新型预制GRC 模壳柱力学性能研究

范健康

（安徽寰宇建筑设计院，安徽合肥 230601）

0 引言

近几年，新型装配式混凝土工业化建筑凭借其绿色环保、节能降耗、施工效率高、建造周期短、工厂作业质量易保证等特点，在政府的积极推进下进入高速发展期。

传统的GRC 材料容易开裂，这会使得材料的承载能力和耐久性下降，严重的威胁到人民的生命及财产安全。为了优化预制GRC 构件的生产工艺，提高GRC 构件的生产效率，本文对GRC材料的抗裂性能进行试验研究，并且对GRC 模壳结构柱的整体受力体系进行有限元模型的建立以及有限元受力分析，为预制GRC 模壳结构柱生产工艺的优化和设计提供参考。

1 GRC 材料抗裂试验研究

由于水泥混凝土材料的施工缺陷，胶凝材料的自身变形等因素，GRC 材料在温度和湿度变化较大的环境中受到外界变形约束而产生裂缝。这不仅会降低GRC 材料的承载能力和耐久性，还会对其外观有不利影响。基于这些因素，以传统的GRC 材料配方作为基础，研究纤维、胶粉、以及膨胀剂等因素对GRC 材料抗裂性能的影响。试验中所用到的原材料包含：水泥、粉煤灰、河砂、高效减水剂、改性高分散耐碱玻璃纤维和自来水。

1.1 实验思路

GRC 材料中水泥基材料的收缩在受到约束时引起拉伸应力，并且当拉伸应力大于GRC 材料的拉伸强度时，GRC 材料开裂。因此，为了提高GRC 材料的抗裂性，主要从两个方面入手：减少GRC 材料的自身收缩和提高GRC 材料的抗拉强度。根据传统的GRC 材料配方进行调整，通过加入膨胀剂、胶粉和改性的高分散纤维，制成 40mm×40mm×160mm/25mm×25mm×280mm 的试件。采用XRD、DSC-TG、MIP、SEM 等实验方法对试件的微观结构进行分析。

1.2 试验过程

为研究纤维含量、胶粉含量以及膨胀剂对GRC 干缩和力学性能的影响。在试验中，分别将纤维与水泥、胶粉与水泥、膨胀剂和水泥混合3min 并控制水灰比为0.28，然后根据水泥砂浆的成型标准将水和砂均匀混合，并且控制GRC 的流动度为180mm（跳桌实验）。25mm×25mm×280mm 的试件在标准环境下（条件为温度20℃±2℃、相对湿度95%或更高）养护1d 脱模后，将试件移至湿温度养护箱，控制养护的温度为20℃，然后放置在恒定温度和湿度的养护环境中进行养护，用比长仪测试其干缩性能。再将40mm×40mm×160mm 的试样成型后并在标准环境中养护1d 后，将试样移至湿温度养护箱，控制养护的温度为20℃，用压力机测试试样的抗压和抗弯性能。为考虑不同湿度的影响，设置了40%和70%两个养护箱的湿度进行相关试验，如图1 所示。

图1 干缩性能测试试件

1.3 纤维含量对GRC 干缩和力学性能的影响

1.3.1 干缩性能

图2 显示了在相对湿度为40%和70%的情况下具有不同纤维含量的GRC 试件的干燥收缩表现。从图2 中可以看出，在相对湿度为40%和70%时，纤维含量增加对GRC 的收缩性能几乎没有影响。但是相对湿度从40%增加到70%时，28d 的干缩可以降低约40%，明显有利于GRC 试件干缩的降低，因此在养护的过程中增加养护的湿度，如浸透，浸泡可以显著降低GRC 材料的干缩率。

图2 纤维含量对GRC 干缩的影响

1.3.2 力学性能

图3 为在相对湿度为40%和70%的情况下不同纤维含量的GRC 试件的折压比。从图3（a）可以看出，随着龄期的增加，整体折压比从0d 快速增加到7d，而在7—28d 时增长缓慢，这说明在水泥水化在7d 时纤维的掺入对抗折强度起到了极大的改善作用，此外，1%纤维含量显示出最高的折压比。从图3（b）可见，在70%相对湿度下采用GRC 的折压比进行分析时，仍然是1%纤维掺量时具有相对较大的折压比，可见1%纤维掺量能够显著改善GRC 韧性从而提高其抗裂性能。

图3 纤维掺量对GRC 折压比的影响

1.4 胶粉含量对GRC 干缩和力学性能的影响

1.4.1 干缩性能

图4 为相对湿度在40%和70%的情况下，不同胶粉掺量的GRC 试件的干缩表现。从图4（a）中可以看出，随着40%相对湿度下胶粉含量的增加，GRC 的收缩也显著增加。并且在0—7d 内的干缩值增加较快，7d 后干缩增长速度明显减缓。GRC 在70%相对湿度下的收缩特性与40%相对湿度下的变化趋势一致。然而，与GRC 在40%相对湿度下的干收缩相比，GRC 在70%相对湿度下的收缩率很小。

