GHPFRCC新型框架結(jié)構(gòu)抗火性能數(shù)值模擬研究

丁經(jīng)偉 李秀領(lǐng) ，* 魯 西 呂相蓉 叢禎剛

（1.山東建筑大學土木工程學院；2.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，濟南250101）

0 引 言

綠色高性能纖維增強水泥基復合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitions Composites，GHPFRCC）是通過大摻量工業(yè)廢料粉煤灰代替水泥，加入聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，簡稱PVA）纖維等材料制備而成，具有優(yōu)異變形、耗能以及無害化裂縫擴展能力，李秀領(lǐng)課題組［1-8］試驗確定了 GHPFRCC 最優(yōu)配合比，并將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，大大提高了建筑的抗震能力和耐久性。

常溫下GHPFRCC 材料性能優(yōu)越。羅敏等［1］進行了GHPFRCC 的單軸拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)GHPFRCC 材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線大致分為彈性上升階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段；材料的破壞過程中呈現(xiàn)多封開裂狀態(tài)。通過抗彎試驗研究，發(fā)現(xiàn)極限荷載為開裂荷載的2 倍左右；加載過程中GHPFRCC 梁的純彎段逐漸出現(xiàn)細密裂縫，隨著裂縫的逐漸增多，撓度也在逐漸加大，最終在試件的薄弱處形成主裂縫而發(fā)生破壞，GHPFRCC 構(gòu)件表現(xiàn)出了優(yōu)異的彎曲性能。王娟等［2］通過試驗測得GHPFRCC 軸心抗壓度略高于普通混凝土；GHPFRCC 試塊的彈性模量低于普通混凝土，但抗壓變形能力比普通混凝土大很多，得出GHPFRCC 棱柱體抗壓強度與彈性模量間的關(guān)系，通過擬合得到了二者關(guān)系式。

目前國內(nèi)外學者對纖維增強水泥基材料（Engineered Cementious Composite，ECC）高溫性能進行了研究。Mustafa 等［9］對 ECC 高溫后的力學性能、微觀結(jié)構(gòu)以及殘余力學性能進行了研究。吳樂樂等［6］通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高GHPFRCC 彈性模量逐漸降低，水膠比和粉煤灰替代率是影響高溫下彈性模量的主要因素。

在火災(zāi)作用下，混凝土和鋼筋的力學性能劣化嚴重，可能導致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞甚至倒塌。Han等［10］進行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架結(jié)構(gòu)的耐火試驗，結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)破壞主要是由梁跨中和柱頂端出現(xiàn)塑性鉸導致的。肖建莊等［11］進行了三榀相同尺寸的單層單跨礦渣高性能混凝土框架結(jié)構(gòu)的耐火試驗，發(fā)現(xiàn)礦渣高性能混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗火性能。時旭東等［12］進行了五榀鋼筋混凝土門式框架耐火試驗，分析了高溫下框架結(jié)構(gòu)變形和破壞特征，研究了框架內(nèi)力重分布規(guī)律以及影響極限承載力的相關(guān)因素。陸洲導等［13］對五榀單層雙跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了不同溫度、不同加熱形式下的火災(zāi)試驗，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件熱膨脹是節(jié)點產(chǎn)生位移的重要影響因素。

綜上所述，目前對GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)抗火性能的研究還較少。本文將GHPFRCC 材料應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中，進行GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)耐火試驗和有限元模擬并對比兩者分析結(jié)果，探索框架結(jié)構(gòu)溫度場分布及其位移變化規(guī)律。

1 GHPFRCC框架試驗概況

設(shè)計制作了三榀“田”字形框架，旨在研究GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)在不同受火工況下的溫度場分布規(guī)律及火災(zāi)下柱頂豎向位移?？蚣芰?、柱截面尺寸分別為160 mm×200 mm、200 mm×200 mm。構(gòu)件詳情見表1，配筋情況、位移計及熱電偶測點布置見圖1。

圖1 框架結(jié)構(gòu)配筋及測點布置（單位：mm）Fig.1 Frame structure reinforcement and measuring point arrangement（Unit：mm）

