GHPFRCC新型框架结构抗火性能数值模拟研究

丁经伟 李秀领 ，* 鲁 西 吕相蓉 丛祯刚

（1.山东建筑大学土木工程学院；2.建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南250101）

0 引 言

绿色高性能纤维增强水泥基复合材料（Green High Performance Fiber Reinforced Cementitions Composites，GHPFRCC）是通过大掺量工业废料粉煤灰代替水泥，加入聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，简称PVA）纤维等材料制备而成，具有优异变形、耗能以及无害化裂缝扩展能力，李秀领课题组［1-8］试验确定了 GHPFRCC 最优配合比，并将其应用于建筑结构，大大提高了建筑的抗震能力和耐久性。

常温下GHPFRCC 材料性能优越。罗敏等［1］进行了GHPFRCC 的单轴拉伸试验，发现GHPFRCC 材料的拉伸应力应变曲线大致分为弹性上升阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段；材料的破坏过程中呈现多封开裂状态。通过抗弯试验研究，发现极限荷载为开裂荷载的2 倍左右；加载过程中GHPFRCC 梁的纯弯段逐渐出现细密裂缝，随着裂缝的逐渐增多，挠度也在逐渐加大，最终在试件的薄弱处形成主裂缝而发生破坏，GHPFRCC 构件表现出了优异的弯曲性能。王娟等［2］通过试验测得GHPFRCC 轴心抗压度略高于普通混凝土；GHPFRCC 试块的弹性模量低于普通混凝土，但抗压变形能力比普通混凝土大很多，得出GHPFRCC 棱柱体抗压强度与弹性模量间的关系，通过拟合得到了二者关系式。

目前国内外学者对纤维增强水泥基材料（Engineered Cementious Composite，ECC）高温性能进行了研究。Mustafa 等［9］对 ECC 高温后的力学性能、微观结构以及残余力学性能进行了研究。吴乐乐等［6］通过试验发现，随着温度升高GHPFRCC 弹性模量逐渐降低，水胶比和粉煤灰替代率是影响高温下弹性模量的主要因素。

在火灾作用下，混凝土和钢筋的力学性能劣化严重，可能导致结构发生破坏甚至倒塌。Han等［10］进行了钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架结构的耐火试验，结果表明，框架结构破坏主要是由梁跨中和柱顶端出现塑性铰导致的。肖建庄等［11］进行了三榀相同尺寸的单层单跨矿渣高性能混凝土框架结构的耐火试验，发现矿渣高性能混凝土框架结构具有良好的抗火性能。时旭东等［12］进行了五榀钢筋混凝土门式框架耐火试验，分析了高温下框架结构变形和破坏特征，研究了框架内力重分布规律以及影响极限承载力的相关因素。陆洲导等［13］对五榀单层双跨钢筋混凝土框架结构进行了不同温度、不同加热形式下的火灾试验，发现构件热膨胀是节点产生位移的重要影响因素。

综上所述，目前对GHPFRCC 框架结构抗火性能的研究还较少。本文将GHPFRCC 材料应用于框架结构中，进行GHPFRCC 框架结构耐火试验和有限元模拟并对比两者分析结果，探索框架结构温度场分布及其位移变化规律。

1 GHPFRCC框架试验概况

设计制作了三榀“田”字形框架，旨在研究GHPFRCC 框架结构在不同受火工况下的温度场分布规律及火灾下柱顶竖向位移。框架梁、柱截面尺寸分别为160 mm×200 mm、200 mm×200 mm。构件详情见表1，配筋情况、位移计及热电偶测点布置见图1。

图1 框架结构配筋及测点布置（单位：mm）Fig.1 Frame structure reinforcement and measuring point arrangement（Unit：mm）

表1 构件详情Table 1 Parameters of specimens

GHPFRCC-1 和GHPFRCC-2 为节点核心区采用GHPFRCC 浇筑而其他区域采用C30 混凝土浇筑的框架，分别进行单腔（受火腔1）和双腔（受火腔1、2）受火。浇筑及受火方式如图2所示。

图2 GHPFRCC-1、GHPFRCC-2浇筑、受火及加载方式（单位：mm）Fig.2 GHPFRCC-1，GHPFRCC-2 pouring，fire and loading method（Unit：mm）

结构设计轴压比为0.15，为模拟真实框架荷载情况，使用50 t千斤顶在其中一个柱顶加载，另外两个柱顶放置分配梁，使用100 t液压伺服控制加载。耐火试验采用ISO-834 国际标准火灾升温曲线：