图4 胶粉掺量对干燥收缩的影响

1.4.2 力学性能

图5 表示在相对湿度为40%和70%的情况下GRC 在不同胶粉含量下的折压比。可以看出，GRC 在70%相对湿度下的折压比略高于GRC 在40%相对湿度下的折压比。同时，可以发现，当胶粉含量为2.5%时，GRC 在28d 时具有最高的折压比。因此，2.5%的橡胶粉含量可以有效地提高GRC 的韧性和抗裂性。

图5 胶粉掺量对GRC 折压比的影响

1.5 膨胀剂对GRC 干缩性能的改善

图6 表明不同湿度环境下膨胀剂对干缩性能的影响。从图中可见，当相对湿度在40%时GRC 干缩值明显高于70%相对湿度下的GRC 干缩值，表明增加养护湿度会明显改善其干缩性能。同时，从图中可以看出，在40%相对湿度下，UEA 膨胀剂的掺入使得GRC 的干燥收缩值显著低于未掺入的UEA 膨胀剂的干燥收缩值。而且在15d 时掺入UEA 膨胀剂的GRC 干缩值已经低于70%湿度下养护的GRC 试件的干缩值。因此，加入一定量的膨胀剂可以有效地改善GRC 的干缩特性，从而提高其抗裂性。

图6 不同湿度环境下膨胀剂对GRC 干缩的影响

2 GRC 模壳结构柱生产工艺

预制GRC 结构柱采用工厂化立起式预制生产工艺：先把钢筋笼紧固在安装底座上后，进行机电管线和预埋件的安装，再将GRC 模壳吊放在钢筋笼外围，并在GRC 模壳外部由下往上排布、安装固定钢抱箍，最后浇筑混凝土并养护完成，进行后续运输及现场安装工作。

3 GRC 模壳柱力学性能研究

3.1 模型参数

本文中所采用的GRC 结构柱模壳厚度为20mm，高度为4200mm；底座的钢板尺寸750mm×750mm×100mm，GRC 模壳垂直放置于钢板底座上；矩形钢抱箍的高度和厚度均为50mm，按照从下往上的排布方式均匀布置在GRC 模壳外表面，相邻钢抱箍之间的距离为830mm，如图7 所示。

图7 GRC 模壳结构柱

3.2 建立有限元模型

预制GRC 结构柱采用GRC 模壳作为GRC 构件外模，模壳底部有钢板底座支撑，模壳外部有由下往上排布的钢抱箍，整个结构形成一个整体的受力支撑体系。在ABAQUS 软件中需要建立3 个部件，分别为GRC 模壳、钢抱箍、钢板底座，并且3 个部件均采用三维四面体二次实体（solid）单元离散；创建GRC 和钢材两种材料属性并赋予到上述3 个部件当中，最后将3 个部件装配在一起。设置好分析步，并且设定输出变量U-displacement、S-von-mises、E，即输出位移、应力和应变。将GRC 模壳与钢抱箍相连接的平面定义相互作用（接触），以确定ABAQUS 软件能够识别部件之间的相互关系，创建边界条件和加载，将钢板底座的底面设置为完全固定，以求模拟实际情况，并将计算得出的荷载分别垂直作用于GRC 模壳结构的4 个内侧面。划分网格后，创建分析作业并提交分析。

3.3 GRC 模壳结构柱的荷载计算

（1）根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）中的4.1.1 可知，新浇筑混凝土作用于模板的最大侧压力的计算公式见式（1）、式（2），并取其中的较小值。

式中各参数的含义和取值如表1 所示。

表1 参数的含义和取值

将表1 中的各参数的取值带入到式（3）中，得

将取值带入到式（4）中。

取两者中的较小值，则新浇筑混凝土作用于模板的最大侧压力值22.4kN/m2。

（2）根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）中4.1.2 中活荷载标准值取值规定：倾倒混凝土时，对垂直面模板产生的水平荷载取为4kN/m2。

（3）根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）中4.3.2 可知，当参与计算的模板为大体积结构、柱（边长大于300mm）、墙（厚度大于100mm）的侧面模板时，参与组合的荷载类别分别如下。

