火災下超高性能混凝土梁斜截面承載性能

馬文峰 閆凱 蔡浩

摘要：為探究火災下超高性能混凝土（ultra high performance concrete， UHPC）梁斜截面承載性能的退化與損傷演化規律，采用Abaqus建立16個UHPC梁的熱-力耦合分析模型，選擇剪跨比、載荷水平、配箍率、箍筋配置方式、縱筋配筋率等作為考察參數，通過與試驗結果對比驗證模型的正確性。火災下UHPC梁斜截面承載性能削減嚴重，其破壞延性優于普通混凝土梁。載荷水平和箍筋配置方式是影響UHPC梁耐火極限的主要因素：隨著載荷水平增大，耐火極限降低;配置箍筋可以提高試驗梁在火災下的延性，但降低其耐火極限。

關鍵詞：

斜截面; 損傷; 熱-力耦合; 延性; 耐火極限

中圖分類號：TU375.1;TP391.99

文獻標志碼：B

Bearing capacity of ultra high performance concrete beam under fire

MA Wenfeng1， YAN Kai1， CAI Hao2

（1. School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;

2. Government of Dajinkou Township， Taian 271000， Shandong， China）

Abstract：

To explore the degradation and damage evolution of the bearing capacity of ultra high performance concrete（UHPC） beams under fire， the thermal-mechanical coupling analysis models of 16 UHPC beams are built by Abaqus. The shear-span ratio， load level， stirrup ratio， stirrup configuration and longitudinal reinforcement ratio are selected as the inspecting parameters. The validity of the models is verified comparing with the experimental results. The bearing capacity of the inclined section of the UHPC beam is seriously reduced under fire， and its failure ductility is better than that of ordinary concrete beams. The load level and the stirrup configuration are the main factors affecting the extreme limit of fire resistance of the UHPC beams： with the increase of the load level， the extreme limit of fire resistance decreases; stirrups can improve the ductility of the test beam under fire， but the extreme limit of fire resistance decreases.

Key words：

inclined section; damage; thermal-mechanical coupling; ductility; extreme limit of fire resistance

0 引 言

超高性能混凝土（ultra high performance concrete， UHPC）具有超高強度、低滲透性和高耐久性，是近年來研究的熱點材料。遭受火災高溫時，UHPC結構內部溫度升高，各材料性能退化嚴重，極易發生爆裂，嚴重影響其承載性能。斜截面破壞是混凝土結構倒塌的主要原因之一，因此研究UHPC梁的斜截面破壞機理具有重要的工程應用價值。

ZHENG等[1]研究溫度、聚丙烯纖維含量、鋼纖維含量、保溫時間、試樣尺寸和爆炸剝落對活性粉末混凝土（reactive powder concrete， RPC）高溫力學性能的影響，結果認為添加2%鋼纖維和0.2%聚丙烯纖維可以防止爆炸剝落，顯著提高RPC的抗壓和抗拉強度。聚丙烯纖維和鋼纖維含量對混凝土破壞方式、爆炸剝落、抗壓強度和抗拉強度均有重要影響。當溫度為100 ℃時，RPC立方體的抗壓強度降低;當溫度升高至200～500 ℃，RPC立方體的抗拉強度降低。YAN等[2] 研究不同溫度下鋼纖維活性粉末混凝土（steel fiber-reinforced reactive powder concrete， SRPC）的抗壓性能，試驗結果表明：隨著溫度升高，SRPC的軸向抗壓強度近似呈線性退化;鋼纖維能夠有效提高SRPC在火災下的抗壓強度和延性，且在室溫和高溫條件下鋼纖維體積摻量均為2%可使SRPC具有良好的抗壓性能。TAI等[3]在準靜態加載條件下開展高溫后RPC應力-應變關系試驗，認為隨著溫度升高，RPC的殘余抗壓強度先增加后明顯降低，RPC的殘余壓力峰值也先增大然后逐漸減小，彈性模量隨溫度的升高而減小。鞠楊等[4]采用傳熱學和固體物理方法分析RPC的微觀傳熱機理與熱傳導性質隨溫度和鋼纖維摻量變化的物理機制，結果認為隨著鋼纖維摻量的增大，RPC的熱擴散能力提高，熱導率上下波動，線膨脹系數和比熱容先增加后降低，并且比熱容降低更顯著。

