新型預制GRC 模殼柱力學性能研究

范健康

（安徽寰宇建筑設計院，安徽合肥 230601）

0 引言

近幾年，新型裝配式混凝土工業化建筑憑借其綠色環保、節能降耗、施工效率高、建造周期短、工廠作業質量易保證等特點，在政府的積極推進下進入高速發展期。

傳統的GRC 材料容易開裂，這會使得材料的承載能力和耐久性下降，嚴重的威脅到人民的生命及財產安全。為了優化預制GRC 構件的生產工藝，提高GRC 構件的生產效率，本文對GRC材料的抗裂性能進行試驗研究，并且對GRC 模殼結構柱的整體受力體系進行有限元模型的建立以及有限元受力分析，為預制GRC 模殼結構柱生產工藝的優化和設計提供參考。

1 GRC 材料抗裂試驗研究

由于水泥混凝土材料的施工缺陷，膠凝材料的自身變形等因素，GRC 材料在溫度和濕度變化較大的環境中受到外界變形約束而產生裂縫。這不僅會降低GRC 材料的承載能力和耐久性，還會對其外觀有不利影響。基于這些因素，以傳統的GRC 材料配方作為基礎，研究纖維、膠粉、以及膨脹劑等因素對GRC 材料抗裂性能的影響。試驗中所用到的原材料包含：水泥、粉煤灰、河砂、高效減水劑、改性高分散耐堿玻璃纖維和自來水。

1.1 實驗思路

GRC 材料中水泥基材料的收縮在受到約束時引起拉伸應力，并且當拉伸應力大于GRC 材料的拉伸強度時，GRC 材料開裂。因此，為了提高GRC 材料的抗裂性，主要從兩個方面入手：減少GRC 材料的自身收縮和提高GRC 材料的抗拉強度。根據傳統的GRC 材料配方進行調整，通過加入膨脹劑、膠粉和改性的高分散纖維，制成 40mm×40mm×160mm/25mm×25mm×280mm 的試件。采用XRD、DSC-TG、MIP、SEM 等實驗方法對試件的微觀結構進行分析。

1.2 試驗過程

為研究纖維含量、膠粉含量以及膨脹劑對GRC 干縮和力學性能的影響。在試驗中，分別將纖維與水泥、膠粉與水泥、膨脹劑和水泥混合3min 并控制水灰比為0.28，然后根據水泥砂漿的成型標準將水和砂均勻混合，并且控制GRC 的流動度為180mm（跳桌實驗）。25mm×25mm×280mm 的試件在標準環境下（條件為溫度20℃±2℃、相對濕度95%或更高）養護1d 脫模后，將試件移至濕溫度養護箱，控制養護的溫度為20℃，然后放置在恒定溫度和濕度的養護環境中進行養護，用比長儀測試其干縮性能。再將40mm×40mm×160mm 的試樣成型后并在標準環境中養護1d 后，將試樣移至濕溫度養護箱，控制養護的溫度為20℃，用壓力機測試試樣的抗壓和抗彎性能。為考慮不同濕度的影響，設置了40%和70%兩個養護箱的濕度進行相關試驗，如圖1 所示。

圖1 干縮性能測試試件

1.3 纖維含量對GRC 干縮和力學性能的影響

1.3.1 干縮性能

圖2 顯示了在相對濕度為40%和70%的情況下具有不同纖維含量的GRC 試件的干燥收縮表現。從圖2 中可以看出，在相對濕度為40%和70%時，纖維含量增加對GRC 的收縮性能幾乎沒有影響。但是相對濕度從40%增加到70%時，28d 的干縮可以降低約40%，明顯有利于GRC 試件干縮的降低，因此在養護的過程中增加養護的濕度，如浸透，浸泡可以顯著降低GRC 材料的干縮率。

圖2 纖維含量對GRC 干縮的影響

1.3.2 力學性能

圖3 為在相對濕度為40%和70%的情況下不同纖維含量的GRC 試件的折壓比。從圖3（a）可以看出，隨著齡期的增加，整體折壓比從0d 快速增加到7d，而在7—28d 時增長緩慢，這說明在水泥水化在7d 時纖維的摻入對抗折強度起到了極大的改善作用，此外，1%纖維含量顯示出最高的折壓比。從圖3（b）可見，在70%相對濕度下采用GRC 的折壓比進行分析時，仍然是1%纖維摻量時具有相對較大的折壓比，可見1%纖維摻量能夠顯著改善GRC 韌性從而提高其抗裂性能。

圖3 纖維摻量對GRC 折壓比的影響

1.4 膠粉含量對GRC 干縮和力學性能的影響

1.4.1 干縮性能

圖4 為相對濕度在40%和70%的情況下，不同膠粉摻量的GRC 試件的干縮表現。從圖4（a）中可以看出，隨著40%相對濕度下膠粉含量的增加，GRC 的收縮也顯著增加。并且在0—7d 內的干縮值增加較快，7d 后干縮增長速度明顯減緩。GRC 在70%相對濕度下的收縮特性與40%相對濕度下的變化趨勢一致。然而，與GRC 在40%相對濕度下的干收縮相比，GRC 在70%相對濕度下的收縮率很小。

