ECC減震材料在多層工業廠房中的應用

孫余好 邢鵬飛 吳亞華

核工業井巷建設集團有限公司 浙江 湖州 313000

絕大多數混凝土建筑物的倒塌是突發性的連續倒塌，造成這種情況出現的原因一方面是其結構設計上存在的問題，另一方面是其框架結構的破壞。主要表現在梁柱節點處混凝土材料的酥碎、剝落，反映出節點處的混凝土吸收震動能量的能力很低，因此難以承受較強震動作用。為此，國內外學者為了改善混凝土的性能進行了不斷的探索研究。

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

ECC材料在結構的耐久性、強度、裂縫控制能力等方面相較于普通材料都有著很大的優勢，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點處所形成的塑性鉸，ECC材料有著極好的震動能量吸收能力，非常適合應用于對抗震要求較高的建筑結構中，對提高建筑結構的安全性和耐久性起著非常重要的作用。

1 工程概況

某核電廠房項目位于某核電廠區內，廠房總建筑面積為6 711.19 m2，為3層框架建筑結構，建筑總高度達13.95 m，工業廠房建筑按八度抗震設防，廠房主要用于機械加工、機床動載試驗檢測等。

在我國，目前大多數有抗震要求的建筑結構在設計時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，在遭遇強震動荷載作用時，鋼筋混凝土結構容易發生瞬時崩裂破壞的現象，尤其是在梁柱之間的節點處最易先發生破壞，從而造成建筑結構的破壞以及生命財產的損失，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結構梁柱節點示意

2 ECC結構抗震性能

ECC材料較普通混凝土材料的拉壓力學性能都有顯著的提高，結構所用材料的基本力學性能對結構本身的力學性能有很大影響[3]。本文從梁、柱、節點和框架的抗震性能研究出發，進一步探討ECC材料在多層工業廠房建筑結構中抗震方面的應用。

2.1 ECC梁

梁在建筑結構中屬于主要受彎類型的構件，梁在豎向荷載作用下產生彎曲變形，一側受拉，而另一側受壓。因此研究梁的力學性能有助于探究建筑結構的抗震性能[4]。Fischer等[5]對3根縮尺比例相同的鋼筋ECC梁進行了相應的試驗研究，結果發現，從損傷程度來看，混凝土梁比ECC梁的破壞程度嚴重，梁中的混凝土基本上完全脫落，而ECC梁則結構相對完整。

Kanda等[6]完成了對ECC梁的周期荷載試驗研究，結果表明，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。試驗中ECC梁的裂縫數量要遠多于普通混凝土梁，但普通混凝土梁的裂縫寬度卻遠大于ECC梁的裂縫寬度，ECC梁表現出細裂縫和密裂縫的特點。

2.2 ECC柱

柱在建筑結構中屬于主要受壓類型的構件，因此研究柱的力學性能有助于進一步探究建筑結構的抗震性能。

Fischer[7]設計了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行了試件的抗震性能研究。結果發現，對于鋼筋混凝土柱，柱的表層混凝土發生脫落現象，在柱底部位形成塑性鉸，鋼筋混凝土柱破壞嚴重，試件抗彎承載力大大降低，柱的底角部位混凝土發生破碎。而對于鋼筋ECC柱，無論是在加載初期還是在加載后期，ECC柱自始至終都呈現出良好的變形協調能力，從未出現ECC材料剝落的情況。研究表明，鋼筋ECC柱的位移延性系數大大超出了鋼筋混凝土柱的位移延性系數。此外，ECC還可以滿足配筋較少情況下柱的整體強度要求。

汪夢甫等[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試。研究發現，在同等高軸壓比條件下，3根柱都出現了受壓破壞現象，當配筋率越小時，ECC柱的力學性能能得到充分的體現，其抗震性能比普通混凝土柱有顯著的提高。

2.3 ECC節點

在建筑結構框架中，節點是連接梁、柱和樓板的重要部位，是結構傳遞受力的核心，同時也是結構受力破壞的薄弱部位[9]。普通混凝土的抗拉強度較低，容易受力變形破壞，因此施工中通常在節點區域通過增加配筋率來達到加固的效果。很多學者也嘗試選用纖維混凝土在節點等關鍵部位來代替普通混凝土，以解決節點在強震動影響下破壞失穩的問題[10]。

Parra-montesinos等[11]將ECC代替普通混凝土應用到建筑結構重要節點中，并進行了節點的相關試驗研究，為從ECC材料的角度提高框架梁柱節點的抗震性能提供了新的方向。研究表明，ECC節點較普通混凝土節點具有更好的變形能力，當層間位移角達到3.9%時，節點使用普通混凝土材料的開始出現破壞現象。而使用ECC材料的節點在層間位移角達到5%時，還沒有出現破壞現象，仍然具有十分良好的完整性。此外，節點中的鋼筋也沒有發生滑移情況，減小ECC節點梁端箍筋的配筋率時也能擁有很好的抗震效果。