目前，對火災下UHPC的研究多集中于材料屬性方面，對大體積UHPC結構構件的研究較少，關于火災下UHPC梁斜截面承載性能的研究鮮有報道。本文利用Abaqus建立UHPC梁的熱-力耦合模型，探究剪跨比、載荷水平、縱筋配筋率、配箍率和箍筋配置方式等參數對火災下UHPC梁斜截面承載性能的影響規律，分析火災下UHPC梁斜截面的破壞機理和損傷演化規律。

1 理論分析

在高升溫速率下，UHPC梁剪彎段的高溫爆裂可防控性差，承載力設計方法缺乏理論支撐。UHPC內部結構致密，火災下極易發生爆裂，且爆裂發生前無明顯預兆，隨機性強。[5]廣泛應用的UHPC高溫爆裂理論是蒸汽壓力理論[6]和熱應力理論[7]。UHPC梁剪壓區內力復雜、極易爆裂，導致按“強剪弱彎”設計的梁最終剪切破壞可能先于彎曲破壞，破壞呈現脆性。[8]水膠比、纖維種類和纖維摻量是導致火災下UHPC發生爆裂的主要因素，升溫速率、試件尺寸和應力水平等因素也對爆裂產生影響。目前，UHPC高溫爆裂試驗多采用溫升速率較小、無外載荷作用的小尺寸試件，試驗結果對實際工程中UHPC構件高溫爆裂防控的適用性較低。UHPC高溫爆裂機理和防控措施是UHPC抗火災研究的重點和難點之一。

UHPC梁斜截面抗剪承載力設計普遍參考《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）[9]、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）[10]，鋼纖維、箍筋、縱筋等因素對UHPC梁斜截面抗剪承載力的影響一般根據經驗確定。火災下UHPC梁各種材料性能退化嚴重，僅根據經驗難以準確把握。因此，UHPC梁斜截面抗火設計亟待理論研究指導。

高熱導率和非線性溫度場的UHPC梁斜截面抗力衰減幅度大。UHPC與普通混凝土的比熱容和熱導率對比見圖1。

在0～1 000 ℃升溫過程中：由于鋼纖維摻入，當溫度相同時，UHPC熱導率顯著高于普通混凝土熱導率[11];UHPC的比熱容低于普通混凝土[12]，在遭受火災侵襲時，普通混凝土梁內部相同位置的溫度顯著低于UHPC梁。在高溫升速率下，UHPC各組成材料性能退化規律與普通混凝土接近[13-15]，因此當截面尺寸和溫升速率相同時，UHPC梁斜截面承載性能退化程度明顯大于普通混凝土梁。

UHPC梁的斜截面剪力傳遞機制使其火災防御性能降低。在混凝土梁斜截面剪力傳遞過程中，無腹筋普通鋼筋混凝土梁斜截面承載力由混凝土受壓區截面承擔的剪力Vc、縱筋銷栓力Vd和斜截面裂縫處骨料咬合力Va組成，而無腹筋UHPC梁斜截面承載力還包括鋼纖維橋聯作用力Vf。[16]普通混凝土梁與UHPC梁剪力傳遞機制見圖2。普通混凝土梁斜截面承載力的30%～50%來源于骨料咬合力;UHPC材料剔除粗骨料，因此骨料之間的機械咬合作用明顯減弱，UHPC梁斜截面承載力試驗值比預估值低[17]。在火災高溫作用下，UHPC梁中鋼纖維的橋聯作用隨溫度升高迅速衰退，嚴重影響UHPC梁斜截面剪力傳遞的安全性。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數

設計16個UHPC梁模型試件，研究剪跨比、載荷水平（施加載荷/極限施加載荷）、配箍率、箍筋配置方式、縱筋配筋率和縱筋配置方式等參數對UHPC梁斜截面承載性能的影響。梁試件長3.7 m，截面尺寸為250 mm×350 mm，詳細參數見表1，其中Vu為抗剪承載力。

采用張浦[17]提出的UHPC梁斜截面抗剪承載力估算公式為

Vu=2.297α1c（1+1.162ρ）λ+0.618ftbh0+

（1.345+0.131λ）fyρsbh0

（1）

式中：α1為預應力提高因數;c為受壓翼緣影響因數;ρ為斜截面內普通縱向受拉鋼筋的配筋率;λ為剪跨比;ft為混凝土軸心抗拉強度;b為混凝土截面寬度;h0為混凝土截面有效高度;fy為箍筋抗拉強度;ρs為箍筋率。

