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

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 ECC简介

1．3 ECC材料的国内外研究现状

1．4 ECC工程应用概括

1．5 本文的研究意义及主要的研究工作

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究工作

参考文献

第二章 ECC柱正截面性能分析

2．1 ECC柱正截面性能的基本假定

2．2 材料的本构关系

2．3 钢筋增强ECC柱轴心受压承载力

2．3．1 正常使用荷载作用下截面的应力分析

2．3．2 极限荷载作用下截面的应力分析

2．4 偏心受压正截面承载力

2．4．1 基于极限压应变的正截面承载力计算

2．4．2 基于峰值压应变时的正截面承载力计算

2．4．3 N-M曲线

2．4．4 ECC柱正截面性能理论公式验证

2．5 长细比对偏心受压构件承载力的影响

2．6 ECC柱正截面性能参数分析

2．6．1 ECC材料极限拉应变对正截面性能的影响

2．6．2 纵筋强度对正截面性能的影响

2．6．3 纵筋配筋率对正截面性能的影响

2．6．4 ECC强度对正截面性能的影响

2．6．5 不对称配筋对正截面性能的影响

2．7 小结

参考文献

第三章 ECC／RC组合柱压弯性能数值分析

3．1 ATENA软件简介

3．2 材料本构模型

3．3 模型的建立

3．4 模拟结果及分析

3．4．1 长柱模拟结果与分析

3．4．2 短柱模拟结果与分析

3．5 ECC／RC组合柱压弯性能参数分析

3．5．1 ECC高度对ECC／RC组合柱压弯性能的影响

3．5．2 轴压比对ECC／RC组合柱压弯性能的影响

3．5．3 配箍率对ECC／RC组合柱压弯性能的影响

3．5 小结

参考文献

第四章 ECC／RC组合柱抗震性能试验研究

4．1 试验介绍

4．1．1 试验参数设计

4．1．2 试件材料性能

4．1．3 试件设计与制作

4．1．4 加载装置

4．1．5 加载方案

4．2 ECC／RC组合短柱(DZ系列)试验结果与分析

4．2．1 DZ系列试验现象

4．2．2 滞回曲线

4．2．3 骨架曲线和无量纲骨架曲线及延性分析

4．2．4 承载力退化分析

4．2．5 刚度退化

4．2．6 耗能分析

4．2．7 应变分析

4．3 ECC／RC组合长柱(Z系列)试验结果与分析

4．3．1 Z系列试验现象

4．3．2 滞回曲线

4．3．3 骨架曲线与无量纲骨架曲线及延性分析

4．3．4 承载力退化

4．3．5 刚度退化

4．3．6 耗能分析

4．3．7 应变分析

4．4 小结

参考文献

第五章 ECC／RC组合柱抗震性能数值分析

5．1 MSC．MARC软件简介

5．2 本构模型

5．3 数值模拟结果与分析

5．3．1 滞回曲线与骨架曲线的对比

5．3．2 累计耗能对比

5．4 ECC／RC组合柱抗震性能影响因素分析

5．4．1 ECC高度对组合柱抗震性能的影响

5．4．2 轴压比对组合柱抗震性能的影响

5．4．3 配箍率对组合柱抗震性能的影响

5．5 小结

参考文献

第六章 基于退化三线型的ECC柱恢复力模型

6．1 典型的恢复力模型

6．1．1 曲线型恢复力模型

6．1．2 折线型恢复力模型

6．2 ECC柱的恢复力模型

6．2．1 屈服荷载Fy

6．2．2 屈服位移Δy

6．2．3 峰值荷载Fu

6．2．4 峰值位移Δu

6．2．5 退化刚度K3

6．2．6 卸载刚度Ku

6．3 滞回规则

6．4 试件Z-3各参数指标计算值与试验值的比较

6．5 小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