《Case Studies in Construction Materials》：HSSER-ECC: a novel composite for enhancing the seismic properties of prefabricated column-foundation connections
编辑推荐：
为提升预制混凝土柱-基础节点的韧性、整体性与抗震可靠性，研究者们提出了采用高强不锈钢绞线网-工程水泥基复合材料（HSSWM-ECC）局部增强的新方法。试验表明，该技术可显著推迟混凝土破坏、改善构件延性，局部填充的试件在满足抗震要求的同时，减少了34.82%的ECC用量，为装配式结构提供了高性能、高性价比的节点加固方案。
在地震面前，建筑物的“关节”部位往往是其最脆弱的一环。在装配式建筑中，预制柱与基础之间的连接节点（柱-基础节点）便是这样一个关键的“关节”，它负责传递上部结构的荷载，其性能直接决定了整体结构的抗震安全。然而，传统的混凝土节点在地震、风等动荷载作用下，常常发生脆性破坏，混凝土大面积剥落、钢筋屈曲，这严重威胁着建筑的整体性和人员的生命安全。如何让这个“关节”变得更柔韧、更能“吸收”地震能量，成为工程领域亟待解决的难题。
工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites, ECC）作为一种高性能材料，以其卓越的延性和裂缝控制能力而闻名，被视作改善节点韧性的希望。但纯ECC材料自身的力学强度相对较低。另一方面，高强不锈钢绞线网（HSSWM）与ECC的结合体（HSSWM-ECC）在梁、柱加固中已展现出优异的力学性能和裂缝控制能力。那么，将这种“强强联合”的复合材料应用到预制柱-基础节点上，效果会如何？是全面包裹更有效，还是局部增强更具性价比？为了回答这些问题，发表在《Case Studies in Construction Materials》上的这项研究，为我们带来了深入的探索。
研究者们为了系统评估HSSWM-ECC对预制柱-基础节点的增强效果，主要运用了以下几种关键技术方法：首先，设计了三种足尺试件进行对比，包括一个整体现浇（CIP）对照试件，以及两个采用不同HSSWM-ECC增强方案的预制试件（PC-P为局部ECC外壳+混凝土核心的复合截面，PC-F为全截面ECC）。其次，采用了低周往复加载试验方法，严格按照《建筑抗震试验规程》（JGJ/T101-2015）在柱顶施加水平循环位移荷载，以模拟地震作用。再者，在试验过程中，综合运用了高精度的传感器和应变片网络，系统采集了试件的荷载-位移数据、混凝土、箍筋及纵筋的应变数据，以全面分析其滞回行为、刚度退化、耗能能力及内部力学响应。
4.1. 加载过程中的破坏现象
通过对CIP、PC-P和PC-F三个试件破坏过程的详细观察和比较，可以得出明确的结论。现浇柱（CIP）的破坏模式表现为柱底混凝土大范围剥落、纵筋屈曲、箍筋外露，在柱底区域形成塑性铰，最终构件失效。相比之下，两个预制柱试件（PC-P和PC-F）的破坏位置通常位于柱与底部砂浆垫层的连接区域，这与现浇柱有显著不同。预制柱在破坏时的裂缝数量远多于现浇构件，裂缝分布更均匀，避免了应力集中，从而限制了塑性铰的形成。此外，裂缝形成时并未伴随混凝土压碎，使得构件在大位移加载过程中能持续耗能。与PC-P相比，全截面ECC试件PC-F的破坏更为均匀，其裂缝控制能力和在更大层间位移角下的抗震性能更优。本质上，HSSWM-ECC的包裹作用改善了预制柱柱底薄弱区的力学性能，并增强了整体抗震可靠性。
4.2. 滞回性能
4.2.1. 滞回曲线与承载力
滞回曲线和骨架曲线分析表明，三个试件在加载过程中都经历了线弹性、弹塑性和构件破坏三个阶段。PC-P试件在±2.5%层间位移角时达到最大荷载，PC-F在+2.5%和-2.0%时达到，而现浇柱CIP在±1.75%时即达到，这表明预制构件由于损伤集中，需要更大的变形才能达到峰值荷载。PC-F和CIP分别在4%和4.5%层间位移角时失效，PC-P则表现出更低的变形能力。这是因为全截面ECC试件PC-F允许材料属性在整个截面上均匀分布，使整个截面都能参与变形和裂缝扩展，从而实现更高的耗能。相比之下，变截面ECC试件PC-P中部为普通混凝土，延性较低，容易在应力集中区域造成局部损伤。承载力统计显示，现浇柱（CIP）的峰值承载力比预制柱试件（PC-P和PC-F）分别高10%和5%，表明预制柱已基本达到与现浇柱相同的承载力水平。然而，现浇柱的延性系数最大，表明其在强震下具有良好的变形能力。
4.2.2. 耗能能力
通过对单周耗能、每级耗能和累积耗能的分析发现，在层间位移角达到1.75%之前，三者的累积耗能较为接近。超过1.75%后，CIP试件因钢筋屈服，累积耗能迅速增加。在加载后期，预制柱试件中钢筋的滑移导致其耗能低于现浇试件。PC-P的累积耗能在早期加载阶段与PC-F增长趋势相同，但随着层间位移角增加，普通混凝土在裂缝形成后无法像ECC那样持续耗能，因此其累积耗能低于PC-F。等效粘滞阻尼系数曲线显示，在加载初期，预制柱试件由于ECC纤维的加入，其裂缝均匀分布能力优于现浇柱，因而粘滞阻尼系数较高。在加载后期，由于钢筋滑移和累积损伤，PC-P和PC-F的耗能能力减弱，而现浇柱CIP保持了更好的滞回特性，表现出更优的抗震耗能性能。
