鋼筋增強(qiáng)ECC-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究.pdf

1、ECC(Engineered cementitious composites)是一種具有假應(yīng)變硬化特性和優(yōu)越裂縫控制能力的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。ECC與混凝土具有類似的抗拉強(qiáng)度(4-6MPa)和抗壓強(qiáng)度(30-80MPa)，但其極限拉伸應(yīng)變可以達(dá)到3％～5％（約為混凝土的300倍），達(dá)到極限拉應(yīng)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(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(qiáng)度低和脆性引起的開裂和耐久性問題。
　　由于ECC的價(jià)格相對(duì)較高，將ECC材料整體取代混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)顯然是不經(jīng)濟(jì)的。在鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)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(guān)鍵受力部位以提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。本文提出將ECC材料用于框架結(jié)構(gòu)底層柱和梁-柱節(jié)點(diǎn)等區(qū)域，形成鋼筋增強(qiáng)ECC/混凝土(RC/ECC)組合框架結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)性能與成本比值最大化。本文從試驗(yàn)研究、

3、理論推導(dǎo)和有限元模擬三方面對(duì)ECC材料用于框架結(jié)構(gòu)的可行性和適用性進(jìn)行了深入的研究。具體內(nèi)容如下:
　　(1)對(duì)R/ECC梁的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與普通RC梁進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:ECC材料的使用能夠顯著提高構(gòu)件的承載力、延性和損傷容許能力?；贓CC材料的簡(jiǎn)化本構(gòu)模型，對(duì)R/ECC梁及R/ECC組合梁的受彎性能進(jìn)行了有限元模擬。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了材料模型和分析方法的有效性。在此基礎(chǔ)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(duì)梁構(gòu)件極限彎矩、極限撓度和最大裂縫寬度等受彎性能指標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)分析。
　　(2)對(duì)不同配筋率、ECC厚度和剪跨比的RC及R/ECC梁進(jìn)行了低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在相同的構(gòu)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(gòu)件承載力的提升程度與破壞模式密切相關(guān)，發(fā)生剪切破壞時(shí)ECC的提升效果較發(fā)生彎曲破壞更為明顯。對(duì)于RC/ECC組合梁

5、，ECC的使用能夠提高構(gòu)件的能量耗散能力;對(duì)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(jìn)行合理配箍的RC梁相當(dāng)，并且由于ECC材料的拉伸應(yīng)變硬化特性，出現(xiàn)了延性破壞過(guò)程?；贓CC材料在往復(fù)荷載作用下的簡(jiǎn)化本構(gòu)模型、采用纖維模型法對(duì)R/ECC梁及RC/ECC組合梁在往復(fù)荷載作用下的受力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算所得滯回曲線、骨架曲線及累計(jì)耗能與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。說(shuō)明本文所采用的材料本構(gòu)模型及分析方法能夠較為準(zhǔn)確

6、地反映R/ECC受彎構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下的滯回特性。
　　(3)為了考察ECC替代節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土對(duì)梁-柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，對(duì)6根RC/ECC組合梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)參數(shù)包括配箍率、軸壓比及是否在節(jié)點(diǎn)區(qū)使用ECC。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未配置箍筋的梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，ECC材料的使用雖然不能改變構(gòu)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(diǎn)的承載力、延性和耗能較

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

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

9、(5)為了驗(yàn)證ECC材料對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的具體貢獻(xiàn)，對(duì)4個(gè)不同基體強(qiáng)度和類型的框架結(jié)構(gòu)算例進(jìn)行了大震彈塑性時(shí)程分析。對(duì)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(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同抗震設(shè)防烈度下的RC和RC/ECC組合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了增量動(dòng)力分析(IDA)，得出了各框架的倒塌易損性曲線。結(jié)果表明:選擇性地將ECC材料運(yùn)用于RC框架結(jié)構(gòu)關(guān)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