GHPFRCC新型框架結構抗火性能數值模擬研究

丁經偉 李秀領 ，* 魯 西 呂相蓉 叢禎剛

（1.山東建筑大學土木工程學院；2.建筑結構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，具有優異變形、耗能以及無害化裂縫擴展能力，李秀領課題組［1-8］試驗確定了 GHPFRCC 最優配合比，并將其應用于建筑結構，大大提高了建筑的抗震能力和耐久性。

常溫下GHPFRCC 材料性能優越。羅敏等［1］進行了GHPFRCC 的單軸拉伸試驗，發現GHPFRCC 材料的拉伸應力應變曲線大致分為彈性上升階段、應變硬化階段和應變軟化階段；材料的破壞過程中呈現多封開裂狀態。通過抗彎試驗研究，發現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生破壞，GHPFRCC 構件表現出了優異的彎曲性能。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系，通過擬合得到了二者關系式。

目前國內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、微觀結構以及殘余力學性能進行了研究。吳樂樂等［6］通過試驗發現，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。

在火災作用下，混凝土和鋼筋的力學性能劣化嚴重，可能導致結構發生破壞甚至倒塌。Han等［10］進行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架結構的耐火試驗，結果表明，框架結構破壞主要是由梁跨中和柱頂端出現塑性鉸導致的。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構的耐火試驗，發現礦渣高性能混凝土框架結構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構變形和破壞特征，研究了框架內力重分布規律以及影響極限承載力的相關因素。陸洲導等［13］對五榀單層雙跨鋼筋混凝土框架結構進行了不同溫度、不同加熱形式下的火災試驗，發現構件熱膨脹是節點產生位移的重要影響因素。

綜上所述，目前對GHPFRCC 框架結構抗火性能的研究還較少。本文將GHPFRCC 材料應用于框架結構中，進行GHPFRCC 框架結構耐火試驗和有限元模擬并對比兩者分析結果，探索框架結構溫度場分布及其位移變化規律。

1 GHPFRCC框架試驗概況

設計制作了三榀“田”字形框架，旨在研究GHPFRCC 框架結構在不同受火工況下的溫度場分布規律及火災下柱頂豎向位移?？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 框架結構配筋及測點布置（單位：mm）Fig.1 Frame structure reinforcement and measuring point arrangement（Unit：mm）

表1 構件詳情Table 1 Parameters of specimens

GHPFRCC-1 和GHPFRCC-2 為節點核心區采用GHPFRCC 澆筑而其他區域采用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）

結構設計軸壓比為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 國際標準火災升溫曲線：

式中：T為火災溫度/℃；t為升溫時間/min。

2 有限元模擬

2.1 本構關系

2.1.1 材料熱工參數

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

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

GHPFRCC 熱膨脹系數根據李紅兵［15］建議公式得出。

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

鋼材導熱系數λs、比熱容Cs、熱膨脹系數s隨溫度變化的函數根據歐洲規范 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系著結構變形。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。

應力應變曲線反映了材料在外力作用下發生的脆性、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 應力-應變關系本構根據吳樂樂［6］得出的數據建立。

歐洲規范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。本文中高溫下混凝土抗拉強度和彈性模量使用過鎮海提出的公式［19］。

基于歐洲規范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以及高溫下鋼筋應力-應變曲線。

2.2 有限元模型建立

為避免劃分網格時梁柱交界處形狀不規則導致的無效網格，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，溫度場獨立并優先于應力-應變場進行求解。首先進行ABAQUS/Standard 傳熱分析，然后在求得的溫度場基礎上進行熱應力分析。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置區域，網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 文件作為預定義場，導入熱力耦合分析模型中，熱力耦合分析中鋼筋網格屬性定義為桁架，混凝土實體定義為三維應力。

3 試驗驗證

本文以文獻［8］所做GHPFRCC 新型框架結構抗火性能試驗為基礎，通過對比試驗與模擬結果，驗證模型的可靠性。

3.1 升溫曲線對比

圖3 為爐內實際升溫曲線（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果與數值模擬結果如圖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 火災下溫度曲線試驗及模擬結果Fig.4 Temperature curve test and simulation results under fire

框架GHPFRCC-2 試驗時火災爐內部分噴火器發生故障，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 處出現下降段的原因。從圖4可以看出，溫度場的有限元模擬結果與試驗值吻合較好。

