鋼筋增強ECC-混凝土組合框架結構抗震性能研究.pdf

1、ECC(Engineered cementitious composites)是一種具有假應變硬化特性和優(yōu)越裂縫控制能力的高性能纖維增強水泥基復合材料。ECC與混凝土具有類似的抗拉強度(4-6MPa)和抗壓強度(30-80MPa)，但其極限拉伸應變可以達到3％～5％（約為混凝土的300倍），達到極限拉應變前裂縫寬度能夠有效控制在100μm以下，飽和狀態(tài)下裂縫間距僅為3mm～6mm;在單軸壓下，峰值應力對應的應變約為混凝土的2倍。將ECC

2、替代混凝土能夠有效避免因混凝土抗拉強度低和脆性引起的開裂和耐久性問題。
　　由于ECC的價格相對較高，將ECC材料整體取代混凝土用于建筑結構顯然是不經(jīng)濟的。在鋼筋混凝土(RC)框架結構中，可充分利用ECC材料的優(yōu)越性能，將其替代混凝土用于關鍵受力部位以提高框架結構的抗震性能。本文提出將ECC材料用于框架結構底層柱和梁-柱節(jié)點等區(qū)域，形成鋼筋增強ECC/混凝土(RC/ECC)組合框架結構，以實現(xiàn)性能與成本比值最大化。本文從試驗研究、

3、理論推導和有限元模擬三方面對ECC材料用于框架結構的可行性和適用性進行了深入的研究。具體內容如下:
　　(1)對R/ECC梁的受彎性能進行了試驗研究，并與普通RC梁進行了對比。結果表明:ECC材料的使用能夠顯著提高構件的承載力、延性和損傷容許能力?；贓CC材料的簡化本構模型，對R/ECC梁及R/ECC組合梁的受彎性能進行了有限元模擬。模擬結果與試驗結果吻合較好，驗證了材料模型和分析方法的有效性。在此基礎上，以ECC彈性模量、EC

4、C拉伸延性、ECC厚度及布置方案為參數(shù)，對梁構件極限彎矩、極限撓度和最大裂縫寬度等受彎性能指標進行了參數(shù)分析。
　　(2)對不同配筋率、ECC厚度和剪跨比的RC及R/ECC梁進行了低周反復荷載下的試驗研究。結果表明，在相同的構件尺寸和配筋下，R/ECC梁較RC梁表現(xiàn)出了更好的承載力、延性、能量耗散能力和損傷容許能力。構件承載力的提升程度與破壞模式密切相關，發(fā)生剪切破壞時ECC的提升效果較發(fā)生彎曲破壞更為明顯。對于RC/ECC組合梁

5、，ECC的使用能夠提高構件的能量耗散能力;對于未配箍筋的R/ECC梁，最終發(fā)生剪切破壞，然而，其極限承載力和變形與進行合理配箍的RC梁相當，并且由于ECC材料的拉伸應變硬化特性，出現(xiàn)了延性破壞過程?；贓CC材料在往復荷載作用下的簡化本構模型、采用纖維模型法對R/ECC梁及RC/ECC組合梁在往復荷載作用下的受力特性進行了數(shù)值模擬，計算所得滯回曲線、骨架曲線及累計耗能與試驗結果符合較好。說明本文所采用的材料本構模型及分析方法能夠較為準確

6、地反映R/ECC受彎構件在往復荷載作用下的滯回特性。
　　(3)為了考察ECC替代節(jié)點區(qū)混凝土對梁-柱節(jié)點抗震性能的影響，對6根RC/ECC組合梁-柱節(jié)點構件進行了低周反復荷載作用下的試驗研究，試驗參數(shù)包括配箍率、軸壓比及是否在節(jié)點區(qū)使用ECC。試驗結果表明:對于節(jié)點核心區(qū)未配置箍筋的梁-柱節(jié)點構件，ECC材料的使用雖然不能改變構件的剪切破壞形態(tài)，但由于ECC材料優(yōu)越的延性和抗剪承載力，RC/ECC梁-柱節(jié)點的承載力、延性和耗能較

7、RC梁-柱節(jié)點均得到了顯著提高;對于節(jié)點區(qū)合理配箍的梁-柱節(jié)點構件，將ECC材料替代節(jié)點區(qū)的混凝土，能夠使得構件從節(jié)點區(qū)剪切脆性破壞形態(tài)轉變?yōu)檠有愿玫牧憾藦澢茐男螒B(tài)，并且有效提高了構件的承載力、延性和累計耗能。由于在節(jié)點區(qū)配置了箍筋的RC/ECC梁-柱節(jié)點構件均發(fā)生的梁端彎曲破壞形態(tài)，增加柱構件的軸壓比和節(jié)點區(qū)配箍率幾乎對構件的承載力和變形能力無影響?？偠灾?，將ECC替代節(jié)點區(qū)混凝土是提高梁，柱節(jié)點抗震性能行之有效的方法。同樣運用

8、了纖維模型法對RC/ECC組合梁-柱節(jié)點的抗震性能進行了數(shù)值模擬。
　　(4)基于平截面假定及材料簡化本構模型，采用截面條帶法計算R/ECC受彎構件、RC/ECC組合受彎構件及R/ECC偏心受壓構件在各受力階段的荷載-變形全曲線，得出各構件正截面承載力計算公式，并提出相應的簡化計算方法。對R/ECC偏心受壓構件進行參數(shù)分析，考察配筋率、軸壓比和材性參數(shù)對偏心受壓構件正截面彎矩-曲率關系及承載力Nu-Mu相關曲線的影響。
　　

9、(5)為了驗證ECC材料對框架結構抗震性能的具體貢獻，對4個不同基體強度和類型的框架結構算例進行了大震彈塑性時程分析。對各算例的損傷破壞模式、變形分析、層間位移角、層間剪力及耗能分布進行了對比分析。在此基礎上，對不同抗震設防烈度下的RC和RC/ECC組合框架結構進行了增量動力分析(IDA)，得出了各框架的倒塌易損性曲線。結果表明:選擇性地將ECC材料運用于RC框架結構關鍵區(qū)域能夠獲得均勻的耗能分布模式，其抗震性能甚至優(yōu)于整體使用ECC材