外包式纤维编织网增强ECC-RC组合结构受剪性能研究

Engineered Cementitious Composites (ECC) which shows prominent tensile ductility and toughness, and fine multiple cracking, meets the high requirements of safety and durability of the infrastructures in a sustainable society. The research results of ECC all over the world are summarized first. The theoretical derivation, numerical analysis and experimental study are intended to be used to study on the shear behavior of the textile reinforced ECC-RC composite strucutres from the material level, the member level and the theoretical level. On the material level, through the surface treatment of PVA and lots of experiments, the dispersibility of PVA in the cement matrix and the fiber-matrix interaction are improved, and then the design optimization of mixture proportion of domestic ECC is performed. On the member level, the shear behavior of ECC members, textile reinforced ECC members and the textile reinforced ECC-RC composite members are studied experimentally. In theory, the calculation methods for shear capacity and shear deformation of ECC members, textile reinforced ECC members and the textile reinforced ECC-RC composite members are presented, in addition, the quantitative analysis of the effect of cyclic loading on shear behavior is performed. The development of domestic ECC helps cut costs of ECC, and the widespread use of ECC becomes possible. The experimental and theoretical studies on shear behavior of ECC members, textile reinforced ECC members and the textile reinforced ECC-RC composite members enhence the foundation of the application of ECC.

ECC的高延性、高韧性和独特的多缝开裂特性，满足可持续发展社会对基础设施建设高安全性和高耐久性的要求。总结国内外ECC的研究成果，拟分别从材料层次、构件层次和理论上对外包式纤维编织网增强ECC-RC组合结构的受剪性能及其应用中的关键问题展开研究。材料层次上，通过对国产PVA纤维表面处理，改善其在水泥基体中的分散性及纤维与基体的界面属性,并通过大量试验，优化国产ECC的配合比；构件层次上，对ECC构件、纤维编织网增强ECC构件及组合构件在静载和反复荷载作用下的受剪性能开展研究；理论上，建立ECC构件、纤维编织网增强ECC构件及组合构件的受剪承载力和剪切变形的计算方法，并研究反复荷载作用下的抗剪强度退化、剪切刚度退化等。国产ECC的研发，降低ECC成本，使得ECC大量应用于实际工程成为可能；而对ECC构件、纤维编织网增强ECC构件及组合构的受剪性能研究，为ECC的推广应用打下坚实的基础。

ECC的高延性、高韧性和独特的多缝开裂特性，满足可持续发展社会对基础设施建设高安全性和高耐久性的要求。项目组从材料层次、构件层次和结构层次对ECC/RC组合结构的受剪性能和抗震性能进行了研究。.(1) 材料层次。为降低ECC成本，首先对ECC国产化进行了研究，基于微观力学模型，开展配合比优化设计，采用国产PVA纤维配制出在弯曲荷载下能产生较为饱和多缝开裂的纤维增强水泥基复合材料；在此基础上将国产PVA纤维和日产纤维进行混合配制出拉伸性能更好的混杂PVA-ECC，对设计的26组不同配合比ECC试件进行四点弯试验、单轴拉伸及压缩试验，确定混杂PVA-ECC的较优配合比。提出了适用于梁柱单元的单轴滞回本构模型，通过设置参考点的方法确定ECC的卸载规则，考虑了不完全卸载-再加载的情况，以及加载过程中的拉压间的传递模式。.(2) 构件层次。开展2根RC梁、6根外包式ECC/RC组合梁试验研究，考虑界面不同处理方式对受力性能的影响；进行1根RC柱、6根RECC柱和4根外包式ECC/RC组合柱的抗震性能试验，对试件的滞回曲线、耗能能力、延性等进行分析，结果表明ECC构件表现出明显的多缝开裂特征和良好的延性。推导ECC构件承载力与刚度计算公式，重点对其受剪性能进行研究。将ECC材料本构模型引入软化膜模型中，基于OpenSEES平台，实现对考虑剪切效应的ECC构件的有限元模拟，并与试验结果进行比较以验证模型的准确性。对已有的ECC节点试验进行有限元数值模拟，在此基础上，将具有不同拉伸延性的PVA-ECC应用于框架节点，并对其受力行为进行有限元分析。.(3) 结构层次。为了减少框架节点核芯区箍筋配置，同时提高结构抗震性能，项目组提出在框架结构节点区域和底层柱根部区域应用ECC，从而形成ECC/RC组合框架的结构方案。通过静力弹塑性Pushover分析方法，对采用各典型配合比的ECC/RC组合框架的抗震性能进行对比分析，结果表明ECC在节点区的应用，可减小给定水准地震作用下塑性铰的分布范围，降低弹塑性变形集中楼层的层间侧移，减轻结构的地震破坏。以基于性能的抗震设计理论为框架，采用IDA方法对ECC/RC组合框架进行分析，并通过对多条地震响应IDA曲线进行统计得到5种不同性能水准下框架的变形极限值。通过分析，比较普通RC、全ECC和ECC/RC组合框架在不同性能水准下的抗震能力。