2.2 有限元單元和本構關系設置

運用Abaqus軟件建立UHPC梁的有限元模型，對火災作用下的UHPC梁進行熱-力耦合非線性分析。模擬試驗梁三面受火，UHPC的熱-力耦合模型中混凝土采用8節點三維實體單元DC3D8，鋼筋采用2節點桿單元DC1D2，梁和鋼筋模型的網格尺寸為25 mm。UHPC梁構件整體有限元模型見圖3。

2.2.1 UHPC的本構關系

選用ZHENG等[1]提出的UHPC相對抗壓強度隨溫度變化的關系式，

fcu，Tfcu，20=0.99-1.02T1 000

（2）

式中：T為計算溫度;fcu，T為升溫到T時UHPC立方體的抗壓強度;fcu，20為常溫20 ℃時UHPC立方體的抗壓強度。

選用ZHENG等[1]提出的UHPC抗拉強度隨溫度變化的關系式，

ft，Tft，20=0.98-0.925T1 000， 20 ℃

（3）

式中：ft，T為升溫到T時UHPC的抗拉強度;ft，20為常溫20 ℃時UHPC的抗拉強度。

選用ZHENG等[1]提出的UHPC彈性模量隨溫度變化的關系式，

E0，TE0=Ep，TEp=-0.012+1.089exp（-0.003 8T），

20 ℃

（4）

式中：E0和E0，T分別為常溫和升溫到T時UHPC的彈性模量;Ep和Ep，T分別為常溫和升溫到T時UHPC的峰值割線模量。

選用ZHENG等[1]提出的鋼纖維摻量1%～3%的UHPC應力-應變隨溫度變化的關系式，

σfc，T=mεεc，T+（3-2m）εεc，T2+（m-2）εεc，T3，

0≤εεc，T<1

εεc，Tnεεc，T2+εεc，T-1，

εεc，T≥1

（5）

式中：σ為應力;εc，T為溫度T時UHPC的峰值應變;fc，T為溫度T時UHPC的軸心抗壓強度;m為應力-應變曲線上升段參數;ε為UHPC的應變。鋼纖維摻量1%～3%的UHPC應力-應變曲線見圖4。

選用ZHENG等[1]提出的鋼纖維摻量為2%的UHPC熱導率γ隨溫度變化的關系式，

γ=1.44+1.85exp-T242.95

（6）

鋼纖維摻量2%的UHPC熱導率隨溫度變化曲線見圖5。

選用ZHENG等[1]提出的UHPC比熱容c隨溫度變化的關系式，

c=950，20 ℃≤T≤100 ℃

950+（T-100），100 ℃

1 150+（T-300）/2，300 ℃

1 300，600 ℃

（7）

選用ZHENG等[1]提出的UHPC線膨脹系數εth隨溫度變化的關系式，

εth=-0.090 64+16.97T1 000， 20 ℃≤T≤800 ℃

（8）

2.2.2 鋼筋的本構關系

采用歐洲混凝土抗火設計規范（EC2-1-2）提出的鋼筋的屈服強度、彈性模量、應力-應變關系、熱導率和比熱容等屬性隨溫度變化的建議值。

2.3 熱-力耦合分析模型驗證

采用火災下無腹筋UHPC梁試件，編號定為B7-W，驗證有限元精細化模型的正確性。梁試件B7-W鋼筋等級為HRB500，縱筋配筋率為5.6%，剪跨比為3.0，載荷水平為0.45，詳細配筋見圖6。

建立火災下B7-W梁試件斜截面承載性能分析模型，三面受火，溫升曲線采用試驗實測的爐溫，得到B7-W底部縱筋溫度曲線和跨中位移曲線見圖7、應力云圖見圖8。仿真分析得到的底部縱筋溫度與B7-W的實測值吻合較好，耐火極限模擬值與試驗值誤差約為2 min，模型剪壓區應力增大的區域與B7-W試件開裂處基本吻合。運用Abaqus對UHPC梁進行熱力耦合分析，可以較好地反映斜截面損傷演化規律和破壞機理。