式中：T为火灾温度/℃；t为升温时间/min。

2 有限元模拟

2.1 本构关系

2.1.1 材料热工参数

热工参数关系着高温下材料的变形能力，是温度场有限元计算的基础。本次模拟过程中，材料热工参数主要包括GHPFRCC、混凝土以及钢筋的导热系数、比热容、热膨胀系数等。

GHPFRCC 的导热系数λ、比热容C表达式采用李秀领课题组［14］确定的公式：

GHPFRCC 热膨胀系数根据李红兵［15］建议公式得出。

混凝土导热系数采用欧洲规范EC4［16］建议值，比热容Cc和热膨胀系数c采用欧洲规范EC2［17］建议值。

钢材导热系数λs、比热容Cs、热膨胀系数s随温度变化的函数根据欧洲规范 EC3［18］和 EC4［16］得出。

2.1.2 高温下材料力学性能

随着温度升高，钢筋和混凝土的各项材料力学性能逐渐劣化，试件挠度变形逐渐增大，因此高温下材料的力学性能关系着结构变形。本文在有限元模拟中主要涉及混凝土、钢筋和GHPFRCC的力学性能。

吴乐乐［6］给出了高温下 GHPFRCC 弹性模量的数学表达式：

式中，fmc为轴心抗压强度。

GHPFRCC 泊 松 比 采 用 王 娟［2］建 议 值 为0.235。

应力应变曲线反映了材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程，是研究材料力学性能的重要指标。高温下GHPFRCC 应力-应变关系本构根据吴乐乐［6］得出的数据建立。

欧洲规范EC4［16］中给出了高温下普通混凝土抗压强度随温度变化的折减系数。本文中高温下混凝土抗拉强度和弹性模量使用过镇海提出的公式［19］。

基于欧洲规范EC3［18］选取钢材屈服强度、弹性模量、泊松比随温度变化的函数以及高温下钢筋应力-应变曲线。

2.2 有限元模型建立

为避免划分网格时梁柱交界处形状不规则导致的无效网格，在建立框架整体有限元模型后需要进行模型切割。采用顺序热力耦合分析，温度场独立并优先于应力-应变场进行求解。首先进行ABAQUS/Standard 传热分析，然后在求得的温度场基础上进行热应力分析。在进行温度场分析时，试验初始温度定义为20 ℃。钢筋与混凝土之间的约束选用内置区域，网格属性皆定义为热传递。热力耦合模拟过程将温度场输出的ODB 文件作为预定义场，导入热力耦合分析模型中，热力耦合分析中钢筋网格属性定义为桁架，混凝土实体定义为三维应力。

3 试验验证

本文以文献［8］所做GHPFRCC 新型框架结构抗火性能试验为基础，通过对比试验与模拟结果，验证模型的可靠性。

3.1 升温曲线对比

图3 为炉内实际升温曲线（lw）与模拟升温曲线对比。

图3 升温曲线对比Fig.3 Comparison of heating curves

由图3可以看出，采用ISO-834国际标准升温曲线模拟火灾是可行的。

3.2 温度场试验与模拟升温曲线对比

GHPFRCC-1、GHPFRCC-2 的升温曲线的试验结果与数值模拟结果如图4所示，其中，lw、1、4、5 为分别试验测得的测点温度，lw′、1′、4′、5′为有限元模拟测点温度。

图4 火灾下温度曲线试验及模拟结果Fig.4 Temperature curve test and simulation results under fire

框架GHPFRCC-2 试验时火灾炉内部分喷火器发生故障，因此试验开始3 min 后试验意外终止，维修20 min后重新启动试验，这也是炉温升温曲线在3～20 min 处出现下降段的原因。从图4可以看出，温度场的有限元模拟结果与试验值吻合较好。

3.3 位移曲线试验与模拟结果对比

将火灾下柱顶位移曲线的模拟结果与试验结果进行对比，如图5所示。

由图5 可知，有限元位移模拟结果与试验值吻合较好。

图5 火灾下柱顶位移曲线试验与模拟结果对比Fig.5 Comparison of displacement test and simulation results of column top under fire

综上所述，建立的有限元模型是可靠的。

4 参数分析

4.1 受火方式的影响

4.1.1 温度场变化规律

当火势较大，火灾会向建筑其他区域蔓延，所以有必要研究火灾下不同区域温度场变化规律。本文研究了不同受火方式（单腔、双腔、三腔、四腔）对GHPFRCC框架温度场的影响规律。