圖4 膠粉摻量對干燥收縮的影響

1.4.2 力學性能

圖5 表示在相對濕度為40%和70%的情況下GRC 在不同膠粉含量下的折壓比。可以看出，GRC 在70%相對濕度下的折壓比略高于GRC 在40%相對濕度下的折壓比。同時，可以發現，當膠粉含量為2.5%時，GRC 在28d 時具有最高的折壓比。因此，2.5%的橡膠粉含量可以有效地提高GRC 的韌性和抗裂性。

圖5 膠粉摻量對GRC 折壓比的影響

1.5 膨脹劑對GRC 干縮性能的改善

圖6 表明不同濕度環境下膨脹劑對干縮性能的影響。從圖中可見，當相對濕度在40%時GRC 干縮值明顯高于70%相對濕度下的GRC 干縮值，表明增加養護濕度會明顯改善其干縮性能。同時，從圖中可以看出，在40%相對濕度下，UEA 膨脹劑的摻入使得GRC 的干燥收縮值顯著低于未摻入的UEA 膨脹劑的干燥收縮值。而且在15d 時摻入UEA 膨脹劑的GRC 干縮值已經低于70%濕度下養護的GRC 試件的干縮值。因此，加入一定量的膨脹劑可以有效地改善GRC 的干縮特性，從而提高其抗裂性。

圖6 不同濕度環境下膨脹劑對GRC 干縮的影響

2 GRC 模殼結構柱生產工藝

預制GRC 結構柱采用工廠化立起式預制生產工藝：先把鋼筋籠緊固在安裝底座上后，進行機電管線和預埋件的安裝，再將GRC 模殼吊放在鋼筋籠外圍，并在GRC 模殼外部由下往上排布、安裝固定鋼抱箍，最后澆筑混凝土并養護完成，進行后續運輸及現場安裝工作。

3 GRC 模殼柱力學性能研究

3.1 模型參數

本文中所采用的GRC 結構柱模殼厚度為20mm，高度為4200mm；底座的鋼板尺寸750mm×750mm×100mm，GRC 模殼垂直放置于鋼板底座上；矩形鋼抱箍的高度和厚度均為50mm，按照從下往上的排布方式均勻布置在GRC 模殼外表面，相鄰鋼抱箍之間的距離為830mm，如圖7 所示。

圖7 GRC 模殼結構柱

3.2 建立有限元模型

預制GRC 結構柱采用GRC 模殼作為GRC 構件外模，模殼底部有鋼板底座支撐，模殼外部有由下往上排布的鋼抱箍，整個結構形成一個整體的受力支撐體系。在ABAQUS 軟件中需要建立3 個部件，分別為GRC 模殼、鋼抱箍、鋼板底座，并且3 個部件均采用三維四面體二次實體（solid）單元離散；創建GRC 和鋼材兩種材料屬性并賦予到上述3 個部件當中，最后將3 個部件裝配在一起。設置好分析步，并且設定輸出變量U-displacement、S-von-mises、E，即輸出位移、應力和應變。將GRC 模殼與鋼抱箍相連接的平面定義相互作用（接觸），以確定ABAQUS 軟件能夠識別部件之間的相互關系，創建邊界條件和加載，將鋼板底座的底面設置為完全固定，以求模擬實際情況，并將計算得出的荷載分別垂直作用于GRC 模殼結構的4 個內側面。劃分網格后，創建分析作業并提交分析。

3.3 GRC 模殼結構柱的荷載計算

（1）根據《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ 162—2008）中的4.1.1 可知，新澆筑混凝土作用于模板的最大側壓力的計算公式見式（1）、式（2），并取其中的較小值。

式中各參數的含義和取值如表1 所示。

表1 參數的含義和取值

將表1 中的各參數的取值帶入到式（3）中，得

將取值帶入到式（4）中。

取兩者中的較小值，則新澆筑混凝土作用于模板的最大側壓力值22.4kN/m2。

（2）根據《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ 162—2008）中4.1.2 中活荷載標準值取值規定：傾倒混凝土時，對垂直面模板產生的水平荷載取為4kN/m2。

（3）根據《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ 162—2008）中4.3.2 可知，當參與計算的模板為大體積結構、柱（邊長大于300mm）、墻（厚度大于100mm）的側面模板時，參與組合的荷載類別分別如下。

