高延性纤维增强水泥基复合材料抗震性能分析

安－＿＿　徽建筑　２０１２年第４期（总１８５期）　‘ｊ　延性纤维增强水泥基复合材料抗　性能分析　许薇，徐贵娥　（南通大学建筑工程学院，江苏南通２２６０１９）　－＿Ｉ。　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｈｉｇｈ　Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｅｍｅｎｔ—Ｂａｓｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　摘要：根据高延性纤维增强水泥基复合材料优异的力学性能、多缝　开裂特征、高延性、高能量吸收能力的特点，从理论上系统分析了高延　性纤维增强水泥基复合材料的增强机理及工作过程。结果显示，纤维　的加入能极大地提高水泥基体的韧性。阻止破坏裂缝的产生，从而提　高结构的强度和延性。达到抗震减灾的作用。　关键词：高延性纤维增强水泥基复合材料；抗震性能；增强机理　中图分类号：ＴＵ３７７．９　１　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００７—７３５９（２０１　２）０４—０１　５３—０２　１　概述　，ｓ册昌　∞一　嚣　普通水泥混凝土是现代土木领域应用最为广泛的建筑材　料之一，具有强度高、制备简单、耐久性强、成本低廉等特点。但　其本质上来说是一典型的脆性材料，抗拉性能极差，在外载作　用下，容易产生裂缝，从而导致结构破坏失效。随着科技不断进　步，人们对于建筑的要求不断增高，普通混凝土已不能满足建　造者的要求。针对这些问题，震　各国学者纷纷展开研究，其中，在　水泥基体中掺入各种纤维的办法，得到了广泛关注。　在这样的背景下，美国密歇根大学的Ｌｊ教授和麻省理工　的Ｌｅｕｎｇ教授【】ｌ基于细观力学和断裂力学基本原理提出了高延　性纤维增强水泥基复合材料（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ＥＣＣ）的基本设计理念。高延性纤维增强水泥基复合　材料ｌ２ｌ具体定义为：使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材　料总体积的２．５％，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化　特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可　稳定的达到３％以上。纤维掺量的适中不仅控制了成本，同时也　有利于工程技术人员大量生产和针对不同需求进一步开发。　２基本力学性能分析　重　高延性纤维增强水泥基复合材料在拉伸、弯曲等荷载作用　下，具有应变硬化和多裂缝开裂的特性，最大裂缝一般控制在　０．１ｍｍ以下，具有高抗拉性、高延性、高耐久性和高能量吸收能　力，大大提高了普通混凝土的力学性能。　对于ＥＣＣ材料，其拉伸性能尤为突出，通过实验研究，得　到了在单向拉伸荷载作用下的典型应力—应变关系，如图Ｉ所　基金项目：南通大学自然科学研究项目（编号：１１ｚ０３８）　收稿日期：２０１２－０５—１６　作者简介：许薇（１９８０一），女，江苏南通人，毕业于扬州大学，硕士；讲　师，主要从事工程力学方面的教学工作。　图１　ＥＣＣ材料单向拉伸作用下典型应力一应变关系图　ＥＣＣ材料与普通混凝土变形性能比较　表１　结　构　设　示。　计　从上述学者的研究成果中可看出，ＥＣＣ材料的具有超高的　与　研　极限拉应变，其数值高达４％　５％，并具有显著的应变硬化特　究　征。材料在拉伸的过程中，受拉区出现大量的微裂缝，且极限荷　应　用　载对应裂缝宽度仅在６Ｏ　ｍ左右，从而实现其高延性、高安全　性和高耐久性的特点。　３抗震性能分析　３．１降低结构自重　地震作用是指地震发生时地面运动加速度引起的房屋质　量的惯性力。地震作用的大小与地震本身特征、场地状况及建　筑物自身等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。　设计中，对于普通建筑，考虑建筑地震力合力的作用效应，　并通过底部剪力法将地震惯性力处理成等效水平地震作用，其　表达式为：　ＦⅡ（：仅ｌＧ　（１）　式中：ｄ　为相应结构基本自振周期的水平地震影响系数；　Ｇ　为结构等效总重力荷载，单质点取总重力荷载代表值，多质　安　点取总重力荷载代表值的８５％。　徽　对于高烈度地区的大跨度和长悬臂结构，还应考虑竖向地　建　震作用，其表达式为：　筑　ＦＥｖｌ‘＝仅　Ｇ　（２）　式中：仅一为竖向地震影响系数的最大值，可取水平地震　圜　２０１２年第４期（总１８５期）　影响系数最大值的６５％。　虽　安徽建筑　要求结构同时具有良好的变形和消耗地震能量的能力，以增强　结构的抗倒塌能力。　从ＥＣＣ材料的力学特征中可以看出，无论是受拉、受压、　受剪、受弯还是承受复杂应力状态，ＥＣＣ材料均能在破坏前产　生显著变形，其变形能力是普通混凝土构件的几倍甚至几百倍　以上，在承受某些特定荷载作用下，其延性能力更是与钢材接　近。ＥＣＣ的高延性能力无疑是其抗震性能优越的重要原因。　