(yàn)柱的澆筑。
　　2.構(gòu)件層次:
　　(1)進(jìn)行了6根不同剪跨比、軸壓力和配箍率的REC

4、C柱及1根RC對(duì)比柱在低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)研究，對(duì)不同試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、位移延性、耗能能力、強(qiáng)度退化、剛度退化等進(jìn)行了較為深入的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:RECC柱表現(xiàn)出明顯的多縫開裂特征和良好的位移延性;在相同配筋形式、軸壓力和剪跨比的情況下，RECC柱發(fā)生彎曲破壞，而RC柱則發(fā)生彎剪破壞;隨著剪跨比的減小，RECC柱的屈服強(qiáng)度提高，受剪承載力提高，但極限位移和位移延性系數(shù)降低;配箍率的降低使得RECC柱的承載力、

5、變形能力以及耗能能力有所降低，但影響并不十分明顯，說明ECC中的纖維橋接作用能夠部分代替箍筋的抗剪作用和對(duì)核心區(qū)基體的約束作用，因此本文建議對(duì)于ECC構(gòu)件，可以適當(dāng)降低箍筋用量以降低成本。
　　（2)提出了RECC柱的受彎和受剪承載力理論計(jì)算方法，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果表明:本文推導(dǎo)的計(jì)算公式能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)RECC柱的受彎和受剪承載力。
　　(3)分別采用條帶法和桁架-拱模型推導(dǎo)了RECC柱屈服前的彎曲變形和剪

6、切變形的計(jì)算方法，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果表明:本文推導(dǎo)的有效剪切剛度的計(jì)算方法能夠很好地預(yù)測(cè)RECC短柱在斜向開裂后的剪切變形。
　　(4)提出ECC材料單軸滯回本構(gòu)模型SHCC01。該模型考慮了ECC單軸拉壓骨架曲線、卸載-再加載規(guī)則，以及加載過程中的拉壓傳遞模式。利用OpenSEES計(jì)算平臺(tái)編寫了該ECC本構(gòu)模型的有限元程序，并將其應(yīng)用于纖維截面梁柱單元，模擬ECC受彎構(gòu)件的力學(xué)行為。通過與ECC受彎構(gòu)件往復(fù)加載試驗(yàn)

7、結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文提出的單軸滯回本構(gòu)模型SHCC01能夠準(zhǔn)確地反映ECC受彎構(gòu)件在往復(fù)荷載下的力學(xué)性能。
　　(5)提出用于模擬剪切效應(yīng)明顯的RECC構(gòu)件的2D有限元模型SMMECC。該模型不僅考慮了ECC在受拉和受壓時(shí)的單軸滯回本構(gòu)關(guān)系，還考慮了在剪切作用下主拉應(yīng)變引起的受壓軟化效應(yīng)，以及開裂ECC單元的泊松效應(yīng)。利用OpenSEES計(jì)算平臺(tái)編寫了該模型的有限元程序，并分別對(duì)梁、柱和剪力墻等試件進(jìn)行了有限元模擬，以驗(yàn)證該模

8、型的準(zhǔn)確性和適用性。結(jié)果表明:SMMECC模型能夠較為準(zhǔn)確地反映RECC構(gòu)件在剪切作用下主要的力學(xué)性能，如骨架曲線、初始剛度、屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、荷載位移曲線的下降段以及捏縮效應(yīng)等。
　　3.結(jié)構(gòu)層次:
　　(1)對(duì)普通RC框架、全ECC框架和ECC/RC組合框架進(jìn)行了IDA分析，通過比較各框架的IDA結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線、層間位移分布、塑性鉸分布等全面地考察了3種框架在不同地震動(dòng)強(qiáng)度水平下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和抗震能力。確定了本文提出的5種性能

9、水準(zhǔn)下各框架的最大層間位移角的極限值，并進(jìn)行了性能成本分析。通過分析比較可知，ECC框架在地震作用下的整體變形能力最強(qiáng)，抗震性能最優(yōu)，但建造成本過高;只在節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用ECC的ECC/RC組合框架，抗震性能較普通RC框架有較大提高，且有效地降低了建造成本。
　　(2)對(duì)出現(xiàn)短柱效應(yīng)的RC框架和帶ECC短柱的ECC/RC組合框架的抗震性能進(jìn)行了分析，通過比較2種框架的IDA結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線和層間位移分布可知，帶有短柱的RC框架會(huì)在短柱所在