表1 構(gòu)件詳情Table 1 Parameters of specimens

GHPFRCC-1 和GHPFRCC-2 為節(jié)點核心區(qū)采用GHPFRCC 澆筑而其他區(qū)域采用C30 混凝土澆筑的框架，分別進行單腔（受火腔1）和雙腔（受火腔1、2）受火。澆筑及受火方式如圖2所示。

圖2 GHPFRCC-1、GHPFRCC-2澆筑、受火及加載方式（單位：mm）Fig.2 GHPFRCC-1，GHPFRCC-2 pouring，fire and loading method（Unit：mm）

結(jié)構(gòu)設(shè)計軸壓比為0.15，為模擬真實框架荷載情況，使用50 t千斤頂在其中一個柱頂加載，另外兩個柱頂放置分配梁，使用100 t液壓伺服控制加載。耐火試驗采用ISO-834 國際標準火災(zāi)升溫曲線：

式中：T為火災(zāi)溫度/℃；t為升溫時間/min。

2 有限元模擬

2.1 本構(gòu)關(guān)系

2.1.1 材料熱工參數(shù)

熱工參數(shù)關(guān)系著高溫下材料的變形能力，是溫度場有限元計算的基礎(chǔ)。本次模擬過程中，材料熱工參數(shù)主要包括GHPFRCC、混凝土以及鋼筋的導熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)等。

GHPFRCC 的導熱系數(shù)λ、比熱容C表達式采用李秀領(lǐng)課題組［14］確定的公式：

GHPFRCC 熱膨脹系數(shù)根據(jù)李紅兵［15］建議公式得出。

混凝土導熱系數(shù)采用歐洲規(guī)范EC4［16］建議值，比熱容Cc和熱膨脹系數(shù)c采用歐洲規(guī)范EC2［17］建議值。

鋼材導熱系數(shù)λs、比熱容Cs、熱膨脹系數(shù)s隨溫度變化的函數(shù)根據(jù)歐洲規(guī)范 EC3［18］和 EC4［16］得出。

2.1.2 高溫下材料力學性能

隨著溫度升高，鋼筋和混凝土的各項材料力學性能逐漸劣化，試件撓度變形逐漸增大，因此高溫下材料的力學性能關(guān)系著結(jié)構(gòu)變形。本文在有限元模擬中主要涉及混凝土、鋼筋和GHPFRCC的力學性能。

吳樂樂［6］給出了高溫下 GHPFRCC 彈性模量的數(shù)學表達式：

式中，fmc為軸心抗壓強度。

GHPFRCC 泊 松 比 采 用 王 娟［2］建 議 值 為0.235。

應(yīng)力應(yīng)變曲線反映了材料在外力作用下發(fā)生的脆性、塑性、屈服、斷裂等各種形變過程，是研究材料力學性能的重要指標。高溫下GHPFRCC 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)根據(jù)吳樂樂［6］得出的數(shù)據(jù)建立。

歐洲規(guī)范EC4［16］中給出了高溫下普通混凝土抗壓強度隨溫度變化的折減系數(shù)。本文中高溫下混凝土抗拉強度和彈性模量使用過鎮(zhèn)海提出的公式［19］。

基于歐洲規(guī)范EC3［18］選取鋼材屈服強度、彈性模量、泊松比隨溫度變化的函數(shù)以及高溫下鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2.2 有限元模型建立

為避免劃分網(wǎng)格時梁柱交界處形狀不規(guī)則導致的無效網(wǎng)格，在建立框架整體有限元模型后需要進行模型切割。采用順序熱力耦合分析，溫度場獨立并優(yōu)先于應(yīng)力-應(yīng)變場進行求解。首先進行ABAQUS/Standard 傳熱分析，然后在求得的溫度場基礎(chǔ)上進行熱應(yīng)力分析。在進行溫度場分析時，試驗初始溫度定義為20 ℃。鋼筋與混凝土之間的約束選用內(nèi)置區(qū)域，網(wǎng)格屬性皆定義為熱傳遞。熱力耦合模擬過程將溫度場輸出的ODB 文件作為預(yù)定義場，導入熱力耦合分析模型中，熱力耦合分析中鋼筋網(wǎng)格屬性定義為桁架，混凝土實體定義為三維應(yīng)力。