3.3 位移曲線試驗與模擬結果對比

將火災下柱頂位移曲線的模擬結果與試驗結果進行對比，如圖5所示。

由圖5 可知，有限元位移模擬結果與試驗值吻合較好。

圖5 火災下柱頂位移曲線試驗與模擬結果對比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 參數分析

4.1 受火方式的影響

4.1.1 溫度場變化規律

當火勢較大，火災會向建筑其他區域蔓延，所以有必要研究火災下不同區域溫度場變化規律。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律。

框架結構溫度場模型如圖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 框架結構溫度場模型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構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，隨著受火腔數增加，內部對應區域溫度增大，這是由于隨著受火腔數增加，熱流量的流入量增大，導致內部溫度上升；梁上澆筑GHPFRCC 材料區域明顯比混凝土區域溫度低，這是由于GHPFRCC 內部纖維受熱熔融形成連通孔道，致使高溫爆裂顯現不明顯，表面未見有大面積脫落現象，高溫下GHPFRCC 澆筑區域耐火性能優于混凝土澆筑區域。

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 材料區域；中節點比邊節點溫度低，這是由于單腔受火下，中節點熱量向未受火腔進行了傳導，導致該處溫度比邊節點處要低。

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；最高溫度出現在梁跨中，其次為梁柱交界處，核心區澆筑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區域與單腔、雙腔相同；升溫初期，左右兩側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件溫度呈對稱分布；GHPFRCC 和混凝土相交區域的溫度比完全澆筑混凝土區域低。

4.1.2 柱頂位移變化規律

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果。

圖11 不同區域受火柱頂位移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越明顯，這是因為測點遠離火源時，在未受火處引起內力重分布，當測點靠近火源，熱膨脹效應直接作用在測點，導致三腔和四腔受火曲線初始階段反向上升現象比較明顯。

隨著受火腔數的增加，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，升溫前由于預加荷載產生的初始結構變形很小，因此試驗時框架以溫度變形為主，隨著受火腔數的增加，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 核心區配箍率影響

4.2.1 溫度場變化規律

分別對核心區箍筋加密、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件溫度場在上述三種情況下的變化規律，選取一側測點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 為核心區無箍筋框架對應測點，7′、8′、9′、10′為核心區箍筋不加密框架對應測點，7′′、8′′、9′′、10′′為核心區箍筋加密框架對應測點。

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雖然大于混凝土，但核心區的鋼筋占比并不大，所以改變核心區的配箍率對核心區整體溫度變化影響較小。但配箍率對溫度較高區域影響相對較大。

圖12 核心區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 柱頂位移變化規律

雙腔受火下核心區不同配箍方式（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生，對核心區起到了保護作用；核心區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，還具有優越的裂縫分散能力［1，20］。考慮經濟性和GHPFRCC 材料加固效果，將框架的節點區域核心區保護層置換成GHPFRCC 材料，模擬溫度場及柱頂位移。

4.3.1 溫度場變化規律

由于GHPFRCC 造價較高，考慮實際工程成本，將核心區保護層澆筑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（只在核心區保護層澆筑GHPFRCC、核心區全部澆筑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 全 部 澆 筑GHPFRCC 測點，6c、7c、8c、9c、10c 為核心區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、核心區完全使用GHPFRCC 材料；最高溫度出現在混凝土澆筑節點梁柱連接處，且混凝土澆筑核心區溫度要比另外兩種大幅增加；保護層使用GHPFRCC 材料對核心區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 柱頂位移變化規律

核心區保護層澆筑GHPFRCC 和核心區完全澆筑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，僅在核心區保護層澆筑GHPFRCC 與核心區完全澆筑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，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調性，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。同時出于經濟性的考慮，僅在框架節點區域保護層澆筑GHPFRCC是可行的。

5 結 論

通過GHPFRCC 框架耐火試驗及數值模擬分析，可得出如下結論：

（1）隨著受火腔數的增加，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，最高溫度出現在梁柱相交處；在GHPFRCC 和混凝土材料交界區域溫度比完全澆筑混凝土區域低。

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

（4）使用GHPFRCC 澆筑框架核心區保護層可以提高結構的耐火性能。