超高韧性水泥基复合材料新型框架梁柱抗震节点的基本性能研究

本项目立足于材料结构一体化设计的可持续建筑新理念，从材料和结构两个层面出发，提出了一种超高韧性水泥基复合材料新型框架梁柱抗震节点，在钢筋混凝土框架结构抗震关键部位梁柱节点区局部使用超高韧性水泥基复合材料代替混凝土材料，利用其显著的非线性变形和优异的裂缝控制两个基本力学性能，提高节点核心区的抗震延性、抗剪承载力和抗裂能力，同时降低节点区箍筋用量，解决节点配筋过密，混凝土不密实等问题。进行超高韧性水泥基复合材料新型框架梁柱抗震节点的低周反复载荷试验和有限元非线性分析，研究节点核心区受力破坏耗能机理、传力机制以及轴压比和配箍率对超高韧性水泥基复合材料新型框架梁柱抗震节点抗震性能的影响关系，建立新型框架梁柱抗震节点的传力模型，提出考虑超高韧性水泥基材料和箍筋协同作用的抗剪强度计算公式。项目研究内容为提高节点抗震性能提供了一种新的技术途径，为工程设计和施工提供了科学依据，具有重要的学术和工程意义。

超高韧性水泥基复合材料（简称UHTCC）是一种短纤维增强的高性能复合材料，具有优异的裂缝控制能力，不仅断裂韧性高耗能大，且在大变形下具有较高的抗拉、抗剪能力及抗剥落能力。本项目把该材料应用于框架梁柱节点核心区及梁端或柱端塑性铰区，提出了一种超高韧性水泥基复合材料新型框架梁柱抗震节点，按“强构件弱节点”和“强节点弱构件”设计原则设计了两组共16榀足尺框架梁柱中节点，研究其在低周反复荷载下节点核心区抗剪性能和梁柱组合整体的抗震性能。为了确保核心区UHTCC的浇注质量，首先制备了自密实超高韧性水泥基复合材料。为了合理设计UHTCC梁柱节点试验试件，根据等效矩形方法提出了RUHTCC构件抗弯极限承载力的设计公式，通过引入受压区高度增大系数分析了UHTCC材料自身的抗弯贡献，建议设计中当ρ/ρb大约大于0.45时，可不考虑UHTCC贡献，直接参照钢筋混凝土理论进行抗弯设计。通过分析节点的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、刚度退化以及能量耗散能力等性能，发现UHTCC局部代替传统混凝土后对节点的抗裂影响不是很明显，但能够提高节点的极限承载能力，幅度将近2倍，在节点核心区体积配箍率减少一半且梁端箍筋间距增大50%的情况下试件的刚度退化情况优于或与普通混凝土节点相接近。这就表明UHTCC代替混凝土材料后，可降低节点区箍筋用量。通过对节点裂缝发展过程观察发现：对发生节点破坏的试件，UHTCC节点裂缝多而密，经历大变形后UHTCC仍很好地握裹着钢筋，尚未出现保护层剥落、梁端或柱端沿纵筋的粘结劈拉裂缝，结构延性好，大大降低了震后节点的修复费用；对发生梁端弯曲破坏的试件，在屈服前，UHTCC节点附近塑性铰区出现大量细密裂缝，但屈服后一旦梁端根部出现临界主裂缝，裂缝宽度迅速增大，超过混凝土节点试件，因此应采取措施使塑性铰外移。为了建立节点极限抗剪计算公式，进行了无腹筋RUHTCC梁构件的抗剪试验，发现RUHTCC梁具有较高的开裂后富余剪切强度，剪跨比的影响要明显高于配筋率影响；采用UHTCC代替混凝土后，RUHTCC梁的极限剪切强度约为相应的RC对比梁的2倍，并提出了考虑超高韧性水泥基材料应变硬化性能的抗剪强度计算公式。项目所进行的研究工作为提高节点抗震性能提供了一种新的技术途径，为工程设计提供了科学依据，具有重要的学术和工程意义。