工程用水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)是一种具有高延性、高韧性和多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料,在单轴拉伸作用下具有显著的应变硬化特性。ECC良好的力学性能和裂缝控制能力使得它特别适用于结构中需要较高耗能、承受较大变形和强剪切作用或有较高耐久性要求的部位,能够有效地提升结构的抗震性能和耐久性。考虑到目前ECC的生产成本高于混凝土,整个建筑结构采用ECC不经济,本文提出在关键受力部位截面上或在构件纵向上使用ECC和混凝土组合形成组合构件。通过理论分析、试验研究及数值模拟等方法,分别从材料层次、构件层次和结构层次对ECC/RC组合框架结构抗震性能进行了系统的研究。1.材料层次(1)根据国产PVA纤维和日产PVA纤维的物理力学性能,结合ECC准应变硬化模型,对混杂PVA-ECC的纤维体积含量进行了优化分析,建议的混杂纤维体积含量为1.0%日产PVA纤维加0.6%国产PVA纤维,据此设计了5组试验配合比。对5组不同配合比的ECC试件分别进行了单轴受压试验和四点弯曲试验。混杂PVA-ECC试件在四点弯曲试验中均呈现出明显的应变硬化和多缝开裂现象,国产PVA纤维替代日产PVA纤维的掺量越多,材料延性下降幅度越大,此外变形能力随着龄期的增加呈减小的趋势。纤维的掺入明显改善了复合材料的压缩韧性,混杂PVA-ECC试件在单轴压缩试验中,没有出现明显的剥落现象,完整性较好。(2)基于已有试验结果,建立了混杂PVA-ECC单轴拉伸应力-应变全曲线的数值分析模型,该模型主要包括多缝开裂的微观力学模型、裂缝间距计算模型、串联弹簧模型和随机概率分布模型。通过与单轴拉伸试验的结果进行比较,验证了本模型对ECC试件开裂应力、开裂应变、峰值应力和峰值应变预测的准确性。2.构件层次(1)设计了三种不同界面处理的8根ECC/RC组合梁和RC梁,并开展了受弯性能试验研究。试验结果表明:ECC/RC组合梁均发生了延性较好的弯曲破坏,多缝开裂现象较为明显,在达到峰值荷载前均未发生粘结破坏。ECC/RC组合梁在达到各自峰值荷载的80%之前,裂缝宽度均小于100μm,可有效地提升混凝土梁的耐久性。采用简化的ECC材料本构关系,提出了ECC/RC组合梁的受弯承载力简化计算方法,并建议了ECC/RC组合梁正常使用极限状态下挠度的简化计算方法,推导了基于内力平衡的组合梁完全开裂截面的惯性矩公式,利用上述简化方法计算得到受弯承载力和跨中挠度的预测值与试验值吻合较好。(2)进行了6根不同剪跨比、轴压力和配箍率的ECC/RC柱及1根RC对比柱在低周反复荷载下的抗震性能试验研究,对不同试件的破坏形态、滞回特性、位移延性、耗能能力、刚度退化等进行了较为深入的研究。试验结果表明ECC/RC组合柱表现出明显的多缝开裂特征,其延性、耗能能力和损伤容限均好于RC柱;随着剪跨比的减小,柱端水平荷载-位移滞回曲线趋于扁平,受剪承载力提高,但位移延性系数随之降低;配箍率较高的构件,柱端水平荷载-位移滞回曲线较饱满,刚度退化较缓,变形能力较大。采用OpenSees有限元程序建立ECC/RC组合柱分析模型,对不同剪跨比、轴压比、纵筋配筋率、ECC抗压强度、ECC极限压应变和外包ECC厚度对ECC/RC组合柱受弯性能和抗震性能的影响进行有限元参数分析。(3)将ECC/RC组合柱的性能划分为完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌五个性能水平,提出用位移角和基于Park-Ang的修正损伤指标作为ECC/RC组合柱的性能指标,通过对试验数据的统计分析,并参考国内外相关文献,给出了ECC/RC组合柱在不同性能水平下的位移角限值和损伤指标限值的建议值。(4)基于修正压力场理论(MCFT),修正了ECC的软化平均应力应变关系和局部应力平衡方程,考虑了纤维在斜裂缝处的应力传递能力,提出了能够更好地反映ECC受剪机理的修正MCFT计算方法。在此基础上,通过合理简化,推导了ECC斜裂缝角度和平均主拉应变的显示计算公式,提出了有腹筋ECC/RC组合构件受剪承载力的简化计算方法。建立ECC构件剪切试验数据库,验证了修正MCFT方法及其简化计算方法的合理性。(5)建立了多折线型ECC/RC组合柱转角型塑性铰恢复力模型,并提出了骨架曲线特征参数、塑性铰长度和滞回规则的计算方法,通过与试验柱实测滞回曲线的比较和分析,验证了组合柱塑性铰恢复力模型的准确性和适用性。3.结构层次(1)对一个装配式ECC/RC组合框架结构和一个普通RC对比框架结构进行振动台试验,研究模型结构在不同水准地震作用下自振特性、加速度、位移、残余位移和节点转角等动力响应的分布规律及其随地震水准的变化规律。试验结果表明,将ECC材料引入节点和梁、柱塑性铰区时,结构在地震作用下的抗剪承载力、塑性变形能力、耗能能力和耐损伤性都远高于普通钢筋混凝土框架,从全寿命周期考虑,ECC/RC组合结构具有较高的经济性。(2)研究了ECC/RC组合框架结构的性能水平划分依据,给出了ECC/RC组合框架不同性能水准对应的各性能指标(最大层间位移角、基于Park-Ang的损伤指标、最大残余层间位移角和最大楼层加速度)限值。在确定性能水准和性能指标限值之后,设计了两个框架算例(普通RC框架和ECC/RC组合框架),采用基于增量动力分析(IDA)的多指标抗震性能评估方法,考察了两种框架在不同地震动强度水平下的结构响应和抗震能力,分析结果表明ECC/RC组合框架在中震和强震作用下具有比RC框架更加优异的抗震能力。