框架结构温度场模型如图6 所示，取中梁中间面为1-1 截面，各个测点位置如图7 所示，其中测点 1、19 为框架边界处，测点 2、10、18 为柱的中心，测点3、9、11、17 为梁柱交界处，测点4、8、12、16为梁浇筑GHPFRCC 区域中心，测点5、7、13、15为GHPFRCC 梁与混凝土梁交界处，测点6、14 为梁中间点。

图6 框架结构温度场模型Fig.6 Temperature field model of frame structure

图7 1-1截面各温度测点位置Fig.7 1-1 Cross-section temperature measurement points

不同受火方式下框架温度云图、1-1 截面温度云图及1-1截面测点温度随时间变化曲线分别见图8-图10。

图8 不同受火方式下GHPFRCC框架温度云图Fig.8 Temperature chart of GHPFRCC frame under different fire modes

由图8可知，不同受火方式下框架结构最表层的温度基本相同，在未受火处温度无明显变化。

由图9 可知，随着受火腔数增加，内部对应区域温度增大，这是由于随着受火腔数增加，热流量的流入量增大，导致内部温度上升；梁上浇筑GHPFRCC 材料区域明显比混凝土区域温度低，这是由于GHPFRCC 内部纤维受热熔融形成连通孔道，致使高温爆裂显现不明显，表面未见有大面积脱落现象，高温下GHPFRCC 浇筑区域耐火性能优于混凝土浇筑区域。

图9 四种受火方式1-1截面温度云图Fig.9 Four kinds of fire modes 1-1 cross-section temperature diagram

由图10 可知，单腔受火下梁跨中温度增长最快，其次是节点梁柱交界处，温度较低的两处为柱中心位置和梁浇筑GHPFRCC 材料区域；中节点比边节点温度低，这是由于单腔受火下，中节点热量向未受火腔进行了传导，导致该处温度比边节点处要低。

图10 不同受火方式下温度变化曲线Fig.10 Temperature change curve under different fire modes

在双腔受火下，截面的左右两边以中间测点10 所在轴线呈对称分布；最高温度出现在梁跨中，其次为梁柱交界处，核心区浇筑GHPFRCC 测点温度要比梁上浇筑C30 处温度低，说明GHPFRCC防火性能良好。

在三腔受火下，最高温度和次高温度出现区域与单腔、双腔相同；升温初期，左右两侧对称测点温度相差不大，随着时间的增加，左边温度越来越高，且右侧受火腔温度要比单腔受火腔温度要高，这是由于三腔受火整体热量较大，热传递、热辐射和热对流的作用下，温度要比单腔和双腔的高。

四腔受火下左右两边呈对称分布，温度场与双腔受火相似，但对应测点温度要比双腔受火要高。

由此可知：单腔受火方式的未受火腔基本保持常温；双腔受火和四腔受火方式的构件温度呈对称分布；GHPFRCC 和混凝土相交区域的温度比完全浇筑混凝土区域低。

4.1.2 柱顶位移变化规律

图11 为不同受火方式（单腔、双腔、三腔、四腔）下柱顶轴向位移模拟结果。

图11 不同区域受火柱顶位移Fig.11 Displacement of fire column top in different areas

由图11 可知，越靠近火源热膨胀效应越明显，这是因为测点远离火源时，在未受火处引起内力重分布，当测点靠近火源，热膨胀效应直接作用在测点，导致三腔和四腔受火曲线初始阶段反向上升现象比较明显。

随着受火腔数的增加，柱顶位移随之增加，这是因为框架在试验中的变形包括温度变形和荷载变形两部分，升温前由于预加荷载产生的初始结构变形很小，因此试验时框架以温度变形为主，随着受火腔数的增加，框架的整体温度越高，试件刚度逐渐减小，所以轴向位移不断增加。

4.2 核心区配箍率影响

4.2.1 温度场变化规律

分别对核心区箍筋加密、不加密、无箍筋三种情况进行模拟。由于双腔受火下测点温度呈对称分布，为方便对比三种框架温度场，分析双腔受火方式下构件温度场在上述三种情况下的变化规律，选取一侧测点7、8、9、10进行计算。

图12 为三种不同配箍率下框架温度云图。图 13 为测点温度曲线，其中，7、8、9、10 为核心区无箍筋框架对应测点，7′、8′、9′、10′为核心区箍筋不加密框架对应测点，7′′、8′′、9′′、10′′为核心区箍筋加密框架对应测点。

由图12、图13 可知，各测点温度随着配箍率的减小而降低，但是温度相差不大，这是因为钢筋的热传递系数虽然大于混凝土，但核心区的钢筋占比并不大，所以改变核心区的配箍率对核心区整体温度变化影响较小。但配箍率对温度较高区域影响相对较大。

