ECC減震材料在多層工業(yè)廠房中的應(yīng)用

孫余好 邢鵬飛 吳亞華

核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 湖州 313000

絕大多數(shù)混凝土建筑物的倒塌是突發(fā)性的連續(xù)倒塌，造成這種情況出現(xiàn)的原因一方面是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的問題，另一方面是其框架結(jié)構(gòu)的破壞。主要表現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土材料的酥碎、剝落，反映出節(jié)點(diǎn)處的混凝土吸收震動(dòng)能量的能力很低，因此難以承受較強(qiáng)震動(dòng)作用。為此，國內(nèi)外學(xué)者為了改善混凝土的性能進(jìn)行了不斷的探索研究。

20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外研究人員通過外摻纖維發(fā)明了纖維增強(qiáng)混凝土（fbier reinforced concrete，F(xiàn)RC）。FRC在一定程度上能有效抑制裂縫發(fā)展，提高了混凝土本身的韌性，但其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍然表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征[1]。20世紀(jì)90年代，Li等[2]基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理，將短切亂向纖維摻入水泥基體中，得到具有應(yīng)變硬化和多縫開展的新型纖維增強(qiáng)水泥基材料，即工程設(shè)計(jì)水泥基復(fù)合材料（engineered cementitious composite，ECC）。

ECC材料在結(jié)構(gòu)的耐久性、強(qiáng)度、裂縫控制能力等方面相較于普通材料都有著很大的優(yōu)勢(shì)，由于其較高的韌性以及特有的多縫開裂特征，能較好地改善普通材料因脆性而引發(fā)的很多問題。利用材料本身具有的較好的裂縫控制性能和在梁柱連接節(jié)點(diǎn)處所形成的塑性鉸，ECC材料有著極好的震動(dòng)能量吸收能力，非常適合應(yīng)用于對(duì)抗震要求較高的建筑結(jié)構(gòu)中，對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性起著非常重要的作用。

1 工程概況

某核電廠房項(xiàng)目位于某核電廠區(qū)內(nèi)，廠房總建筑面積為6 711.19 m2，為3層框架建筑結(jié)構(gòu)，建筑總高度達(dá)13.95 m，工業(yè)廠房建筑按八度抗震設(shè)防，廠房主要用于機(jī)械加工、機(jī)床動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)等。

在我國，目前大多數(shù)有抗震要求的建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)多采用增加配筋率的方法。通常，施工中的澆筑材料還是多以普通混凝土為主，在遭遇強(qiáng)震動(dòng)荷載作用時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生瞬時(shí)崩裂破壞的現(xiàn)象，尤其是在梁柱之間的節(jié)點(diǎn)處最易先發(fā)生破壞，從而造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞以及生命財(cái)產(chǎn)的損失，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)示意

2 ECC結(jié)構(gòu)抗震性能

ECC材料較普通混凝土材料的拉壓力學(xué)性能都有顯著的提高，結(jié)構(gòu)所用材料的基本力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)性能有很大影響[3]。本文從梁、柱、節(jié)點(diǎn)和框架的抗震性能研究出發(fā)，進(jìn)一步探討ECC材料在多層工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)中抗震方面的應(yīng)用。

2.1 ECC梁

梁在建筑結(jié)構(gòu)中屬于主要受彎類型的構(gòu)件，梁在豎向荷載作用下產(chǎn)生彎曲變形，一側(cè)受拉，而另一側(cè)受壓。因此研究梁的力學(xué)性能有助于探究建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[4]。Fischer等[5]對(duì)3根縮尺比例相同的鋼筋ECC梁進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從損傷程度來看，混凝土梁比ECC梁的破壞程度嚴(yán)重，梁中的混凝土基本上完全脫落，而ECC梁則結(jié)構(gòu)相對(duì)完整。

Kanda等[6]完成了對(duì)ECC梁的周期荷載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在相同剪跨比條件下，ECC梁的抗剪承載力比普通混凝土梁提高了50%，變形能力提高了2倍以上。試驗(yàn)中ECC梁的裂縫數(shù)量要遠(yuǎn)多于普通混凝土梁，但普通混凝土梁的裂縫寬度卻遠(yuǎn)大于ECC梁的裂縫寬度，ECC梁表現(xiàn)出細(xì)裂縫和密裂縫的特點(diǎn)。

2.2 ECC柱

柱在建筑結(jié)構(gòu)中屬于主要受壓類型的構(gòu)件，因此研究柱的力學(xué)性能有助于進(jìn)一步探究建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Fischer[7]設(shè)計(jì)了4根柱截面尺寸相同的試件，在同等軸壓比及剪跨比條件下進(jìn)行了試件的抗震性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼筋混凝土柱，柱的表層混凝土發(fā)生脫落現(xiàn)象，在柱底部位形成塑性鉸，鋼筋混凝土柱破壞嚴(yán)重，試件抗彎承載力大大降低，柱的底角部位混凝土發(fā)生破碎。而對(duì)于鋼筋ECC柱，無論是在加載初期還是在加載后期，ECC柱自始至終都呈現(xiàn)出良好的變形協(xié)調(diào)能力，從未出現(xiàn)ECC材料剝落的情況。研究表明，鋼筋ECC柱的位移延性系數(shù)大大超出了鋼筋混凝土柱的位移延性系數(shù)。此外，ECC還可以滿足配筋較少情況下柱的整體強(qiáng)度要求。

