PVA-ECC配筋偏压柱受力分析

(湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105)

引言

混凝土裂缝的出现造成混凝土块脱落、渗水等问题对工程的耐久性产生巨大影响。PVA-ECC具有显著的拉伸应变硬化和密集平行裂缝开裂特征，满足我国对可持续基础设施发展提出安全性和耐久性的要求[1]。涂油处理后的高性能聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)成本高昂，所需材料来自外地甚至需要从国外进口[2]，不利于广泛推广使用。材料本地化，减少费用的同时获得与钢筋相匹配的拉伸应变，充分发挥材料性能。PVA-ECC较高的延展性，拉伸应变为0.5%的ECC基体是能保ECC在钢筋屈服前没有失效，然而拉伸应变超过1%将会超过钢筋的极限拉应变。工程中太多数的柱都不是理想状态下的轴心受压，因此对结构设计时会考虑偏心受压。本文通过MATLAB进行编程，对配筋的PVA-ECC混凝土进行偏压柱进行受力分析，为今后结构设计提供参考。

一、PVA-ECC混凝土本构关系

本地化的PVA-ECC受压本构关系采用折线受压模型，模型分为前峰值阶段和后峰值阶段，通过单轴受压试验得到材料的特征参数。单轴受拉应力应变关系用三条线表示，这种模型在试验中很好地呈现材料的反应而被很多研究者肯定[3],不仅描述简单而且也适合进行数值模拟[4]。

二、截面轴心受压非线性分析

(一)计算理论

采用简化的线型模型计算结构破坏，分为受拉破坏和受压破坏两种类型。

1.受压破坏：PVA-ECC截面受压区先于受拉区破坏

(1)截面受压区破坏时受拉区边缘仍处于弹性阶段。

(2)截面受压区破坏时受拉区边缘处于单线性应变硬化阶段。

2.受拉破坏：PVA-ECC截面受拉区先于受压区破坏

(1)截面受拉区破坏时受压区边缘仍处于弹性阶段。

(2)截面受拉区破坏时受压区边缘处于单线性应变硬化阶段。

(二)PVA-ECC混凝土轴力大小对截面影响

基本参数：截面尺寸0.25m×0.5m,保护层厚度as=0.04m。对未配筋的PVA-ECC施加100KN～4000KN的轴力，得到不同轴力作用下曲率-弯矩的关系。从输出的图形中可以看出，刚开始为线性阶段，后期随曲率的增加而平缓上升达到最大弯矩值。截面抗弯承载能力随轴力的增大而增大，而截面的延性先增大后减小。当压应变达到峰值压应变后，弯矩随着曲率的增加先急剧下降而后平缓下降，构件转变为受压破坏。对配筋的PVA-ECC，采用HRB400钢筋对称配筋。钢筋的应力应变曲线分为弹性阶段和后塑性阶段，钢筋的极限应变通常取0.01。钢筋直径20mm，配筋率1.5%，截面矩的最大承载能力为8.38×103KN。整个受压过程可以分为三个阶段：1.钢筋处于线弹性阶段。2.钢筋屈服到PVA-ECC的前峰值应变阶段。3.PVA-ECC混凝土达到受压后峰值阶段，裂缝继续扩展材料失效。配筋后的PVA-ECC，截面的承载能力显著提高。截面的承载能力随轴力先增大后减小，截面延性却不断下降，为了保证柱的拥有足够的塑性变形能力，在结构设计时要限制构件的轴压比。

在2440KN的轴力作用下,截面的最终受压区高度刚好为截面高的一半，在该轴力下对比了不同配筋率对截面弯矩-曲率的影响。结果显示，随着配筋率的增加截面的承载能力也逐渐增加，而延性几乎没有变化。显然配筋率对截面弯矩承载能力是有影响的，但基本上不改变曲线的走向。弯矩-曲率关系图出现了两个明显的转折点，呈现三折线特点，这与普通配筋混凝土类似。第一个转折点是由于曲率增大，受拉区的PVA-ECC拉应变达到断裂应变，此时对应的曲率和弯矩分别为开裂曲率和开裂弯矩。PVA-ECC开裂，相当于等效刚度降低，故弯矩-曲率关系图的斜率变小。第二个转折点是由于受拉区的钢筋达到屈服点，应变不断增加但应力保持不变。增加截面抵抗弯矩的能力主要靠增加力臂来实现，抵抗弯矩的效率较前一阶段大大降低，弯矩-曲率关系图的斜率变小。曲率的继续增加，弯矩逐渐趋于一个最大值，此状态对应受压区配筋PVA-ECC被压坏。在截面曲率不是很大的情况下，一般截面处于大偏心受压。而大偏心破坏时，轴压比的增大，截面承载能力也随着提高，延性却降低了。

(三)PVA-ECC混凝土不同配筋率M-N曲线对比

通过MATLAB程序得到0.54%、1.09%、1.61%、2.01%四种配筋率情况M-N曲线，可以看出，当构件处于轴心受压情况下，配筋PVA-ECC构件的轴力随着配筋率的增加而增加。当构件的轴力接近于零时,构件在纯弯状态下，构件的抵抗弯矩的能力随着配筋率的增大而增加。当轴力达到3300KN时，所有构件弯矩都达到最大值。构件在不同配筋率下，界限破坏轴力始终相等。配筋率为0.54%的大小偏心界限为e0=174mm,可作为今后实验可工程设计的计算依据。

三、PVA-ECC混凝土非线性分析

在轴压力不变的情况下，受力点离截面形心越大，偏心柱的挠度就越大。柱的承载能力随着偏心距的增大逐渐降低。当构件下部处于拉伸应变硬化时且钢筋正好达到屈服状态，构件弯矩达到最大值，即达到界限破坏。因此，构件如果处于小偏心受压状态时，受压构件的受压侧PVA-ECC将先被压碎。另侧则可能处于受拉或受压状态，受压时则处于弹性状态或屈服状态，受拉时则处于弹性状态。构件如果处于大偏心受压状态，受压构件的受压侧PVA-ECC则先被压碎，另侧PVA-ECC为受拉状态而钢筋为屈服状态。在偏心距为0.3m条件下，偏心柱的长度对其强度和延性都有非常大的影响。总的来说，随着跨度的增加，柱的承载力会迅速下降，而延性则会较明显的增加。这是因为在相同偏心距下，柱长度的增加会使其二阶弯矩增加，进而导致各截面曲率增加，挠度也相应增加。

四、结语

PVA-ECC制作的钢筋混凝土结构能充分发挥材料的力学性能。配筋后的偏心受压柱体承载能力随轴力先增大后减小，而截面延性却呈现不断下降趋势，为了保证偏心柱有足够的塑性变形能力，进行结构设计时要控制构件的轴压比。配筋率为0.54%的大小偏心界限为e0=174mm,可作为今后工程设计的计算依据。

[1]V.C.Li,S.Wang,C.WuTensile strain-hardening behavior of polyvinyl alcohol engineered cementitious composite(PVA-ECC).ACI Mater.J.Am.Concr.Inst.,98(2001),pp.483-492

[2]J.Zhou,J.Pan,C.Leung.Mechanical behavior of fiber-reinforced engineered cementitious composites in uniaxial compression.J.Mater.Civ.Eng.,27(2015)p.04014111

[3]唐微.PVA-ECC受压构件计算理论及有限元分析[D].华南理工大学，2016

[4]潘华,邱洪兴.钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳性能数值模拟[J].东南大学学报(自然科学版),2006,(6).