含粗骨料的钢管超高性能混凝土高温劣化机理与细观数值模拟方法

The ultra-high performance concrete-filled steel tube with coarse aggregates (CA-UHPCFST) possess the characteristics of high bearing capacity, low cost and explosive spalling prevention of UHPC. It is a kind of high performance structure with strong potential in application. However, the core issue of the structural design of fire resistance is the degradation of material/structure at elevated temperatures. The microscopic deterioration mechanism and numerical simulation method of CA-UHPC and CA-UHPCFST are to be intensively studied in the project. The research objectives are: (1) The investigation of thermal and mechanical properties of CA-UHPC at elevated temperatures; (2) The pore structure and micro topography of CA-UHPC under the coupled effect of elevated temperature and loading; (3) Establishment of the double-random numerical model of porosity and aggregates of CA-UHPC, and the coupled thermal-mechanical and macroscopic-microcosmic model of CA-UHPCFST; (4) The confinement effect and failure mechanism of CA-UHPCFST at elevated temperatures based on high temperature experiments and macro-mesoscopic numerical simulations. The research aims at improving the design of fire resistance and reliability analysis for the CA-UHPCFST structures.

含粗骨料的钢管超高性能混凝土（CA-UHPCFST）承载力高、造价较低、避免超高性能混凝土高温易爆裂难题，是一种具有广泛应用前景的高性能结构形式。而材料/结构的高温劣化是结构抗火设计的核心问题。本项目拟从材料和构件两个层面对其高温劣化机理与细观数值模拟方法进行深入研究，具体包括：1）对高温作用下含粗骨料的超高性能混凝土（CA-UHPC）的宏观热力学性能进行研究，提出高温热工参数和力学参数的取值方法；2）对不同高温条件和荷载作用后的CA-UHPC孔隙结构和微观形貌等进行试验，研究宏观热力学参数与细观结构演化之间的关系规律，揭示其高温劣化机理；3）建立CA-UHPC的双随机细观数值模型和CA-UHPCFST的宏-细观组合热力耦合数值模型；4）基于高温试验研究和宏-细观数值模拟，揭示不同温度条件下钢管对CA-UHPC的约束效应及其高温失效机理。研究成果将为该结构的防火设计和可靠度分析奠定基础。

使用高性能材料和结构是建筑领域实现可持续发展的重要手段。含粗骨料的钢管超高性能混凝土（CA-UHPCFST）具有承载力高、造价较低、避免UHPC高温易爆裂的优点，具有广泛的应用前景。而材料/结构的高温劣化则是抗火设计的核心问题。因此，本项目从材料和构件两个层面，对含粗骨料超高性能混凝土（CA-UHPC）材料的高温性能和微细观劣化机理，以及CA-UHPCFST构件的高温细观数值模拟方法和不同温度-荷载途径模式下的高温劣化机理进行研究。重要研究结果包括：（1）对CA-UHPC高温热工性能和力学性能进行试验研究，揭示了热工性能和力学性能随温度的变化规律，提出了CA-UHPC高温热工参数取值方法，以及高温下和高温后CA-UHPC的应力-应变关系数学表达式；（2）对不同高温作用后的CA-UHPC材料的进行全面的微细观试验，揭示了CA-UHPC的微观形貌、化学成分和微细观孔隙结构等随温度等级的变化规律，分析了宏观高温热工和力学参数与微细观结构演化之间的关系，揭示其高温劣化机理；（3）开发了考虑粗骨料及其界面、钢纤维和大孔洞等任意组合的CA-UHPC细观几何建模系统。建立了考虑砂浆基体孔隙率、钢纤维和粗骨料空间随机分布及高温演化过程的CA-UHPC 双随机细观数值模型，并基于单元等效的原理建立了CA-UHPC热工和力学参数的等效概率数学模型；（4）将等效概率数学模型和宏观有限元模型结合，建立了CA-UHPCFST宏-细观组合热力耦合数值模型。对三种不同温度-荷载途径模式下CA-UHPCFST构件的温度场和受力性能进行了试验研究，揭示不同条件下钢管对CA-UHPC的约束效应及其高温失效机理。建立三种温度-荷载模式下CA-UHPCFST构件的承载力计算方法。通过本项目的研究将为CA-UHPC材料和结构的高温研究提供本构关系和细观模拟技术，同时为CA-UHPCFST构件的抗火设计奠定基础。