孙余好 邢鹏飞 吴亚华

核工业井巷建设集团有限公司 浙江 湖州 313000

绝大多数混凝土建筑物的倒塌是突发性的连续倒塌，造成这种情况出现的原因一方面是其结构设计上存在的问题，另一方面是其框架结构的破坏。主要表现在梁柱节点处混凝土材料的酥碎、剥落，反映出节点处的混凝土吸收震动能量的能力很低，因此难以承受较强震动作用。为此，国内外学者为了改善混凝土的性能进行了不断的探索研究。

20世纪60年代，国内外研究人员通过外掺纤维发明了纤维增强混凝土（fbier reinforced concrete，FRC）。FRC在一定程度上能有效抑制裂缝发展，提高了混凝土本身的韧性，但其拉伸应力-应变曲线仍然表现出应变软化特征[1]。20世纪90年代，Li等[2]基于断裂力学和微观力学原理，将短切乱向纤维掺入水泥基体中，得到具有应变硬化和多缝开展的新型纤维增强水泥基材料，即工程设计水泥基复合材料（engineered cementitious composite，ECC）。

ECC材料在结构的耐久性、强度、裂缝控制能力等方面相较于普通材料都有着很大的优势，由于其较高的韧性以及特有的多缝开裂特征，能较好地改善普通材料因脆性而引发的很多问题。利用材料本身具有的较好的裂缝控制性能和在梁柱连接节点处所形成的塑性铰，ECC材料有着极好的震动能量吸收能力，非常适合应用于对抗震要求较高的建筑结构中，对提高建筑结构的安全性和耐久性起着非常重要的作用。

1 工程概况

某核电厂房项目位于某核电厂区内，厂房总建筑面积为6 711.19 m2，为3层框架建筑结构，建筑总高度达13.95 m，工业厂房建筑按八度抗震设防，厂房主要用于机械加工、机床动载试验检测等。

在我国，目前大多数有抗震要求的建筑结构在设计时多采用增加配筋率的方法。通常，施工中的浇筑材料还是多以普通混凝土为主，在遭遇强震动荷载作用时，钢筋混凝土结构容易发生瞬时崩裂破坏的现象，尤其是在梁柱之间的节点处最易先发生破坏，从而造成建筑结构的破坏以及生命财产的损失，如图1所示。

图1 钢筋混凝土结构梁柱节点示意

2 ECC结构抗震性能

ECC材料较普通混凝土材料的拉压力学性能都有显著的提高，结构所用材料的基本力学性能对结构本身的力学性能有很大影响[3]。本文从梁、柱、节点和框架的抗震性能研究出发，进一步探讨ECC材料在多层工业厂房建筑结构中抗震方面的应用。

2.1 ECC梁

梁在建筑结构中属于主要受弯类型的构件，梁在竖向荷载作用下产生弯曲变形，一侧受拉，而另一侧受压。因此研究梁的力学性能有助于探究建筑结构的抗震性能[4]。Fischer等[5]对3根缩尺比例相同的钢筋ECC梁进行了相应的试验研究，结果发现，从损伤程度来看，混凝土梁比ECC梁的破坏程度严重，梁中的混凝土基本上完全脱落，而ECC梁则结构相对完整。

Kanda等[6]完成了对ECC梁的周期荷载试验研究，结果表明，在相同剪跨比条件下，ECC梁的抗剪承载力比普通混凝土梁提高了50%，变形能力提高了2倍以上。试验中ECC梁的裂缝数量要远多于普通混凝土梁，但普通混凝土梁的裂缝宽度却远大于ECC梁的裂缝宽度，ECC梁表现出细裂缝和密裂缝的特点。

2.2 ECC柱

柱在建筑结构中属于主要受压类型的构件，因此研究柱的力学性能有助于进一步探究建筑结构的抗震性能。

Fischer[7]设计了4根柱截面尺寸相同的试件，在同等轴压比及剪跨比条件下进行了试件的抗震性能研究。结果发现，对于钢筋混凝土柱，柱的表层混凝土发生脱落现象，在柱底部位形成塑性铰，钢筋混凝土柱破坏严重，试件抗弯承载力大大降低，柱的底角部位混凝土发生破碎。而对于钢筋ECC柱，无论是在加载初期还是在加载后期，ECC柱自始至终都呈现出良好的变形协调能力，从未出现ECC材料剥落的情况。研究表明，钢筋ECC柱的位移延性系数大大超出了钢筋混凝土柱的位移延性系数。此外，ECC还可以满足配筋较少情况下柱的整体强度要求。

