不同屈服点钢筋混凝土结构研究*

韩军 刘平

（韩军 南京建研建设工程质量安全鉴定有限公司，江苏 南京 210008）

（刘平 扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

摘要：传统的钢筋混凝土框架结构由于混凝土应变峰值低、极易破碎、极易开裂等固有缺陷在地震中出现严重的结构破坏问题。本文提出了一种新型的高阻尼钢筋混凝土结构，该混凝土结构的核心技术是采用了水泥基复合材料ECC（Engineered cementitious composite）和不同屈服点金属耗能技术，利用配筋ECC在大位移下表现出的高延性行为和不同屈服点金属弹性滞变耗能特性，使结构的变形能力和耗能能力与传统的钢筋混凝土结构相比得到数倍的提高，即使在强地震等外部强激励的情况下也能保持结构的完整性和可修复性，减少地震造成的人员伤亡和财产损失。文中重点介绍了ECC的概念、基本性能、设计原理以及目前的研究现状，其次介绍了不同屈服点金属耗能技术的原理、性能和实验研究情况。在此基础上提出整体结构的实验研究方法和思路。

关键词： ECC；不同屈服点钢筋；钢筋混凝土结构

Research on different yield metals RC structure

HanJun LiuPing

（College of Civil Science and Engineering, Yang Zhou University, 225009, Yangzhou, Jiangsu）

Abstract:The traditional reinforced concrete framework structure may be destroyed in earthquake for the inherent defects of concrete like low strain, easy breaking and easy cracking. A new high damp RC structure is introduced in this paper. It is composed by ECC and different yield strength metals. The new RC structure’s deformability and energy consumption ability is times improved then the traditional RC structure because of ECC’s high ductibility and the elastic energy consumption of the different yield strength metals. This new RC structure will be integrated and easy repaired after strong earthquake. So it can reduce the casualities and property losses in the earthquake. This paper describes ECC’s concept, performance, principle design and research situation, then introduce the theory, performance and experiment status of the different yield metals. At last this paper put forward the experiment method of this new structure.

Key words: ECC; different yield strength metals; RC structure

0 前言

传统钢筋混凝土结构充分发挥了混凝土和钢筋的特性，用抗压强度高的混凝土承担压力，用抗拉强度高的钢筋承担拉力，合理做到了物尽其用。以适筋梁破坏为例：当受拉区混凝土开裂，钢筋承担全部的拉应力。随着荷载的增加，受拉钢筋应力达到屈服强度，裂缝向上延伸，受压区混凝土达到其抗压强度而被压碎，混凝土梁破坏^[1]。但是目前混凝土应变峰值低，而对应的钢筋屈服应变却大的多，所以当钢筋屈服时，混凝土早已发生脆性破坏，这种材料特性的不同步使得材料的特性不能完全发挥，造成浪费。

本文针对上述不足，提出了不同屈服点钢筋混凝土结构。该结构是由大变形混凝土（ECC）和不同屈服点钢筋组合而成， ECC（engineered cementitious composite）是经系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料。采用基于微观力学的材料设计方法、纤维体积掺量仅为2%的ECC，其单轴拉伸荷载下最大应变大于3%^[2]，很大程度上使得钢筋和混凝土的材料性质同步。不同屈服点金属的组合，使得结构在恢复力钢筋处于弹性阶段就能有效耗散地震能量，并且在高屈服点钢筋恢复力作用下恢复结构变形，降低震后结构维修费用。

1 ECC 性能试验研究

1.1 ECC简介

ECC(Engineered cementitious composite)，是水泥基复合材料的简称，这类材料的研究开发采用了独特的结构与材料相结合的综合设计方法(Integrated Structure and Materials Design，简称ISMD)。ECC通常是以水泥或者以水泥加填料或粒径不大于5mm的细集料作为基体，用纤维做增强材料。ECC的特点是具有超高韧性，其拉应变值大于3%，且饱和状态的多点开裂，裂缝宽度小于3mm。微观结构的优化处理使ECC的纤维体积含量低于2%～3%。ECC的性能及研究方法与纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete，简称FRC)及高性能纤维增强混凝土(High Performance Fiber Reinforced Concrete，简称HPFRC)有较大差别。ECC是对FRC改进的产物，它所具有的应变-硬化特性。总之，ECC材料的设计是从应用角度，即建筑物的性能(宏观角度)上着眼，而在材料的结构、性质(微观角度)上进行调整与处理^[3]。

1.2 ECC试验研究

1.2.1试验材料

水泥：扬州绿杨水泥厂生产的 42.5MPa普通硅酸盐水泥

砂 ：中砂

纤维：安徽巢湖皖维纤维生产的PVA聚乙烯醇纤维，具体参数见表1

                               PVA纤维参数                            表1

减水剂：江都华润JD-Ⅲ型减水剂

1.2.2配合比设计

                                配合比设计                             表2

纤维掺量 0%  1%  2%  3%

本文主要研究ECC的延性、力学性能、阻尼性能。由于截稿时间限制，阻尼性能试验尚未完成，因此这里只介绍ECC的延性和力学性能的试验结果。

1.2.3延性

本课题主要通过单轴拉伸试验来研究ECC的延性和抗拉强度，使用电子万能试验机得出ECC全程应力应变曲线，试验结果如图1所示。

 

