箍筋约束ECC力学性能及应力-应变模型研究

ECC has high strength, high ductility, high durability and sustainability. It can significantly improve the antiseismic performance and shear behavior of concrete structure. For further studying on antiseismic performance of ECC members, it is essential to study mechanical behavior and to establish stress-strain model on ECC confined by stirrups. By analyzing the micro-mechanical model, ECC with high strength and high toughness are prepared. The mechanical parameters of ECC are established by the study on mechanical performance. According to the experimental study and finite element analysis of ECC columns confined by stirrups, mechanical behavior and failure mechanism are indicated. The calculating method of lateral constraint stress of stirrups is established. By considering the confining reinforcement characteristic value and PVA fiber volume content, the computational models of peak stress, peak strain and ultimate strains are proposed. The stress-strain models of ECC on uniaxial tension, uniaxial compression and stirrups confined are built, which can be embedded in the finite element program. This provides a basis for further study on seismic performance of ECC structure.

ECC材料具有高强度、高延展性、高耐久性和可持续性，可显著改善混凝土结构的抗震性能和抗剪性能。箍筋约束ECC力学性能的研究与应力-应变模型的建立是进一步研究ECC构件、结构抗震性能的基础与前提。基于微观力学的ECC设计参数分析，研制满足高强度高延性的ECC材料，通过ECC材料基本力学性能的研究，建立ECC基本力学指标；通过箍筋约束ECC柱的轴压性能试验研究与有限元分析，揭示箍筋约束ECC柱的受力规律和破坏机理，建立箍筋横向约束应力的计算方法，构建基于配箍特征值、PVA纤维体积掺量等主要影响参数的峰值应力、峰值应变和极限应变的计算模型，提出可嵌入有限元分析程序中的ECC单轴受拉、受压本构模型及箍筋约束ECC的应力-应变计算模型，为进一步研究ECC构件、结构的抗震性能提供依据。

ECC材料具有超高的韧性和良好的裂缝控制能力，可用于混凝土结构的关键部位，而较为精确的ECC应力-应变关系是进行ECC结构构件设计计算的前提。本项目采用普通细河砂替代石英砂制备出高强度高延性的PVA-ECC材料，降低了工程造价，为ECC材料的实际工程应用奠定了基础；通过单轴抗拉、劈裂抗拉、单轴受压、常规三轴受压的强度与变形性能试验，对PVA-ECC的基本力学性能进行了研究，建立了主要基本力学参数之间的关系，分析了尺寸效应与加载速率对ECC抗压强度的影响，并根据实测应力-应变曲线的特点，提出了ECC单轴受拉、单轴受压的本构模型。通过箍筋约束ECC圆形、矩形截面短柱轴心受压性能试验，研究了箍筋约束ECC短柱的受力规律和破坏机理，由于PVA纤维的桥接增韧作用，改善了ECC基体的塑性变形能力，更有利于箍筋约束效果的发挥，配箍特征值较小的箍筋约束ECC柱，仍能满足大轴压比柱延性抗震的要求；分析了PVA纤维体积掺量、箍筋间距、箍筋屈服强度、ECC强度、截面尺寸和箍筋形式等因素对约束ECC应力-应变曲线的影响，建立了不同形式箍筋横向约束应力的计算方法；采用有效约束指标来综合体现箍筋的约束作用，随着有效约束指标与PVA纤维体积掺量的增加，约束ECC的峰值应力与峰值应变增大，且有效约束指标的影响更为显著，相对于较强的箍筋约束作用，PVA纤维体积掺量对约束ECC强度和变形性能的影响则较小。基于试验结果的分析，提出了考虑有效约束指标与PVA纤维体积掺量的箍筋约束ECC峰值应力、峰值应变与延性比的计算公式，建立了箍筋约束ECC的应力-应变全曲线方程，本项目的研究成果可为进一步进行ECC结构非线性有限元分析与抗震设计提供基础依据。