汪梦甫等[8]开展了3根柱截面尺寸与剪跨比一样，框架柱箍筋间距不同的钢筋ECC柱，在同等轴压比条件下的抗震性能测试。研究发现，在同等高轴压比条件下，3根柱都出现了受压破坏现象，当配筋率越小时，ECC柱的力学性能能得到充分的体现，其抗震性能比普通混凝土柱有显著的提高。

2.3 ECC节点

在建筑结构框架中，节点是连接梁、柱和楼板的重要部位，是结构传递受力的核心，同时也是结构受力破坏的薄弱部位[9]。普通混凝土的抗拉强度较低，容易受力变形破坏，因此施工中通常在节点区域通过增加配筋率来达到加固的效果。很多学者也尝试选用纤维混凝土在节点等关键部位来代替普通混凝土，以解决节点在强震动影响下破坏失稳的问题[10]。

Parra-montesinos等[11]将ECC代替普通混凝土应用到建筑结构重要节点中，并进行了节点的相关试验研究，为从ECC材料的角度提高框架梁柱节点的抗震性能提供了新的方向。研究表明，ECC节点较普通混凝土节点具有更好的变形能力，当层间位移角达到3.9%时，节点使用普通混凝土材料的开始出现破坏现象。而使用ECC材料的节点在层间位移角达到5%时，还没有出现破坏现象，仍然具有十分良好的完整性。此外，节点中的钢筋也没有发生滑移情况，减小ECC节点梁端箍筋的配筋率时也能拥有很好的抗震效果。

2.4 ECC框架

结构框架是由梁、柱以及节点等部件一起组成的，因此上述对梁、柱以及节点的抗震性能探究是为探究整体ECC框架结构做准备的。

刘籍蔚等[12]进行了模拟地震作用下ECC/RC组合型框架结构抗震性能的专业试验分析。研究发现，运用ECC材料的框架节点区和柱根部的承载力得到了大大的加强。经计算得，ECC/RC组合框架的最大底部剪力比全混凝土框架高60%左右，而全ECC框架的最大底部剪力比组合框架高5%左右。将ECC材料应用于建（构）筑物框架的关键节点区，能有效地提高框架的抗震性能。

3 ECC材料的数值模拟研究

3.1 OpenSEES模拟分析

采用基于纤维模型的OpenSEES有限元分析软件，直接调用美国斯坦福大学的Won Lee和Sara Billington开发的循环荷载作用下ECC材料的本构模型，参数定义是基于Kesner和Sara Billington进行的ECC材料单项循环加载试验，研究ECC材料与普通混凝土材料在同等轴压比条件下的骨架曲线、压应力-应变曲线及配箍率对节点抗剪强度影响的差别，探究以ECC材料代替关键区混凝土的可行性。

3.2 ECC材料与普通混凝土材料的性能对比分析

通过对相同条件下的ECC材料和普通混凝土的模拟分析，得出2种材料的骨架曲线及耗能曲线。通过对ECC材料和普通混凝土材料的骨架曲线（图2）进行对比可以发现，ECC材料的最大位移与最大可承受荷载都要大于普通混凝土，在同等大小的荷载作用下，ECC材料的变形位移量也小于普通混凝土。

图2 2种材料的骨架曲线

通过对图3中2种材料的耗能分析，发现同等条件下的ECC材料的累计耗能要远大于普通混凝土。ECC材料的最大形变量及所需耗能也远大于普通混凝土材料。

图3 2种材料的耗能分析

通过对相同条件下的ECC材料和普通混凝土的模拟分析，得出2种材料的压应力-应变曲线。从图4中可知ECC材料的压应力-应变性能要远远超过普通混凝土材料，因此选用ECC材料替代关键区域处的混凝土可以起到很大的抗震作用。

