采用水泥基复合材料（ECC）的高层建筑抗震连梁设计研究

唐英丰

（广州珠江外资建筑设计院有限公司 广州 510060）

0 引言

连梁作为一种重要的耗能构件在高层剪力墙结构、框架-剪力墙结构、高层框架-核心筒结构中非常常见，用于将不同的墙肢约束起来，具有保护和调节剪力墙刚度和强度的作用。在地震作用时，连梁是抗震的“第一道防线”，起到重要的耗能作用［1-3］，大大减少剪力墙内力，延缓剪力墙屈服。工程用水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC）是一种具有应变硬化特性和多缝开裂特征的高韧性纤维增强复核材料［4］，具有优异的裂缝控制能力和能量吸收能力，经适当设计后，可大大提高连梁抗震性能和震后可修复性。

1 工程概况

1.1 工程简介

本文以1 栋26 层框架-核心筒结构为例，主体结构总高度98.85 m，其中首层、2 层和屋面机房层层高分别为5.0 m、4.5 m和5.5 m，其他楼层层高均为3.6 m，不考虑地下室。标准层总平面为48.1 m×30.0 m，角柱截面为1 000 mm×1 500 mm，边柱截面为700 mm×1 200 mm，其他柱截面为700 mm×1 000 mm，核心筒平面为21.3 m×8.3 m，剪力墙墙厚200 mm，底部加厚至300 mm。核心筒连梁高800 mm，边框梁高1 000 mm，其他框梁高800 mm。塔楼标准层平面如图1 所示，YJK和ETABS结构模型如图2所示。

图1 塔楼标准层平面布置Fig.1 Tower Standard Floor Plan

图2 YJK 和ETABS 结构模型Fig.2 Structure Model of YJK and ETABS

1.2 地震作用

本工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，场地土类别为Ⅱ类。结构抗震等级为二级。地震动参数取值如表1所示［5］。

表1 地震动参数取值Tab.1 Ground Motion Parameter Value

1.3 ECC本构

本文ECC 的本构模型通过试验获得［4］，配合比（kg/m3）采用水泥∶粉煤灰∶石英砂∶PVA纤维∶水∶减水剂∶增稠剂=357∶832∶393∶291∶7.3∶0.59∶26。PVA 纤维采用K-IIREC15×12型纤维。通过轴心抗压试验和单轴拉伸试验分别获得ECC 轴心抗压和单轴拉伸全曲线。ECC 材料轴心抗压全曲线与混凝土类似，轴心抗压强度47.8 MPa，峰值压应变0.003 36，弹性模型18 GPa。单轴拉伸全曲线如图3 所示，受拉初裂强度3.32 MPa，受拉初裂应变0.001 5，极限抗拉强度5.31 MPa，极限受拉应变0.057 2。经简化后得到ECC 本构模型［6-9］，如图4所示。

图3 ECC单轴拉伸试验全曲线Fig.3 The Full Curve of ECC’s Uniaxial Tensile Test

图4 ECC本构模型Fig.4 ECC Constitutive Model

2 结算结果分析

本文将ECC 材料应用于核心筒区连梁，分别在多遇地震、设防地震和罕遇地震情况下对比结构层间位移角、基底剪力和楼层加速度。地震波选取1 条人工波ArtWave 和2 条天然波BorregoMtn 波、Kocaeli 波，地震波反应谱与规范反应谱对比如图5所示。

图5 地震波反应谱与规范反应谱对比Fig.5 Comparison between Seismic Wave Response Spectrum and Standard Response Spectrum

2.1 YJK与ETBAS模型对比

计算模型为三维有限元模型，楼板均采用刚性楼板假定。YJK4.0 和ETABS 模型在多遇地震下质量、周期对比结果如表2，楼层剪力对比结果如图6 所示。由此可知YJK 模型与ETABS 模型吻合较好，验证了ETABS模型的正确性，可用于将ECC材料应用于核心筒区连梁的模型计算。