（1）计算承载能力时，G4k+Q3k。

（2）验算挠度时：G4k。

在验算挠度应采用荷载标准值，即作用于模板的荷载标准值为：G4k=22.4kN/m2。

在计算承载能力时应采用荷载设计值，对上述两种荷载分别取荷载分项系数1.3 和1.5，则作用于模板的总荷载设计值。

3.4 有限元模拟结果分析

矩形截面尺寸为400×400mm，GRC 模壳厚度为为20mm 时的GRC 模壳模拟结果如图8、图9 所示。

图8 GRC 模壳结构应力

图9 GRC 模壳结构应变

由于荷载是均匀分布在GRC 模壳的内侧的四边，所以无论从GRC 模壳的内侧还是外侧来看，GRC 模壳各边的力学性能表现都是一致的，并且相邻两块钢抱箍之间的GRC 模壳板力学性能也是相同的。从GRC 模壳内侧的应变云图和应力云图来看，相邻两块钢抱箍之间的GRC 模壳板在中部位置时应力和应变较大，并且在整个GRC 模壳的4 个拐角处的中部位置应力和应变达到最大，应力云图与应变云图都是从最大点处往四周扩散开来，并且呈现上下对称分布的趋势。由模拟结果可以看出，GRC模壳内侧产生的最大应力为4.545MPa，最大应变为0.1360mm。

从GRC 模壳板外侧的应变云图和应力云图来看，应变与应力的分布规律与GRC 模壳板内侧大致相同。相邻两块钢抱箍之间的GRC 模壳板同样是在中部位置时应力与应变较大，并且在板4 个拐角上的中部位置时应力达到最大，但是应变的最大值却出现在板外侧的中部位置，这说明对于整个GRC 模壳结构来说，4 个拐角上的中部位置受力总是最大，而从板外侧的角度来看，板中部位置的应变最大。

再从GRC 模壳板的位移云图来看，可以明显看出位移最大的位置总是出现在GRC 模壳板的某一个拐角上，并且与这个拐角相接触的一面板比其他3 个面上的位移都要大，这说明在混凝土浇筑过程中，GRC 模壳结构会向着某一个拐角方向偏移，如图10 所示。

图10 GRC 模壳结构位移

3.4.1 不同GRC 模壳厚度的模型对比

为了考虑GRC 模壳厚度对GRC 模壳结构的受力影响，对矩形截面 400mm×400mm，GRC 模壳厚度分别为 16mm、18mm、20mm、22mm、24mm 的GRC 模壳结构进行有限元模拟分析，绘制出矩形截面在400mm×400mm 的情况下，GRC 模壳结构的最大应力、最大应变以及最大位移与GRC 模壳厚度的关系分别如图11 和图12 所示。

图11 GRC 模壳结构最大应力（应变）值

图12 GRC 模壳结构最大位移值

由图11 可知，当GRC 模壳结构的矩形截面尺寸400mm×400mm 时，随着GRC 模壳厚度的增大，GRC 模壳的应力最大值与应变最大值逐渐减小，并且减小的幅度相差不大。而从图12可以看出，当GRC 模壳厚度在18~20mm 时，GRC 模壳最大位移值相对较小，约为1.2mm 左右。这说明在GRC 模壳截面尺寸为400mm×400mm 时，选择GRC 模壳的厚度为18mm 或者20mm时，GRC 模壳的外部变形较小，更加适合作为生产预制GRC 模壳结构柱的模壳厚度。

3.4.2 不同矩形截面的GRC 模壳的模型对比

同时为了考虑不同的GRC 模壳截面尺寸对GRC 模壳结构的受力影响，对GRC 模壳厚度为20mm，截面尺寸分别为500mm×500mm、600mm×600mm 的 GRC 模壳结构进行有限元模拟分析，得出GRC 模壳结构的最大应力、最大应变与GRC 模壳截面尺寸的关系如图13 所示。

图13 GRC 模壳结构最大应力（应变）值

由结果可以得出，随着矩形截面尺寸的增大，GRC 模壳的最大应力值和最大应变值也随之增大，应变值的增幅不大，但荷载应力的增幅却较大，在矩形截面为800mm×800mm 的情况下达到17.419MPa，可能会超过GRC 模壳结构的许用应力。

4 结论

通过对预制GRC 模壳柱在混凝土浇筑过程中的受力进行了有限元模拟，并且考虑了GRC 模壳厚度以及GRC 模壳截面尺寸对受力性能的影响。

（1）GRC 模壳结构在混凝土浇筑过程中，GRC 模壳结构四个拐角上的所承受的荷载应力最大，并且可能在某一个拐角上的变形过大而使得整个GRC 模壳变形过大，所以在工厂预制GRC模壳柱的过程中，需要对结构的四个拐角位置进行加固处理，防止其变形过大。

（2）在GRC 模壳结构矩形截面一定时，增加GRC 模壳结构的厚度能有效的减少结构的荷载应力，但选取不当的GRC 模壳厚度会使得结构的位移变化较大，需要进一步进行研究。就矩形截面尺寸较小的GRC 模壳结构而言，GRC 模壳的厚度选取18mm 或者20mm 较为合适。

（3）当GRC 模壳结构柱的矩形截面尺寸逐渐增大时，结构的荷载应力和应变也随之增大，此时应该适当的增加GRC 模壳的厚度以减少结构的荷载应力和应变。