从计算公式中可以看出，无论是水平地震作用还是竖向地　震作用，均与结构等效总重力荷载成正比，因此，降低结构的自　重，可以减小建筑物在地震时的惯性力，从而降低建筑物的地　震反应。另一方面，重力效应在房屋倒塌过程中起着关键性作　用，自重越大，Ｐ一△效应越严重，就更加容易促成建筑物的整体　失稳而倒塌。因此，抗震设计中应尽量采取措施减轻建筑物的　自重。ＥＣＣ材料因掺人中量纤维，其水泥基体也大多采用中砂、　粉煤灰等细骨料，自重较普通混凝土低，从而带来的水平地震　作用和竖向地震作用也就小。　３．２增强钢筋粘结性能和变形协调性能　ＥＣＣ材料的高延性性能尤其在其材料的塑性变形阶段表　现突出，对于抗震设计的基本原则“大震不倒”，结构的高延性　性能尤为重要。在地震破坏后，具有足够延性的结构能够在破　坏前产生大的变形，吸收足够的地震能量，提供民众逃生时间，　并且保证破坏后，结构的整体相对完整，民众能够有躲避灾祸　的空间。　混凝土与钢筋之间的粘结性能是保证二者协调变形、共同　受力和共同工作的基础，是影响钢筋混凝土结构抗震性能的重　要因素之一。王洪昌和徐世娘通过直接拔出试验和梁式粘结试　验对ＥＣＣ与钢筋之间的粘结锚固特性和粘结本构关系进行了　研究，研究表明，ＥＣＣ可以改善以往钢筋与混凝土（或钢纤维混　凝土）之间因粘结力过大而导致脆性劈裂破坏的缺陷，ＥＣＣ在　４结语　抗震性能是评价建筑物的一项重要指标。高延性纤维增强　水泥基复合材料作为一种新型建筑材料，制备简单，能明显改　善水泥基体的各项力学性能。从抗震性能上来说，ＥＣＣ材料比　钢筋拔出时发生剪切破坏，同时试件表面出现多条放射状细裂　纹，具有延性破坏特征。　ＥＣＣ与钢筋一样具有拉伸弹塑性特性，它良好的拉伸延性　使得钢筋在达到塑性屈服时二者也能保持很好的变形协调性。　结　由于ＥＣＣ自身可承担部分拉应力，开裂后，无需ＥＣＣ与钢筋之　构　ＥＣＣ基体中的拉应力可直接通过桥联，将应力传递　设　间的粘结，计　普通混凝土自重更小，延性更高，耗能能力更强，所以，选用高　延性纤维增强水泥基复合材料能明显提高结构的抗震性能。　参考文献　【１】Ｐ．Ｋ．Ｍｅｈｔａ．Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９９０）．　与　研　给未开裂的部分。同时，ＥＣＣ可通过特有的多缝开裂，来消除钢　筋与ＥＣＣ之间的应变差异，整个构件内部应变分布均匀，避免　【２】Ｌｉ　Ｖ　Ｃ．高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用［Ｊ】．硅　酸盐学报，２０ｏ７（４）．　【３］高淑玲，徐世娘．ＰＶＡ纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研　究【Ｊｌ大连理工大学学报，２００７（２）．　应　用　究　了二者间产生剪滞效应，界面切应力水平非常低。研究表明，普　通混凝土无法与钢筋屈服后的变形相协调，而钢筋ＥＣＣ在经　历大变形之后界面仍保持完好，这一优点可以极大地提高结构　的安全性能以及抗震性能。　３．３增加结构的延性　［４】蔡向荣．超高韧性水泥基复合材料基本力学性能和应变硬化过程　理论分析［ＤＩ．大连：大连理工大学，２０１０．　［５】ＧＢ５００１　１－２００１，建筑抗震设计规范【ｓ】．北京：中国建筑工业出版　社，２００１．　弹性地震反应分析的着眼点是承载力，用加大承载力来提　高结构的抗震能力，弹塑性地震反应分析的着眼点是变形能　力，利用结构的塑性变形的发展来抵御地震，吸收地震能量。增　加结构延性，就是要求结构不仅具有必要的抗震承载力，而且　［６］王洪昌．超高韧性水泥基复合材料与钢筋粘结性能的试验研究［Ｄ】．　大连：大连理工大学，２００８．　（上接第１９７页）　符合的施工组织设计，常常很难执行，结果失去指导施工的作　及时解决，结果问题成了堆，最后只得抛开施工组织设计，盲目　用；②施工组织设计追求形式应付开工，编制时就没有打算认　真执行，仅仅是做做样子，以取得批准开工为目的，这是一种极　施工。以上四种情况，都使得施工组织设计失去意义，不能起到　它应有的重要作用。　不负责任的态度；③搞繁琐哲学，不管工程对象大小，结构复杂　程度，一律甲乙丙丁＿一大套，文字冗长，表格很多，重点不突出，　结果成效甚微；④只抓编制，不抓贯彻。影响施工生产活动的因　施工组织设计的编制重点突出是把规范的要求变成现场　操作的规矩，否则就无从落实到现场。重点检查管理人员是否　在严格按规范向下面交待，又是否严格检查下面执行情况。检　素较多，这就要求我们，一方面要严格按照施工组织设计提出　的要求，做好施工前的一切准备工作，尽可能满足施工生产的　需要，创造条件，保证施工组织设计的稳定性；另一方面，掌握　情况，预见问题，根据现场具体情况，及时将施工组织设计加以　查操作者是否真正弄懂了规范要求。检查作业成果是否真正达　到了规范标准。检查实验资料是否符合规范标准要求，而且在　施工现场重点就是专查不符合规范标准的问题，追根刨底，查　人，查原因。　按施工组织设计工作，施工准备不充分，施工中发生问题也不　墨　修改、调整、补充。保证施工组织设计的全面贯彻。有的工程不　施工组织设计的编制在建筑工程施工中起着重要的指导　作用，保证它的指导性、针对性和严肃性是十分重要的。