4.2.3. 刚度退化
刚度退化曲线表明，在初始阶段，现浇柱（CIP）由于整体性更好，其初始刚度略高于两个预制柱试件。然而，在后续加载过程中，ECC材料的高延性和裂缝控制能力开始显现，使得PC-P和PC-F能够在大变形下保持更好的刚度性能，抵抗快速的刚度退化。在较高层间位移角下，预制柱（特别是PC-P和PC-F）的刚度退化曲线更为平缓。这主要归因于其采用的ECC材料具有优异的裂缝控制能力和延性，能够形成细密均匀的裂缝来分散应力集中，避免刚度骤降。此外，全截面ECC试件PC-F比局部增强试件PC-P表现出更平缓的刚度退化趋势，这与ECC材料在整个截面上的连续性和完整性有关，使其在大变形下具有更好的抗裂能力和残余刚度。
5. 应变分析
5.1. 混凝土应变
混凝土应变分析揭示，所有试件沿高度方向的应变分布均呈先增大后减小的非线性特征。与PC-P（应变峰值位于550mm高度）相比，PC-F的应变峰值位置显著上移至约600mm，这表明ECC与钢绞线网的布置有效避免了连接薄弱处的应力集中。全截面ECC在PC-F中的均匀分布将应力分散到更大区域，实现了更有效的应力平均和能量耗散。而局部增强的PC-P仅在表面形成ECC层，内部普通混凝土仍保持单一主裂缝模式。
5.2. 箍筋应变分析
箍筋应变分析显示，在低周反复荷载下，现浇柱与预制柱在柱底箍筋（ZG1）处的应变演变存在显著差异。现浇柱在早期加载阶段（层间位移角1%前）就出现应变集中，峰值接近HRB400钢筋的屈服应变（2000με），这是因为现浇节点“强柱弱梁”效应引起的弯矩重分布，使柱底箍筋承受了超过85%的剪力。对ZG2（ECC过渡区）的分析显示，其应变峰值为2108με，而柱底区域的应变仅为现浇柱的45%。这种分布模式反映了预制柱中“塑性铰上移”的现象，主要变形通过灌浆套筒的刚度调节和ECC过渡层的耗能能力集中在ECC过渡区。
5.3. 纵筋应变分析
对现浇柱（CIP）纵筋应变的分析表明，在加载初期曲线呈线性，但线性段极短，表明柱底应力集中导致纵筋迅速超过弹性变形阈值。在1.5%层间位移角加载过程中，由于其应力集中，承载力迅速衰减，最终在2%层间位移角内失效，这与试验中观察到的柱底混凝土过早剥落、钢筋外露等现象一致。对预制柱纵筋应变的分析表明，在测量点S1（灌浆套筒处），纵筋在循环荷载下产生拉压应变，最大应变值为1500 με，表明灌浆套筒在整个加载过程中保持弹性工作状态，验证了其连接性能。S2位置（灌浆套筒上方约150-200mm）的应变在加载早期线性变化，当层间位移角接近2%时，钢筋最大拉应变达到2200με，表明柱纵筋在正向加载过程中处于受拉屈服状态。对比CIP、PC-P和PC-F的纵筋应变特征发现，达到屈服应变后，CIP和PC-P节点纵筋的应变值趋于稳定形成平台，反映了其在弹塑性阶段变形恢复能力的局限性。相比之下，PC-F节点的纵筋受益于ECC材料优异的拉伸性能和“裂而不碎”的本构特性，与钢筋形成协同工作体系，显著改善了弹塑性阶段的变形恢复能力。PC-F节点纵筋拉应变的最大滑移量比PC-P节点低46%，卸载阶段的残余应变仅为峰值应变的38%（PC-P节点为48%），这充分证实了ECC约束体系对钢筋塑性损伤累积的缓解作用。
本研究提出并试验了两种采用HSSWM-ECC增强的新型预制柱-基础节点，主要结论可归纳如下：首先，在延性与屈服机制方面，预制试件（PC-P和PC-F）的屈服层间位移比较现浇试件（CIP）分别提高了37.5%和62.5%，这归功于ECC的高延性和应变硬化特性，钢绞线的使用进一步通过分担应力延迟了屈服。其次，在耗能能力与破坏模式上，在早期（层间位移角≤1.5%），PC-F柱表现出最高的延性和耗能，其次是PC-P，两者均超过脆性的现浇柱。但在后期，现浇柱（CIP）发生了显著的混凝土压碎和剥落，这反而使其耗能能力增加，并超过了两
个预制试件，三者的整体耗能性能相当。这种提升源于高强钢绞线与ECC的协同作用，通过延缓性能退化和控制损伤，将破坏模式从脆性转变为延性。再者，全截面ECC配置（PC-F）与钢绞线产生最佳协同，在大位移下提升了变形和耗能能力，其峰值荷载（489.0 kN）和峰值位移（4.0%）分别比PC-P高5.2%和14.3%。最后，在经济性与实用性方面，全ECC填充试件（PC-F）在2%–3.5%层间位移角下的滞回耗能比局部ECC填充试件（PC-P）高10.5%–14.3%。然而，两者在小变形（≤1.5%层间位移角）下表现出相似的刚度和耗能。因此，PC-P配置仅使用减少了34.82%的ECC用量，即实现了可比的抗震性能，为预制组合结构提供了一种更具成本效益和实用性的解决方案。这项研究不仅深入揭示了HSSWM-ECC增强预制节点的力学机理和性能优势，而且通过对比全截面与局部增强方案，为工程实践提供了重要的设计依据和优化方向，对推动高性能、高耐久性装配式结构的发展具有重要意义。