3 試驗驗證

本文以文獻［8］所做GHPFRCC 新型框架結(jié)構(gòu)抗火性能試驗為基礎(chǔ)，通過對比試驗與模擬結(jié)果，驗證模型的可靠性。

3.1 升溫曲線對比

圖3 為爐內(nèi)實際升溫曲線（lw）與模擬升溫曲線對比。

圖3 升溫曲線對比Fig.3 Comparison of heating curves

由圖3可以看出，采用ISO-834國際標準升溫曲線模擬火災(zāi)是可行的。

3.2 溫度場試驗與模擬升溫曲線對比

GHPFRCC-1、GHPFRCC-2 的升溫曲線的試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，其中，lw、1、4、5 為分別試驗測得的測點溫度，lw′、1′、4′、5′為有限元模擬測點溫度。

圖4 火災(zāi)下溫度曲線試驗及模擬結(jié)果Fig.4 Temperature curve test and simulation results under fire

框架GHPFRCC-2 試驗時火災(zāi)爐內(nèi)部分噴火器發(fā)生故障，因此試驗開始3 min 后試驗意外終止，維修20 min后重新啟動試驗，這也是爐溫升溫曲線在3～20 min 處出現(xiàn)下降段的原因。從圖4可以看出，溫度場的有限元模擬結(jié)果與試驗值吻合較好。

3.3 位移曲線試驗與模擬結(jié)果對比

將火災(zāi)下柱頂位移曲線的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如圖5所示。

由圖5 可知，有限元位移模擬結(jié)果與試驗值吻合較好。

圖5 火災(zāi)下柱頂位移曲線試驗與模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison of displacement test and simulation results of column top under fire

綜上所述，建立的有限元模型是可靠的。

4 參數(shù)分析

4.1 受火方式的影響

4.1.1 溫度場變化規(guī)律

當火勢較大，火災(zāi)會向建筑其他區(qū)域蔓延，所以有必要研究火災(zāi)下不同區(qū)域溫度場變化規(guī)律。本文研究了不同受火方式（單腔、雙腔、三腔、四腔）對GHPFRCC框架溫度場的影響規(guī)律。

框架結(jié)構(gòu)溫度場模型如圖6 所示，取中梁中間面為1-1 截面，各個測點位置如圖7 所示，其中測點 1、19 為框架邊界處，測點 2、10、18 為柱的中心，測點3、9、11、17 為梁柱交界處，測點4、8、12、16為梁澆筑GHPFRCC 區(qū)域中心，測點5、7、13、15為GHPFRCC 梁與混凝土梁交界處，測點6、14 為梁中間點。

圖6 框架結(jié)構(gòu)溫度場模型Fig.6 Temperature field model of frame structure

圖7 1-1截面各溫度測點位置Fig.7 1-1 Cross-section temperature measurement points

不同受火方式下框架溫度云圖、1-1 截面溫度云圖及1-1截面測點溫度隨時間變化曲線分別見圖8-圖10。

圖8 不同受火方式下GHPFRCC框架溫度云圖Fig.8 Temperature chart of GHPFRCC frame under different fire modes

由圖8可知，不同受火方式下框架結(jié)構(gòu)最表層的溫度基本相同，在未受火處溫度無明顯變化。

由圖9 可知，隨著受火腔數(shù)增加，內(nèi)部對應(yīng)區(qū)域溫度增大，這是由于隨著受火腔數(shù)增加，熱流量的流入量增大，導致內(nèi)部溫度上升；梁上澆筑GHPFRCC 材料區(qū)域明顯比混凝土區(qū)域溫度低，這是由于GHPFRCC 內(nèi)部纖維受熱熔融形成連通孔道，致使高溫爆裂顯現(xiàn)不明顯，表面未見有大面積脫落現(xiàn)象，高溫下GHPFRCC 澆筑區(qū)域耐火性能優(yōu)于混凝土澆筑區(qū)域。

圖9 四種受火方式1-1截面溫度云圖Fig.9 Four kinds of fire modes 1-1 cross-section temperature diagram

由圖10 可知，單腔受火下梁跨中溫度增長最快，其次是節(jié)點梁柱交界處，溫度較低的兩處為柱中心位置和梁澆筑GHPFRCC 材料區(qū)域；中節(jié)點比邊節(jié)點溫度低，這是由于單腔受火下，中節(jié)點熱量向未受火腔進行了傳導，導致該處溫度比邊節(jié)點處要低。