汪夢(mèng)甫等[8]開展了3根柱截面尺寸與剪跨比一樣，框架柱箍筋間距不同的鋼筋ECC柱，在同等軸壓比條件下的抗震性能測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，在同等高軸壓比條件下，3根柱都出現(xiàn)了受壓破壞現(xiàn)象，當(dāng)配筋率越小時(shí)，ECC柱的力學(xué)性能能得到充分的體現(xiàn)，其抗震性能比普通混凝土柱有顯著的提高。

2.3 ECC節(jié)點(diǎn)

在建筑結(jié)構(gòu)框架中，節(jié)點(diǎn)是連接梁、柱和樓板的重要部位，是結(jié)構(gòu)傳遞受力的核心，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)受力破壞的薄弱部位[9]。普通混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，容易受力變形破壞，因此施工中通常在節(jié)點(diǎn)區(qū)域通過增加配筋率來達(dá)到加固的效果。很多學(xué)者也嘗試選用纖維混凝土在節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位來代替普通混凝土，以解決節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震動(dòng)影響下破壞失穩(wěn)的問題[10]。

Parra-montesinos等[11]將ECC代替普通混凝土應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)中，并進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)的相關(guān)試驗(yàn)研究，為從ECC材料的角度提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能提供了新的方向。研究表明，ECC節(jié)點(diǎn)較普通混凝土節(jié)點(diǎn)具有更好的變形能力，當(dāng)層間位移角達(dá)到3.9%時(shí)，節(jié)點(diǎn)使用普通混凝土材料的開始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。而使用ECC材料的節(jié)點(diǎn)在層間位移角達(dá)到5%時(shí)，還沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，仍然具有十分良好的完整性。此外，節(jié)點(diǎn)中的鋼筋也沒有發(fā)生滑移情況，減小ECC節(jié)點(diǎn)梁端箍筋的配筋率時(shí)也能擁有很好的抗震效果。

2.4 ECC框架

結(jié)構(gòu)框架是由梁、柱以及節(jié)點(diǎn)等部件一起組成的，因此上述對(duì)梁、柱以及節(jié)點(diǎn)的抗震性能探究是為探究整體ECC框架結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備的。

劉籍蔚等[12]進(jìn)行了模擬地震作用下ECC/RC組合型框架結(jié)構(gòu)抗震性能的專業(yè)試驗(yàn)分析。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用ECC材料的框架節(jié)點(diǎn)區(qū)和柱根部的承載力得到了大大的加強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算得，ECC/RC組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組合框架高5%左右。將ECC材料應(yīng)用于建（構(gòu)）筑物框架的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)區(qū)，能有效地提高框架的抗震性能。

3 ECC材料的數(shù)值模擬研究

3.1 OpenSEES模擬分析

采用基于纖維模型的OpenSEES有限元分析軟件，直接調(diào)用美國斯坦福大學(xué)的Won Lee和Sara Billington開發(fā)的循環(huán)荷載作用下ECC材料的本構(gòu)模型，參數(shù)定義是基于Kesner和Sara Billington進(jìn)行的ECC材料單項(xiàng)循環(huán)加載試驗(yàn)，研究ECC材料與普通混凝土材料在同等軸壓比條件下的骨架曲線、壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線及配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度影響的差別，探究以ECC材料代替關(guān)鍵區(qū)混凝土的可行性。

3.2 ECC材料與普通混凝土材料的性能對(duì)比分析

通過對(duì)相同條件下的ECC材料和普通混凝土的模擬分析，得出2種材料的骨架曲線及耗能曲線。通過對(duì)ECC材料和普通混凝土材料的骨架曲線（圖2）進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，ECC材料的最大位移與最大可承受荷載都要大于普通混凝土，在同等大小的荷載作用下，ECC材料的變形位移量也小于普通混凝土。

圖2 2種材料的骨架曲線

通過對(duì)圖3中2種材料的耗能分析，發(fā)現(xiàn)同等條件下的ECC材料的累計(jì)耗能要遠(yuǎn)大于普通混凝土。ECC材料的最大形變量及所需耗能也遠(yuǎn)大于普通混凝土材料。

圖3 2種材料的耗能分析

通過對(duì)相同條件下的ECC材料和普通混凝土的模擬分析，得出2種材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4中可知ECC材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通混凝土材料，因此選用ECC材料替代關(guān)鍵區(qū)域處的混凝土可以起到很大的抗震作用。

