R/ECC柱和ECC/RC组合柱力学性能和抗震性能试验和理论研究

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ECC是一种具有应变硬化和多裂缝开展机制的纤维增强水泥基复合材料。在纤维体积掺量为2%时,其极限拉应变即可达到3%以上,极限破坏之前裂缝宽度能够有效的控制在100μm以下,其与钢筋具有良好的变形协调能力,将其应用于工程结构中,能显著提高结构的耐久性和延性等。由于ECC材料的价格相对较高,将RC柱中受力较大区域的混凝土替换成ECC,得到ECC/RC组合柱,可以提高组合柱的性价比。本文对ECC/RC组合柱的力学性能和抗震性能进行了理论、试验以及数值模拟三个方面的研究。  (1)基于平截面假定和简化的材料本构模型,采用钢筋混凝土结构设计的基本理论,提出钢筋增强ECC柱正截面承载力计算公式,并结合试验测得的材料本构参数,绘制出Nu-Mu曲线。  (2)基于ATENA软件对组合柱压弯性能进行数值模拟。模拟结果表明,使用ECC材料替换RC柱的混凝土,能够有效控制柱在受力过程中的裂缝宽度,提高柱的延性和耐久性;通过对ECC高度、轴压比和配箍率三个参数的分析发现:ECC高度在1.2h(h为截面高度)左右的组合柱即可到达全ECC柱的性能效果;轴压比的增大不利于结构构件的抗震,当轴压比成比例增加时,极限位移呈更大比例的下降;当配箍率为0.668%时,组合柱荷载发生突降的位移是RC柱突降点位移的1.2倍,表明ECC材料具有较高的抗剪能力,可以部分替代箍筋的作用,可为施工等方面带来一定的便捷。  (3)本文采用基体材料、轴压比、剪跨比以及配箍率四个为控制参数,设计了12个柱试件,通过低周反复加载试验研究其抗震性能。试验结果表明,短柱中除RC短柱发生剪切破坏外,其余各试件均发生弯曲破坏,ECC/RC组合柱、ECC柱滞回曲线更加饱满,具有更好的延性和耗能能力。长柱均发生弯曲破坏,且ECC/RC组合柱、ECC柱具有更大的延性和耗能能力;另外,轴压比越大,试件抗震性能越差。  (4)基于MARC有限元软件,对组合柱的抗震性能进行了数值模拟,模拟得到的滞回曲线与试验结果较为吻合。进而分析了ECC高度、轴压比和配箍率三个参数对ECC/RC组合柱滞回性能的影响。模拟结果表明:ECC高度在1.2h左右的组合柱接近于全ECC柱的性能效果;轴压比越大,骨架曲线下降段越陡,刚度退化速度越快。  (5)基于普通钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的相关计算理论,提出退化三线型钢筋增强ECC柱恢复力模型,推导了模型中主要参数计算公式,并用试件Z-3的试验结果对提出的计算公式的适用性进行验证。
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