图4 2种材料的压应力-应变曲线

3.3 关键节点最佳配箍率的研究

通过对ECC材料节点配箍率从0到1.4时的节点抗剪强度的模拟分析得出：0.8%为关键节点处的最优配箍率。ECC材料节点的抗剪强度随其配箍率的变化关系，如图5所示。

图5 ECC材料节点配箍率与节点抗剪强度的关系

4 ECC在厂房中的应用

4.1 施工工艺流程

施工准备→模板、支架安装→ECC制备→ECC浇筑→表面整平处理→养护

4.2 施工操作要点

4.2.1 施工准备

1）施工前，确定并优化施工方案。

2）施工前组织相关人员举行施工操作技术培训及施工技术交底会议。

3）施工过程中所要用到的水泥、硅灰、外加剂、砂子、煤灰、PVA纤维等原材料需提前采购并检测好，确保所用的各种原材料都是符合设计相关要求的。

4）施工前全面检查及调试各种机械设备运转情况，确保所用的各种施工设备都处于性能良好状态。

5）支架、模板准备到位。

4.2.2 模板、支架安装

具有相应资质的单位进行模板及支架的安装，采用钢管脚手架搭设施工平台，需注意平台的稳固性和作业高度，并对所用的模板以及支架的强度、刚度和稳定性进行验算，合格后方可使用。

4.2.3 ECC制备

1）ECC制备应根据当天的实际需要浇筑量进行制备。

2）水泥宜选用P·O 42.5以上的硅酸盐水泥，粉煤灰采用I级灰，尾砂或石英砂的最大粒径不大于0.15 mm，外加剂选用减水率20%以上的聚羧酸减水剂。

3）首先将粉体材料搅拌均匀（搅拌约5 min），加入混合好的外加剂和水，再搅拌至黏流状态（搅拌3～5 min），之后边搅拌边将PVA纤维均匀撒入，以确保PVA纤维的分散均匀，再搅拌约5 min后以备浇筑。

4.2.4 ECC浇筑

1）浇筑前应对模板内侧、人工抹板、整平板等接触ECC的部位涂刷1层隔离剂。

2）ECC浇筑宜连续浇筑，若采用分层分段浇筑，则应在上一层ECC初凝前浇筑第2层ECC，直至浇筑完成。

4.2.5 表面整平处理

在ECC全部浇筑完毕后，采用机械并辅以人工抹平的方式对其表面进行整平，确保结构尺寸符合设计要求。

4.2.6 养护

1）浇筑ECC以后，宜用塑料薄膜等遮挡养护，ECC浇筑后养护如图6所示。

图6 ECC浇筑后养护

2）浇筑ECC后达到设计强度所需自然养护的时间：平均气温＜10 ℃时，需要3周；10 ℃≤平均气温≤20 ℃时，需要2～3周；平均气温＞20 ℃时，需要2周。在达到设计强度前禁止该部位承载重物。

4.3 ECC浇筑效果

采用ECC整体浇筑厂房的梁、板、柱及梁柱连接处等重要部位后，不仅确保了结构安全，减小了结构的配筋率，而且大大提高了该工程的抗震能力和延长了使用年限，完全符合设计要求。浇筑后车间内部结构如图7所示。

图7 ECC浇筑后车间的内部结构

5 结语

1）本文基于前人对ECC梁、柱、节点及框架的研究，得知ECC具有较好的延性和耗能能力，适用于有较高抗震性能要求的建（构）筑物中。该核电厂房已运行2 a，结构及外饰层均无裂缝及破坏现象。

2）本文通过数值模拟软件OpenSEES进行的ECC材料与普通混凝土的对比模拟分析发现，ECC材料的变形性能要优于普通的混凝土，进一步证明了以ECC材料代替关键区普通混凝土材料的可行性。

3）本文利用OpenSEES进行的数值模拟分析发现，核心区配箍率对节点的抗剪强度有很大的影响，研究发现ECC材料的最佳配箍率为0.8%。

4）采用ECC浇筑厂房的梁、板、柱及梁柱连接处等重要部位后，不仅提高了工程的抗震能力，确保了结构的安全，而且合理优化了结构的配箍率，取得了一定的经济效益。

5）本文尚未建立力学计算模型，仍需从力学角度上进一步探究结构的破坏机理。