圖4 2種材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最佳配箍率的研究

通過對(duì)ECC材料節(jié)點(diǎn)配箍率從0到1.4時(shí)的節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的模擬分析得出：0.8%為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的最優(yōu)配箍率。ECC材料節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度隨其配箍率的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 ECC材料節(jié)點(diǎn)配箍率與節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

4 ECC在廠房中的應(yīng)用

4.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→模板、支架安裝→ECC制備→ECC澆筑→表面整平處理→養(yǎng)護(hù)

4.2 施工操作要點(diǎn)

4.2.1 施工準(zhǔn)備

1）施工前，確定并優(yōu)化施工方案。

2）施工前組織相關(guān)人員舉行施工操作技術(shù)培訓(xùn)及施工技術(shù)交底會(huì)議。

3）施工過程中所要用到的水泥、硅灰、外加劑、砂子、煤灰、PVA纖維等原材料需提前采購并檢測(cè)好，確保所用的各種原材料都是符合設(shè)計(jì)相關(guān)要求的。

4）施工前全面檢查及調(diào)試各種機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確保所用的各種施工設(shè)備都處于性能良好狀態(tài)。

5）支架、模板準(zhǔn)備到位。

4.2.2 模板、支架安裝

具有相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行模板及支架的安裝，采用鋼管腳手架搭設(shè)施工平臺(tái)，需注意平臺(tái)的穩(wěn)固性和作業(yè)高度，并對(duì)所用的模板以及支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，合格后方可使用。

4.2.3 ECC制備

1）ECC制備應(yīng)根據(jù)當(dāng)天的實(shí)際需要澆筑量進(jìn)行制備。

2）水泥宜選用P·O 42.5以上的硅酸鹽水泥，粉煤灰采用I級(jí)灰，尾砂或石英砂的最大粒徑不大于0.15 mm，外加劑選用減水率20%以上的聚羧酸減水劑。

3）首先將粉體材料攪拌均勻（攪拌約5 min），加入混合好的外加劑和水，再攪拌至黏流狀態(tài)（攪拌3～5 min），之后邊攪拌邊將PVA纖維均勻撒入，以確保PVA纖維的分散均勻，再攪拌約5 min后以備澆筑。

4.2.4 ECC澆筑

1）澆筑前應(yīng)對(duì)模板內(nèi)側(cè)、人工抹板、整平板等接觸ECC的部位涂刷1層隔離劑。

2）ECC澆筑宜連續(xù)澆筑，若采用分層分段澆筑，則應(yīng)在上一層ECC初凝前澆筑第2層ECC，直至澆筑完成。

4.2.5 表面整平處理

在ECC全部澆筑完畢后，采用機(jī)械并輔以人工抹平的方式對(duì)其表面進(jìn)行整平，確保結(jié)構(gòu)尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.6 養(yǎng)護(hù)

1）澆筑ECC以后，宜用塑料薄膜等遮擋養(yǎng)護(hù)，ECC澆筑后養(yǎng)護(hù)如圖6所示。

圖6 ECC澆筑后養(yǎng)護(hù)

2）澆筑ECC后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度所需自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間：平均氣溫＜10 ℃時(shí)，需要3周；10 ℃≤平均氣溫≤20 ℃時(shí)，需要2～3周；平均氣溫＞20 ℃時(shí)，需要2周。在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前禁止該部位承載重物。

4.3 ECC澆筑效果

采用ECC整體澆筑廠房的梁、板、柱及梁柱連接處等重要部位后，不僅確保了結(jié)構(gòu)安全，減小了結(jié)構(gòu)的配筋率，而且大大提高了該工程的抗震能力和延長了使用年限，完全符合設(shè)計(jì)要求。澆筑后車間內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 ECC澆筑后車間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

1）本文基于前人對(duì)ECC梁、柱、節(jié)點(diǎn)及框架的研究，得知ECC具有較好的延性和耗能能力，適用于有較高抗震性能要求的建（構(gòu)）筑物中。該核電廠房已運(yùn)行2 a，結(jié)構(gòu)及外飾層均無裂縫及破壞現(xiàn)象。

2）本文通過數(shù)值模擬軟件OpenSEES進(jìn)行的ECC材料與普通混凝土的對(duì)比模擬分析發(fā)現(xiàn)，ECC材料的變形性能要優(yōu)于普通的混凝土，進(jìn)一步證明了以ECC材料代替關(guān)鍵區(qū)普通混凝土材料的可行性。

3）本文利用OpenSEES進(jìn)行的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，核心區(qū)配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度有很大的影響，研究發(fā)現(xiàn)ECC材料的最佳配箍率為0.8%。

4）采用ECC澆筑廠房的梁、板、柱及梁柱連接處等重要部位后，不僅提高了工程的抗震能力，確保了結(jié)構(gòu)的安全，而且合理優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的配箍率，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5）本文尚未建立力學(xué)計(jì)算模型，仍需從力學(xué)角度上進(jìn)一步探究結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。