图1 纤维体积掺量分别为0% 1% 2% 3%的ECC单轴拉伸应力应变曲线

由图1可以看出普通混凝土峰值应变为0.2%左右，而纤维掺量为2%的ECC的峰值应变达到了3.6%，是普通混凝土的18倍，并且呈现出明显的应变硬化现象，表现出良好延性。

从图中还可以看出，普通混凝土的抗拉强度为3.6MPa，而ECC的抗拉强度达到了5.2MPa，比普通混凝土抗拉强度提高了44%，增强效果很明显。

图2图3为电子显微镜下ECC裂缝发展情况， ECC在单轴荷下表现出多裂缝稳态开裂的现象，裂缝宽度在70微米左右。ECC的多裂缝开裂正是ECC独特延性的来源。

图2    纤维掺量4%时微观裂缝图（29倍）   图3   5%纤维掺量裂缝分布图（29倍）

1.2.3ECC抗压强度

抗压强度采用标准的70.7×70.7×70.7mm试件测试，结果见表3

                纤维掺量分别为0%1%2%3%的ECC的抗压强度值          表3

纤维掺量	0%	1%	2%	3%
抗压强度（MPa）	45.21	55.27	58.77	55.62

由表3可以看出随着纤维掺量的增加，抗压强度有10%~20%的提高，但当纤维掺量为3%时，由于纤维掺量过大，在基体中分散不均，出现成束抱团现象，在混凝土中形成缺陷，导致抗压强度下降。

 2不同屈服点钢筋性能研究

结构的延性和耗能能力是结构抗震设计的两项重要指标^{[4, 5]}。根据三水准设防原则,我们提出这样一种复合材料^[6,7],它是由低屈服点金属和高强钢筋复合而成,这种组合在非地震荷载下是在弹性范围内工作，结构无需修理即可继续使用；在中震作用下, 高强钢筋处于弹性工作范围，低屈服点金属进入塑性区，在反复的地震荷载作用下,低屈服点金属发生塑性变形消耗掉大量的地震能量，高强钢筋在该种情况下提供结构所需的恢复力，结构经过简单加固后即可重新使用，而在强地震作用下, 高强钢筋进入塑性，低屈服点金属发生断裂，但高强钢筋没有发生断裂，变形小于允许值，结构没有倒塌。不同屈服点钢筋受力时，高强度，高模量的高强钢筋承受大部分载荷，而低屈服点金属主要作为媒介，传递和分散载荷，产生内摩擦消耗能量^[8]。

2.1不同屈服点钢筋理论研究

2.1.1本构关系理论分析

如图4所示假设①②为两种不同屈服点金属的简化本构曲线：

图4 不同屈服点金属简化本构曲线

则这两种不同屈服点金属组合的拉伸本构关系计算结果如图5所示

图5 不同屈服点金属组合计算本构关系

2.1.2 耗能性能计算分析

根据简化模型计算结果可知：

整体结构耗能=低屈服点金属的耗能=

低屈服点钢筋与高强钢筋采用图6所示的简单方式进行组合，

两端夹在电子万能试验机的夹具中，保证两种金属的变形同步。

试验所使用的钢筋参数见表4。

试验所使用的不同金属参数                       表4

2.3 计算结果与试验结果对比

本构关系试验结果和理论计算结果对比                 表5

阻尼比试验结果与计算结果比较                    表6

3大变形高阻尼钢筋混凝土结构研究

在ECC和不同屈服点钢筋复合材料研究的基础上，对两个梁端塑性铰区域采用大变形混凝土和不同去点钢筋的梁柱节点进行低周反复加载试验，通过对比试验研究不同屈服点钢筋混凝土梁的强度、刚度、变形、耗能等性能。

建筑结构抗震研究要求结构在模拟地震荷载作用下进行试验，以观测结构的强度、变形、非线性性能和结构的实际破坏状态。

结构承受地震荷载实质是承受多次反复的水平荷载作用，由于结构是依靠本身的变形来消耗地震输入的能量，所以结构抗震试验的特点是要求输入反复荷载作用，结构变形较大，试验要求做到结构构件屈服以后，进入非线性工作阶段直至完全破坏。结构低周反复试验基本能够满足上述要求。通过试验可以获得结构在反复荷载作用下的滞回曲线，从而确定结构的恢复力特性，衡量结构的耗能能力，得到与一次加载接近的骨架曲线以后结构的初始刚度和刚度退化等参数，另外还能了解结构的破坏机理^[9]。

4 结论

本文所研究的大变形高阻尼钢筋混凝土结构设计是从应用角度，即建筑物的性能(宏观角度)上着眼，而在材料的结构、性质(微观角度)上进行调整与处理。ECC的高延性大大延长了结构有效工作段，不同屈服点钢筋的加入使结构在弹性阶段就能有效耗散地震能量，在中小地震作用下结构在高强钢筋恢复力作用下能够自我修复，在强地震作用时依然能保证结构不倒塌，大大减少地震造成的生命和财产损失。

 

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