图12 核心区不同配箍率温度云图Fig.12 Temperature cloud map of different coupling ratios in the core area

图13 核心区不同配箍率测点温度曲线Fig.13 Temperature curve of measuring points with different coupling rate in the core area

4.2.2 柱顶位移变化规律

双腔受火下核心区不同配箍方式（箍筋加密、不加密、无箍筋）对柱顶位移的影响（轴压比取0.15）如图14所示。

图14 核心区不同配箍率柱顶位移Fig.14 Column top displacement of core zone with different coupling rate

由图14 可知，核心区配箍率对GHPFRCC 框架柱顶位移影响较小。随着温度升高，纤维熔化形成的孔道可以防止爆裂的发生，对核心区起到了保护作用；核心区配箍率对框架温度的影响不大，由其引起的温度变化对刚度的退化影响较小。

4.3 核心区保护层浇筑GHPFRCC的影响

GHPFRCC 等此类超高韧性水泥基材料变形能力强，不仅具有类似金属材料拉伸强化的特征，还具有优越的裂缝分散能力［1，20］。考虑经济性和GHPFRCC 材料加固效果，将框架的节点区域核心区保护层置换成GHPFRCC 材料，模拟温度场及柱顶位移。

4.3.1 温度场变化规律

由于GHPFRCC 造价较高，考虑实际工程成本，将核心区保护层浇筑GHPFRCC 材料，其他部分浇筑C30 混凝土。该类型框架的温度云图见图15。

图15 双腔受火下框架温度云图Fig.15 Temperature diagram of frame under double-cavity fire

不同浇筑方式（只在核心区保护层浇筑GHPFRCC、核心区全部浇筑GHPFRCC、全部浇筑混凝土）下温度变化曲线如图16 所示。其中6a、7a、8a、9a、10a 为只在保护层浇筑 GHPFRCC 测点 ，6b、7b、8b、9b、10b 为 核 心 区 全 部 浇 筑GHPFRCC 测点，6c、7c、8c、9c、10c 为核心区全部浇筑混凝土测点。

由图15、图16 可知，测点温度从大到小分别是混凝土浇筑、保护层使用GHPFRCC 材料浇筑、核心区完全使用GHPFRCC 材料；最高温度出现在混凝土浇筑节点梁柱连接处，且混凝土浇筑核心区温度要比另外两种大幅增加；保护层使用GHPFRCC 材料对核心区起到了很好的保护作用。

图16 三种不同浇筑方式测点温度变化曲线Fig.16 Three different pouring methods measuring point temperature change curve

4.3.2 柱顶位移变化规律

核心区保护层浇筑GHPFRCC 和核心区完全浇筑GHPFRCC 在不同受火方式下柱顶位移变化情况如图17所示。其中，A、B、C、D分别表示核心区完全浇筑GHPFRCC 材料时单腔、双腔、三腔、四腔受火下中柱柱顶位移，A′、B′、C′、D′分别表示核心区保护层浇筑GHPFRCC 材料时单腔、双腔、三腔、四腔受火下中柱柱顶位移。

图17 核心区不同浇筑方式柱顶位移Fig.17 Core top displacement of different pouring methods in the core area

由图17 可知，仅在核心区保护层浇筑GHPFRCC 与核心区完全浇筑GHPFRCC 的变化趋势相同，前者的框架柱顶位移要比后者的稍大，在60 min 内，四腔受火下两者最大位移的差值分别为10%、13.9%、11.6%、8.3%。

可以看出，通过GHPFRCC 置换混凝土保护层可以提高框架的抗火能力，依靠GHPFRCC 与钢筋良好的变形协调性，提高了钢筋的利用率，避免局部钢筋的屈曲和混凝土的压溃，减小框架在高温下的位移。同时出于经济性的考虑，仅在框架节点区域保护层浇筑GHPFRCC是可行的。

5 结 论

通过GHPFRCC 框架耐火试验及数值模拟分析，可得出如下结论：

（1）随着受火腔数的增加，框架整体温度升高，柱顶轴向位移增大。

（2）双腔和四腔受火温度场呈对称分布；除梁跨中位置外，最高温度出现在梁柱相交处；在GHPFRCC 和混凝土材料交界区域温度比完全浇筑混凝土区域低。

（3）核心区使用GHPFRCC 浇筑的框架，低轴压比下核心区配箍率对框架温度场和竖向位移的影响较小。

（4）使用GHPFRCC 浇筑框架核心区保护层可以提高结构的耐火性能。