工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC),是一种具有超高拉伸延性、拉伸应变硬化和多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料。ECC材料优异的拉伸性能,成为改善构件受剪性能、提高结构抗震能力的理想材料。本文通过理论分析、试验研究及数值模拟等方法,分别从材料层次、构件层次和结构层次对ECC结构进行了系统的研究。1.材料层次：(1)基于细观力学理论和颗粒堆积理论,开展了ECC材料的配合比优化设计,并在实际配制时根据现场新拌浆体的流动性等特征,最终确定了6组较为优化的配合比。(2)对其中3组配合比ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明：所配制的ECC材料均表现出了良好的拉伸延性和不同程度的多缝开裂特征,大部分试件拉伸应变能力超过3%。(3)假设基体中的固有缺陷和纤维分布的不均匀性满足随机正态分布,建立了模拟单轴拉伸作用下多缝开裂全过程的数值分析模型。通过与单轴拉伸试验的结果进行比较,验证了本模型对ECC试件开裂应力、开裂应变、峰值应力和峰值应变预测的准确性。(4)对6组不同配合比的ECC试件分别进行了单轴受压试验和四点弯曲试验。实验结果表明：所配制的ECC均表现出了良好的拉伸延性和受压韧性,抗压强度均超过30MPa。综合评估后确定了粉煤灰比重为3.2的配合比为最优配合比,并将其应用于RECC试验柱的浇筑。2.构件层次：(1)进行了6根不同剪跨比、轴压力和配箍率的RECC柱及1根RC对比柱在低周反复荷载下的抗震性能试验研究,对不同试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力、强度退化、刚度退化等进行了较为深入的研究。试验结果表明：RECC柱表现出明显的多缝开裂特征和良好的位移延性；在相同配筋形式、轴压力和剪跨比的情况下,RECC柱发生弯曲破坏,而RC柱则发生弯剪破坏；随着剪跨比的减小,IIECC柱的屈服强度提高,受剪承载力提高,但极限位移和位移延性系数降低：配箍率的降低使得RECC柱的承载力、变形能力以及耗能能力有所降低,但影响并不十分明显,说明ECC中的纤维桥接作用能够部分代替箍筋的抗剪作用和对核心区基体的约束作用,因此本文建议对于ECC构件,可以适当降低箍筋用量以降低成本。(2)提出了RECC柱的受弯和受剪承载力理论计算方法,并与试验结果进行对比和分析,结果表明：本文推导的计算公式能够较为准确地预测RECC柱的受弯和受剪承载力。(3)分别采用条带法和桁架-拱模型推导了RECC柱屈服前的弯曲变形和剪切变形的计算方法,并与试验结果进行对比和分析,结果表明：本文推导的有效剪切刚度的计算方法能够很好地预测IECC短柱在斜向开裂后的剪切变形。(4)提出ECC材料单轴滞回本构模型SHCC01。该模型考虑了ECC单轴拉压骨架曲线、卸载-再加载规则,以及加载过程中的拉压传递模式。利用OpenSEES计算平台编写了该ECC本构模型的有限元程序,并将其应用于纤维截面梁柱单元,模拟ECC受弯构件的力学行为。通过与ECC受弯构件往复加载试验结果进行比较,验证了本文提出的单轴滞回本构模型SHCC01能够准确地反映ECC受弯构件在往复荷载下的力学性能。(5)提出用于模拟剪切效应明显的REC C构件的2D有限元模型SMMECC。该模型不仅考虑了ECC在受拉和受压时的单轴滞回本构关系,还考虑了在剪切作用下主拉应变引起的受压软化效应,以及开裂ECC单元的泊松效应。利用OpenSEES计算平台编写了该模型的有限元程序,并分别对梁、柱和剪力墙等试件进行了有限元模拟,以验证该模型的准确性和适用性。结果表明：SMMECC模型能够较为准确地反映RECC构件在剪切作用下主要的力学性能,如骨架曲线、初始刚度、屈服点、峰值点、荷载位移曲线的下降段以及捏缩效应等。3.结构层次：(1)对普通RC框架、全ECC框架和ECC/RC组合框架进行了IDA分析,通过比较各框架的IDA结构响应曲线、层间位移分布、塑性铰分布等全面地考察了3种框架在不同地震动强度水平下的结构响应和抗震能力。确定了本文提出的5种性能水准下各框架的最大层间位移角的极限值,并进行了性能成本分析。通过分析比较可知,ECC框架在地震作用下的整体变形能力最强,抗震性能最优,但建造成本过高；只在节点区域采用ECC的ECC/RC组合框架,抗震性能较普通RC框架有较大提高,且有效地降低了建造成本。(2)对出现短柱效应的RC框架和带ECC短柱的ECC/RC组合框架的抗震性能进行了分析,通过比较2种框架的IDA结构响应曲线和层间位移分布可知,带有短柱的RC框架会在短柱所在楼层形成薄弱层,使得结构在地震作用下的破坏主要集中在该层,从而大大削弱结构的抗震性能；而采用ECC材料浇筑短柱能够在一定程度上提高结构的抗震性能,使得结构的整体变形能力接近普通RC框架。