2.4 ECC框架

結構框架是由梁、柱以及節點等部件一起組成的，因此上述對梁、柱以及節點的抗震性能探究是為探究整體ECC框架結構做準備的。

劉籍蔚等[12]進行了模擬地震作用下ECC/RC組合型框架結構抗震性能的專業試驗分析。研究發現，運用ECC材料的框架節點區和柱根部的承載力得到了大大的加強。經計算得，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材料應用于建（構）筑物框架的關鍵節點區，能有效地提高框架的抗震性能。

3 ECC材料的數值模擬研究

3.1 OpenSEES模擬分析

采用基于纖維模型的OpenSEES有限元分析軟件，直接調用美國斯坦福大學的Won Lee和Sara Billington開發的循環荷載作用下ECC材料的本構模型，參數定義是基于Kesner和Sara Billington進行的ECC材料單項循環加載試驗，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、壓應力-應變曲線及配箍率對節點抗剪強度影響的差別，探究以ECC材料代替關鍵區混凝土的可行性。

3.2 ECC材料與普通混凝土材料的性能對比分析

通過對相同條件下的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ECC材料和普通混凝土材料的骨架曲線（圖2）進行對比可以發現，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

通過對圖3中2種材料的耗能分析，發現同等條件下的ECC材料的累計耗能要遠大于普通混凝土。ECC材料的最大形變量及所需耗能也遠大于普通混凝土材料。

圖3 2種材料的耗能分析

通過對相同條件下的ECC材料和普通混凝土的模擬分析，得出2種材料的壓應力-應變曲線。從圖4中可知ECC材料的壓應力-應變性能要遠遠超過普通混凝土材料，因此選用ECC材料替代關鍵區域處的混凝土可以起到很大的抗震作用。

圖4 2種材料的壓應力-應變曲線

3.3 關鍵節點最佳配箍率的研究

通過對ECC材料節點配箍率從0到1.4時的節點抗剪強度的模擬分析得出：0.8%為關鍵節點處的最優配箍率。ECC材料節點的抗剪強度隨其配箍率的變化關系，如圖5所示。

圖5 ECC材料節點配箍率與節點抗剪強度的關系

4 ECC在廠房中的應用

4.1 施工工藝流程

施工準備→模板、支架安裝→ECC制備→ECC澆筑→表面整平處理→養護

4.2 施工操作要點

4.2.1 施工準備

1）施工前，確定并優化施工方案。

2）施工前組織相關人員舉行施工操作技術培訓及施工技術交底會議。

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好，確保所用的各種原材料都是符合設計相關要求的。

4）施工前全面檢查及調試各種機械設備運轉情況，確保所用的各種施工設備都處于性能良好狀態。

5）支架、模板準備到位。

4.2.2 模板、支架安裝

具有相應資質的單位進行模板及支架的安裝，采用鋼管腳手架搭設施工平臺，需注意平臺的穩固性和作業高度，并對所用的模板以及支架的強度、剛度和穩定性進行驗算，合格后方可使用。

4.2.3 ECC制備

1）ECC制備應根據當天的實際需要澆筑量進行制備。

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（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）澆筑前應對模板內側、人工抹板、整平板等接觸ECC的部位涂刷1層隔離劑。

2）ECC澆筑宜連續澆筑，若采用分層分段澆筑，則應在上一層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，采用機械并輔以人工抹平的方式對其表面進行整平，確保結構尺寸符合設計要求。

4.2.6 養護

1）澆筑ECC以后，宜用塑料薄膜等遮擋養護，ECC澆筑后養護如圖6所示。

圖6 ECC澆筑后養護

2）澆筑ECC后達到設計強度所需自然養護的時間：平均氣溫＜10 ℃時，需要3周；10 ℃≤平均氣溫≤20 ℃時，需要2～3周；平均氣溫＞20 ℃時，需要2周。在達到設計強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，不僅確保了結構安全，減小了結構的配筋率，而且大大提高了該工程的抗震能力和延長了使用年限，完全符合設計要求。澆筑后車間內部結構如圖7所示。

圖7 ECC澆筑后車間的內部結構

5 結語

1）本文基于前人對ECC梁、柱、節點及框架的研究，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）筑物中。該核電廠房已運行2 a，結構及外飾層均無裂縫及破壞現象。

2）本文通過數值模擬軟件OpenSEES進行的ECC材料與普通混凝土的對比模擬分析發現，ECC材料的變形性能要優于普通的混凝土，進一步證明了以ECC材料代替關鍵區普通混凝土材料的可行性。

3）本文利用OpenSEES進行的數值模擬分析發現，核心區配箍率對節點的抗剪強度有很大的影響，研究發現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，確保了結構的安全，而且合理優化了結構的配箍率，取得了一定的經濟效益。

5）本文尚未建立力學計算模型，仍需從力學角度上進一步探究結構的破壞機理。