圖10 不同受火方式下溫度變化曲線Fig.10 Temperature change curve under different fire modes

在雙腔受火下，截面的左右兩邊以中間測點10 所在軸線呈對稱分布；最高溫度出現(xiàn)在梁跨中，其次為梁柱交界處，核心區(qū)澆筑GHPFRCC 測點溫度要比梁上澆筑C30 處溫度低，說明GHPFRCC防火性能良好。

在三腔受火下，最高溫度和次高溫度出現(xiàn)區(qū)域與單腔、雙腔相同；升溫初期，左右兩側(cè)對稱測點溫度相差不大，隨著時間的增加，左邊溫度越來越高，且右側(cè)受火腔溫度要比單腔受火腔溫度要高，這是由于三腔受火整體熱量較大，熱傳遞、熱輻射和熱對流的作用下，溫度要比單腔和雙腔的高。

四腔受火下左右兩邊呈對稱分布，溫度場與雙腔受火相似，但對應(yīng)測點溫度要比雙腔受火要高。

由此可知：單腔受火方式的未受火腔基本保持常溫；雙腔受火和四腔受火方式的構(gòu)件溫度呈對稱分布；GHPFRCC 和混凝土相交區(qū)域的溫度比完全澆筑混凝土區(qū)域低。

4.1.2 柱頂位移變化規(guī)律

圖11 為不同受火方式（單腔、雙腔、三腔、四腔）下柱頂軸向位移模擬結(jié)果。

圖11 不同區(qū)域受火柱頂位移Fig.11 Displacement of fire column top in different areas

由圖11 可知，越靠近火源熱膨脹效應(yīng)越明顯，這是因為測點遠離火源時，在未受火處引起內(nèi)力重分布，當測點靠近火源，熱膨脹效應(yīng)直接作用在測點，導致三腔和四腔受火曲線初始階段反向上升現(xiàn)象比較明顯。

隨著受火腔數(shù)的增加，柱頂位移隨之增加，這是因為框架在試驗中的變形包括溫度變形和荷載變形兩部分，升溫前由于預(yù)加荷載產(chǎn)生的初始結(jié)構(gòu)變形很小，因此試驗時框架以溫度變形為主，隨著受火腔數(shù)的增加，框架的整體溫度越高，試件剛度逐漸減小，所以軸向位移不斷增加。

4.2 核心區(qū)配箍率影響

4.2.1 溫度場變化規(guī)律

分別對核心區(qū)箍筋加密、不加密、無箍筋三種情況進行模擬。由于雙腔受火下測點溫度呈對稱分布，為方便對比三種框架溫度場，分析雙腔受火方式下構(gòu)件溫度場在上述三種情況下的變化規(guī)律，選取一側(cè)測點7、8、9、10進行計算。

圖12 為三種不同配箍率下框架溫度云圖。圖 13 為測點溫度曲線，其中，7、8、9、10 為核心區(qū)無箍筋框架對應(yīng)測點，7′、8′、9′、10′為核心區(qū)箍筋不加密框架對應(yīng)測點，7′′、8′′、9′′、10′′為核心區(qū)箍筋加密框架對應(yīng)測點。

由圖12、圖13 可知，各測點溫度隨著配箍率的減小而降低，但是溫度相差不大，這是因為鋼筋的熱傳遞系數(shù)雖然大于混凝土，但核心區(qū)的鋼筋占比并不大，所以改變核心區(qū)的配箍率對核心區(qū)整體溫度變化影響較小。但配箍率對溫度較高區(qū)域影響相對較大。

圖12 核心區(qū)不同配箍率溫度云圖Fig.12 Temperature cloud map of different coupling ratios in the core area

圖13 核心區(qū)不同配箍率測點溫度曲線Fig.13 Temperature curve of measuring points with different coupling rate in the core area

4.2.2 柱頂位移變化規(guī)律

雙腔受火下核心區(qū)不同配箍方式（箍筋加密、不加密、無箍筋）對柱頂位移的影響（軸壓比取0.15）如圖14所示。

圖14 核心區(qū)不同配箍率柱頂位移Fig.14 Column top displacement of core zone with different coupling rate