图6 楼层剪力对比Fig.6 Comparison of Floor Shear Force

表2 模型周期和质量对比Tab.2 Period and Quality Comparison of Models

2.2 普通连梁结构与ECC连梁结构性能对比分析

2.2.1 周期与刚度

普通连梁结构与ECC 连梁结构在的周期对比和刚重比，如表3和表4所示。

表3 周期对比Tab.3 Period Comparison

表4 刚重比Tab.4 Stiffness-gravity Ratio

结果显示，由于本高层框架-核心筒结构的连梁均为X方向，在X方向的连梁使用ECC 材料后，该方向的周期从2.566 s 增加至2.699 s，增加了5.183%，Y方向周期无明显变化。

ECC 材料的弹性模量低于混凝土材料，重度约混凝土材料的0.76 倍。由表4 可以发现，结构X方向的刚重比变化明显，从4.401 变化至3.978，减小了9.612%，Y方向几乎无变化。由此可见ECC 连梁使得结构的刚度有明显降低。

因此对后文的层间位移角、基底剪力和楼层加速度对比仅对X方向进行分析，Y方向无明显影响。

2.2.2 层间位移角

普通连梁结构与ECC 连梁结构在多遇地震和罕遇地震下，结构层间位移角对比如图7、图8所示。

图7 多遇地震下结构层间位移角Fig.7 The Inter-story Displacement Angle under Frequent Earthquakes

图8 罕遇地震下结构层间位移角Fig.8 The Inter-story Displacement Angle under Rare Earthquakes

通过在多遇地震和罕遇地震下的层间位移角对比图可以发现，最大楼层位移角位于5～8 层，将ECC替代核心筒处连梁的混凝土后，结构的X向层间位移角明显降低，各工况下路层位移角平均降低6.75%，最大降低15.2%，结构满足弹性层间位移角限值1/800和弹塑性层间位移角限值1/100要求。可见该结构在使用ECC 材料后，X方向刚度降低的情况下，结构的层间位移角仍然得到了有效的降低，为结构增加安全性和舒适性，满足“大震不倒”要求。

2.2.3 基底剪力

普通连梁结构与ECC 连梁结构在多遇地震和罕遇地震下，结构基底剪力对比如图9所示。

根据图9 可以发现，在核心筒连梁使用ECC 材料后，在多遇地震和罕遇地震下结构的X方向基底剪力得到了大幅度的降低，降低百分比在8.18%～22.4%范围内，效果极为显著。这是由于使用ECC 材料后，结构的刚度有较大减少，使得结构更具有柔性，从而降低了结构的基底剪力，能减小底部剪力墙破坏的风险，有助于结构整体承载力的提升。

图9 多遇地震和罕遇地震下结构基底剪力Fig.9 Structural Base Shear Force under Frequent Earthquakes and Rare Earthquakes

2.2.4 楼层加速度

由图10 可知，在多遇地震和罕遇地震作用下，结构的X向楼层加速度有着明显的降低，楼层越高，降低幅度越大，最大可达到18.85%。这是由于ECC 材料具有较强的应变硬化能力，并具有接近0.171%的阻尼比［10］，在不断开裂中吸收地震力，消耗地震能量。ECC 材料具有多裂缝开展的特征［11-15］，增强了连梁的耗能能力，提高了结构的整体抗震性能。

图10 多遇地震下结构楼层加速度Fig.10 Story Acceleration under Frequent Earthquakes and Rare Earthquakes

3 结论

⑴在高层结构中的连梁使用ECC 材料后，结构的刚度有着较为明显的降低，同时周期有所增加，从而减小了结构的地震力，结构的基底剪力得到了有效的降低，能减小底部剪力墙破坏的风险，有助于结构整体承载力的提升。

⑵高层结构的连梁使用ECC 材料后，在结构刚度降低的情况下，多遇地震和罕遇地震下的层间位移角有着明显降低，各工况下路层位移角平均降低6.75%，最大降低15.2%，结构满足弹性层间位移角限值1/800 和弹塑性层间位移角限值1/100 要求，达到“大震不倒”要求。

⑶ECC 材料具有较强的应变硬化能力，并具有较高的阻尼比，在不断开裂中吸收地震力，消耗地震能量从而使得结构在多遇地震和罕遇地震作用下，结构的楼层加速度有着明显的降低。ECC 材料具有的多裂缝开展特征，增强了连梁的耗能能力，提高了结构的整体抗震性能。