基于损伤机制控制的R/ECC结构抗震性能设计理论与方法研究

Based on the principle of structural ductility damage mechanism control and the idea of seismic performance design, it proposes that it replaces R/C with high-performance material R/ECC at expected damage part of R/C structure and creates a new earthquake resistant structure with tensile pseudo-strain-hardening performance and high damage resistance capacity of PVA-ECC. It takes research on the optimized mix design method and corresponding constitutive model of ECC which meet different physical properties demands of a particular structure, and reveals the behavior of bearing capacity, earthquake damage mechanism and damage tolerance of R/ECC coupling beam, shear wall partial using R/ECC, beam, beam-column assemblies which ECC are used at the end of column and joints. Then to establish the optimal deterministic method of damage mechanism and the rationalities' evaluation standard of the structural system, propose the control index limits of damage degree and control method of expected damage parts. And to create the calculation formulas of equivalent stiffness and equivalent damping ratio based on the hysteretic models of components partly adopted ECC materials and put forward the equivalent linearization method to calculate the earthquake peak response of structure. Based on above, the seismic performance design theory and method are established which of concrete structures partly use R/ECC materials based on damage mechanism control. The research results have an important theoretical significance and practical value to fundamentally improve seismic performance as well as disaster prevention and reduction of concrete structures.

利用PVA-ECC材料受拉准应变硬化性能和高耐损伤能力，基于结构延性损伤机制控制原理和抗震性能设计理念，提出在R/C结构的预期损伤部位用高性能R/ECC代替R/C，创建了新型抗震结构。研究满足不同力学性能要求的ECC材料优化配制方法和相应的本构模型；揭示R/ECC连梁、局部采用R/ECC的剪力墙、梁、柱端部和节点采用ECC材料的梁柱组合件的受力性能、地震损伤机理以及损伤容限等；建立这种结构体系的最优损伤机制确定方法及其合理性的评价标准，提出预期损伤部位的损伤程度控制指标限值以及控制方法；基于局部采用ECC材料构件的滞回模型，建立其等效刚度和等效阻尼比的计算公式，提出计算这种结构地震峰值反应的等效线性化方法。在此基础上，建立预期损伤部位采用R/ECC的混凝土结构基于损伤机制控制的抗震性能设计理论与方法。研究成果对于从根本上提高混凝土结构的抗震性能和减灾防灾，具有重要的理论意义和实用价值。

基于提高混凝土结构抗震性能的理念，提出在钢筋混凝土(RC)结构预期损伤部位用纤维增强混凝土(FRC)代替RC，创建了新型抗震结构。对FRC的力学性能进行了试验研究，建立了FRC的本构模型。对预期损伤部位采用FRC的RC柱进行了拟静力试验，评估其抗震性能，建立了压弯承载力和受剪承载力计算模型。对预期损伤部位采用FRC的RC剪力墙进行了试验研究，建立了FRC剪力墙的弯矩-曲率计算模型、压弯剪耦合作用变形能力计算模型和考虑损伤的恢复力模型。对普通配筋和对角斜筋小跨高比FRC连梁进行了试验研究，发现FRC连梁的极限位移提高了17.8%，位移延性系数提高了24.3%，强度退化和刚度退化相对缓慢；在对角斜筋上增设了拉筋以后，对角斜筋更好地发挥其抗剪和耗能作用，避免了对角斜筋沿连梁平面外压屈及两方向对角斜筋交点处FRC保护层鼓出现象；建立了FRC连梁受剪承载力计算模型。对梁、柱端及节点区采用FRC的梁柱节点进行了试验研究，发现破坏时节点区未出现FRC剥落现象；建立了考虑节点变形的FRC节点受剪承载力计算模型。提出了用等效线性化方法计算FRC新型框架结构的弹塑性地震反应。研究了柱梁抗弯承载力比和梁有效翼缘宽度对预期损伤部位采用FRC梁、板、柱组合件屈服机制的影响；表明对于纵梁每侧翼缘宽度为6倍板厚的试件，柱梁抗弯承载力比为1.4，对于纵梁每侧翼缘宽度为8倍板厚的试件，柱梁抗弯承载力比为1.2和1.4，均能实现强柱弱梁屈服机制；提出了FRC框架结构基于性能的抗震设计方法、地震易损性分析方法、抗地震倒塌能力的简化方法。以“生命安全”和“防止倒塌”为结构性能目标，采用结构位移角和墙肢基底塑性转角为性能控制指标，提出了预期损伤部位采用FRC框架-剪力墙结构基于屈服点谱的抗震性能设计方法、地震易损性分析方法和基于全概率理论的抗震性能评估方法。创建了RC框架-FRC耗能墙结构，提出了其峰值荷载点水平力的分配方法。本项目的研究成果，对于提高RC结构的抗震性能、减小震后修复费用等，具有重要的理论意义和实用价值。