3 結果分析

3.1 分析參數

對火災下UHPC梁斜截面承載性能進行擴參數分析，分析參數設置見表2。

3.2 剪跨比

當試件剪跨比為1.5、2.5和3.5時，火災下UHPC梁的跨中位移曲線見圖9。隨著試驗梁受火時間的增長，混凝土和鋼筋材料性能退化，當試驗梁抗剪承載力削減到與施加載荷值相等時，構件持荷不住，曲線斜率顯著增大，達到耐火極限，整個破壞過程呈現脆性。剪跨比是影響UHPC梁耐火極限的重要參數，當剪跨比由1.5增加至3.5時，試驗梁耐火極限提高約70 min。當剪跨比為2.5和3.5時，UHPC梁的位移變化呈現3個階段，即受火前期緩慢增長階段、受火中期顯著增長階段和受火后期急速增長階段;當剪跨比為1.5時，UHPC梁的位移變化只有受火前期緩慢增長階段和受火后期急速增長階段，此時破壞脆性明顯且延性系數低。相同剪跨比時，有腹筋梁的延性高于無腹筋梁。

3.3 縱筋率

當試件縱筋率為5.6%、6.2%和7.1%時，火災下UHPC梁跨中位移曲線見圖10。

隨著縱筋率增大，UHPC梁的耐火極限明顯提高;當有腹筋UHPC梁的縱筋率超過6.2%時，試驗梁耐火極限增幅減小。火災下無腹筋UHPC梁和縱筋率為6.2%的有腹筋UHPC梁的跨中位移變化均呈現3個階段，即受火前期緩慢增長階段、受火中期顯著增長階段和受火后期急速增長階段。有腹筋UHPC梁的縱筋率為5.6%和7.1%時，跨中位移從緩慢增長階段直接變化到急速增長階段，沒有顯著增長階段。在火災下，不同縱筋率時無腹筋UHPC梁和有腹筋UHPC梁均呈現脆性破壞。

3.4 載荷水平

當試件載荷水平為0.50和0.60時，火災下UHPC梁跨中位移曲線見圖11。載荷水平是影響UHPC梁耐火極限的關鍵因素：載荷水平增大，UHPC梁耐火極限顯著降低，恒載升溫時梁斜截面的應力顯著增加，斜截面受力復雜，加速試驗梁的破壞。載荷水平由0.50升到0.60時，無腹筋UHPC梁耐火極限縮短約40 min，有腹筋UHPC梁耐火極限縮短約30 min。載荷水平為0.50時UHPC梁跨中位移隨受火時間變化呈現3個階段，即受火前期緩慢增長階段、受火中期顯著增長階段和受火后期急速增長階段。載荷水平為0.60時，UHPC梁跨中位移變化由緩慢增長階段直接過渡到急速增長階段。載荷水平增大使UHPC梁延性顯著降低。

3.5 箍筋率和箍筋配置方式

配箍率取0.16%、0.20%和0.27%，箍筋配置方式分別為雙肢箍、三肢箍和四肢箍時，火災下有腹筋UHPC梁跨中位移曲線見圖12。

提升配箍率是提高UHPC梁耐火極限的有效措施：配箍率由0.16%增大到0.20%，UHPC梁耐火極限延長大約20 min;配箍率由0.20%增加到0.27%，UHPC梁耐火極限延長約30 min。箍筋間距相同時，提高箍筋肢數可以降低UHPC梁的耐火極限。UHPC梁箍筋配置方式由雙肢箍增加到四肢箍，UHPC梁耐火極限縮短約30 min。當箍筋肢數提高時，箍筋受熱高溫蠕變，使得混凝土內部溫度升高加快，加速試驗梁內部材料性能退化，因此試驗梁破壞提前。

4 結 論

火災下UHPC梁斜截面承載性能精細化分析模型可探究火災下UHPC梁斜截面破壞機理和損傷演化規律，科學合理且精度可靠。配置箍筋可以提高試驗梁在火災下的延性，但是混凝土受火時間相同時，箍筋溫度升高使得有腹筋梁內部溫度高于無腹筋梁，有腹筋梁內部材料性能退化速率更快，試驗梁破壞提前。

火災下UHPC梁斜截面的破壞延性優于普通混凝土梁，但仍呈現脆性。剪跨比、縱筋配筋率、載荷水平、箍筋率和箍筋配置方式是影響UHPC梁斜截面耐火極限的關鍵參數。增大剪跨比可以提高UHPC梁的延性和耐火極限。試驗梁的延性和耐火極限隨載荷水平的提高而降低。對于有腹筋UHPC梁，縱筋率為6.2%時其耐火極限最長、延性最高。

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（編輯 武曉英）