由圖14 可知，核心區(qū)配箍率對GHPFRCC 框架柱頂位移影響較小。隨著溫度升高，纖維熔化形成的孔道可以防止爆裂的發(fā)生，對核心區(qū)起到了保護作用；核心區(qū)配箍率對框架溫度的影響不大，由其引起的溫度變化對剛度的退化影響較小。

4.3 核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC的影響

GHPFRCC 等此類超高韌性水泥基材料變形能力強，不僅具有類似金屬材料拉伸強化的特征，還具有優(yōu)越的裂縫分散能力［1，20］?？紤]經(jīng)濟性和GHPFRCC 材料加固效果，將框架的節(jié)點區(qū)域核心區(qū)保護層置換成GHPFRCC 材料，模擬溫度場及柱頂位移。

4.3.1 溫度場變化規(guī)律

由于GHPFRCC 造價較高，考慮實際工程成本，將核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC 材料，其他部分澆筑C30 混凝土。該類型框架的溫度云圖見圖15。

圖15 雙腔受火下框架溫度云圖Fig.15 Temperature diagram of frame under double-cavity fire

不同澆筑方式（只在核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC、核心區(qū)全部澆筑GHPFRCC、全部澆筑混凝土）下溫度變化曲線如圖16 所示。其中6a、7a、8a、9a、10a 為只在保護層澆筑 GHPFRCC 測點 ，6b、7b、8b、9b、10b 為 核 心 區(qū) 全 部 澆 筑GHPFRCC 測點，6c、7c、8c、9c、10c 為核心區(qū)全部澆筑混凝土測點。

由圖15、圖16 可知，測點溫度從大到小分別是混凝土澆筑、保護層使用GHPFRCC 材料澆筑、核心區(qū)完全使用GHPFRCC 材料；最高溫度出現(xiàn)在混凝土澆筑節(jié)點梁柱連接處，且混凝土澆筑核心區(qū)溫度要比另外兩種大幅增加；保護層使用GHPFRCC 材料對核心區(qū)起到了很好的保護作用。

圖16 三種不同澆筑方式測點溫度變化曲線Fig.16 Three different pouring methods measuring point temperature change curve

4.3.2 柱頂位移變化規(guī)律

核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC 和核心區(qū)完全澆筑GHPFRCC 在不同受火方式下柱頂位移變化情況如圖17所示。其中，A、B、C、D分別表示核心區(qū)完全澆筑GHPFRCC 材料時單腔、雙腔、三腔、四腔受火下中柱柱頂位移，A′、B′、C′、D′分別表示核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC 材料時單腔、雙腔、三腔、四腔受火下中柱柱頂位移。

圖17 核心區(qū)不同澆筑方式柱頂位移Fig.17 Core top displacement of different pouring methods in the core area

由圖17 可知，僅在核心區(qū)保護層澆筑GHPFRCC 與核心區(qū)完全澆筑GHPFRCC 的變化趨勢相同，前者的框架柱頂位移要比后者的稍大，在60 min 內(nèi)，四腔受火下兩者最大位移的差值分別為10%、13.9%、11.6%、8.3%。

可以看出，通過GHPFRCC 置換混凝土保護層可以提高框架的抗火能力，依靠GHPFRCC 與鋼筋良好的變形協(xié)調(diào)性，提高了鋼筋的利用率，避免局部鋼筋的屈曲和混凝土的壓潰，減小框架在高溫下的位移。同時出于經(jīng)濟性的考慮，僅在框架節(jié)點區(qū)域保護層澆筑GHPFRCC是可行的。

5 結(jié) 論

通過GHPFRCC 框架耐火試驗及數(shù)值模擬分析，可得出如下結(jié)論：

（1）隨著受火腔數(shù)的增加，框架整體溫度升高，柱頂軸向位移增大。

（2）雙腔和四腔受火溫度場呈對稱分布；除梁跨中位置外，最高溫度出現(xiàn)在梁柱相交處；在GHPFRCC 和混凝土材料交界區(qū)域溫度比完全澆筑混凝土區(qū)域低。

（3）核心區(qū)使用GHPFRCC 澆筑的框架，低軸壓比下核心區(qū)配箍率對框架溫度場和豎向位移的影響較小。

（4）使用GHPFRCC 澆筑框架核心區(qū)保護層可以提高結(jié)構(gòu)的耐火性能。