（1）計算承載能力時，G4k+Q3k。

（2）驗算撓度時：G4k。

在驗算撓度應采用荷載標準值，即作用于模板的荷載標準值為：G4k=22.4kN/m2。

在計算承載能力時應采用荷載設計值，對上述兩種荷載分別取荷載分項系數1.3 和1.5，則作用于模板的總荷載設計值。

3.4 有限元模擬結果分析

矩形截面尺寸為400×400mm，GRC 模殼厚度為為20mm 時的GRC 模殼模擬結果如圖8、圖9 所示。

圖8 GRC 模殼結構應力

圖9 GRC 模殼結構應變

由于荷載是均勻分布在GRC 模殼的內側的四邊，所以無論從GRC 模殼的內側還是外側來看，GRC 模殼各邊的力學性能表現都是一致的，并且相鄰兩塊鋼抱箍之間的GRC 模殼板力學性能也是相同的。從GRC 模殼內側的應變云圖和應力云圖來看，相鄰兩塊鋼抱箍之間的GRC 模殼板在中部位置時應力和應變較大，并且在整個GRC 模殼的4 個拐角處的中部位置應力和應變達到最大，應力云圖與應變云圖都是從最大點處往四周擴散開來，并且呈現上下對稱分布的趨勢。由模擬結果可以看出，GRC模殼內側產生的最大應力為4.545MPa，最大應變為0.1360mm。

從GRC 模殼板外側的應變云圖和應力云圖來看，應變與應力的分布規律與GRC 模殼板內側大致相同。相鄰兩塊鋼抱箍之間的GRC 模殼板同樣是在中部位置時應力與應變較大，并且在板4 個拐角上的中部位置時應力達到最大，但是應變的最大值卻出現在板外側的中部位置，這說明對于整個GRC 模殼結構來說，4 個拐角上的中部位置受力總是最大，而從板外側的角度來看，板中部位置的應變最大。

再從GRC 模殼板的位移云圖來看，可以明顯看出位移最大的位置總是出現在GRC 模殼板的某一個拐角上，并且與這個拐角相接觸的一面板比其他3 個面上的位移都要大，這說明在混凝土澆筑過程中，GRC 模殼結構會向著某一個拐角方向偏移，如圖10 所示。

圖10 GRC 模殼結構位移

3.4.1 不同GRC 模殼厚度的模型對比

為了考慮GRC 模殼厚度對GRC 模殼結構的受力影響，對矩形截面 400mm×400mm，GRC 模殼厚度分別為 16mm、18mm、20mm、22mm、24mm 的GRC 模殼結構進行有限元模擬分析，繪制出矩形截面在400mm×400mm 的情況下，GRC 模殼結構的最大應力、最大應變以及最大位移與GRC 模殼厚度的關系分別如圖11 和圖12 所示。

圖11 GRC 模殼結構最大應力（應變）值

圖12 GRC 模殼結構最大位移值

由圖11 可知，當GRC 模殼結構的矩形截面尺寸400mm×400mm 時，隨著GRC 模殼厚度的增大，GRC 模殼的應力最大值與應變最大值逐漸減小，并且減小的幅度相差不大。而從圖12可以看出，當GRC 模殼厚度在18~20mm 時，GRC 模殼最大位移值相對較小，約為1.2mm 左右。這說明在GRC 模殼截面尺寸為400mm×400mm 時，選擇GRC 模殼的厚度為18mm 或者20mm時，GRC 模殼的外部變形較小，更加適合作為生產預制GRC 模殼結構柱的模殼厚度。

3.4.2 不同矩形截面的GRC 模殼的模型對比

同時為了考慮不同的GRC 模殼截面尺寸對GRC 模殼結構的受力影響，對GRC 模殼厚度為20mm，截面尺寸分別為500mm×500mm、600mm×600mm 的 GRC 模殼結構進行有限元模擬分析，得出GRC 模殼結構的最大應力、最大應變與GRC 模殼截面尺寸的關系如圖13 所示。

圖13 GRC 模殼結構最大應力（應變）值

由結果可以得出，隨著矩形截面尺寸的增大，GRC 模殼的最大應力值和最大應變值也隨之增大，應變值的增幅不大，但荷載應力的增幅卻較大，在矩形截面為800mm×800mm 的情況下達到17.419MPa，可能會超過GRC 模殼結構的許用應力。

4 結論

通過對預制GRC 模殼柱在混凝土澆筑過程中的受力進行了有限元模擬，并且考慮了GRC 模殼厚度以及GRC 模殼截面尺寸對受力性能的影響。

（1）GRC 模殼結構在混凝土澆筑過程中，GRC 模殼結構四個拐角上的所承受的荷載應力最大，并且可能在某一個拐角上的變形過大而使得整個GRC 模殼變形過大，所以在工廠預制GRC模殼柱的過程中，需要對結構的四個拐角位置進行加固處理，防止其變形過大。

（2）在GRC 模殼結構矩形截面一定時，增加GRC 模殼結構的厚度能有效的減少結構的荷載應力，但選取不當的GRC 模殼厚度會使得結構的位移變化較大，需要進一步進行研究。就矩形截面尺寸較小的GRC 模殼結構而言，GRC 模殼的厚度選取18mm 或者20mm 較為合適。

（3）當GRC 模殼結構柱的矩形截面尺寸逐漸增大時，結構的荷載應力和應變也隨之增大，此時應該適當的增加GRC 模殼的厚度以減少結構的荷載應力和應變。