国家自然科学基金(面上)，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（编号：51878518）, 2019-2022，项目负责人：余敏

一、项目简介：

         含粗骨料的钢管超高性能混凝土（CA-UHPCFST）是一种具有广泛应用前景的高性能结构。它具有承载力高、造价相对低，并且能够避免UHPC高温易爆裂等优点。在实际工程应用中，防火设计是该类结构必须面对的重要问题。而目前关于含粗骨料超高性能混凝土（CA-UHPC）高温性能的演化规律和劣化机理，以及钢管约束下CA-UHPCFST构件的高温失效机制都尚未解决。同时，现有钢管混凝土的耐火计算理论和防火设计方法多基于试验和宏观数值计算结果。这些方法没有考虑混凝土内部组分性能及空间结构随机性引起的非均质性影响。因此，很难深入揭示试验结果离散性大和高温劣化的内在本质。因此，本项目将直面CA-UHPCFST耐火研究核心的材料及构件高温劣化机理问题，从宏-细观尺度上对CA-UHPCFST的高温性能和数值模拟方法进行研究，揭示其微细观作用和劣化机理。将为钢管混凝土的多尺度模拟和含粗骨料的钢管超高性能混凝土的耐火设计和可靠度研究奠定基础。

二、主要研究进展和研究成果：

1.  对CA-UHPC的高温热工性能和高温力学性能进行试验，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高温导热系数、比热、密度以及热膨胀系数等参数的取值方法，并建立了高温下和高温后CA-UHPC材料受压应力-应变关系的数学表达式；

2. 对不同高温作用后的CA-UHPC进行全面的微细观试验，得到了CA-UHPC的微观形貌、化学成分和微细观孔隙结构等随温度的变化规律，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响应关系，揭示CA-UHPC的高温劣化机理；

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，揭示不同条件下钢管对CA-UHPC的约束效应和高温失效机理。建立相应的CA-UHPCFST构件的承载力计算方法。

	图2 可用于高温下准脆性材料受压试验装置研发
图1 CA-UHPC的热工性能研究	图3 CA-UHPC高温后的孔隙特征
	图5 CA-UHPCFST构件的温度场
图4 CA-UHPC 双随机细观几何建模和参数识别	图6 CA-UHPCFST构件高温后力学性能

部分研究成果照片

三、部分已经发表的研究成果：

1. Congcong Xue; Min Yu*; Haoming Xu; Lihua Xu; Mohamed Saafi; Jianqiao Ye; Experimental study on thermal performance of ultra-high performance concrete with coarse aggregates at high temperature, Construction and Building Materials, 2022, 314:125585.

2. Congcong Xue; Min Yu*; Haoming Xu; Lihua Xu; Mohamed Saafi; Jianqiao Ye; Compressive performance and deterioration mechanism of ultra-high performance concrete with coarse aggregates under and after heating, Journal of Building Engineering, 2023, 64:105502.
   

3. Tan Wang; Min Yu*; Xipeng Zhang; Jianqiao Ye; Experimental study on random temperature field of ultra-high performance concrete filled steel tube columns under elevated temperature, Composite Structures, 2022, 289:115445.
   

4. Tan Wang; Min Yu*; Xipeng Zhang; Shanshan Cheng; Sumei Liu; Post-fire mechanical behaviour of ultra-high-performance concrete-filled steel tube (UHPCFST) stub columns under compression, Journal of Constructional Steel Research, 2022, 196:107384.
   

5. Tan Wang; Min Yu*; Xu Zhang; Lihua Xu; Le Huang; Experimental study and proposal of a design model of ultra-high performance concrete filled steel tube columns subjected to fire, Engineering Structures, 2023, 280:115697.
   

6. Min Yu*; Xuan Hu; Lihua Xu; Shanshan Cheng; A general unified method for calculating fire resistance of CFST columns considering various types of steel and concrete, Journal of Building Engineering, 2022,59:105125.
   

7. Min Yu*; Xuan Hu; Yin Chi; Jianqiao Ye; A unified method for calculating the fire resistance of concrete-filled steel tube with fire protection under combined loading, Journal of Constructional Steel Research, 2020, 168:106003.
   

8. 叶庆阳; 薛聪聪; 余敏*; 吴明洋; 超高性能混凝土配合比设计与抗压强度试验研究, 工业建筑, 2020,50(3): 124-130.
   

9. 余敏; 薛聪聪; 徐浩铭; 吴明洋; 徐礼华; 可用于高温下准脆性材料轴压试验的辅助装置，发明专利，ZL 202110523750.7, 授权时间：2022-06-07
   

10. 余敏; 徐浩铭; 黄伟军; 叶建乔; 池寅; 徐礼华; 常高温统一的钢管混凝土构件压弯承载力计算方法，发明专利，ZL 201810199934.0, 授权时间：2020-03-24
    

11. 余敏; 鲍浩; 叶建乔; 刘玉; 一种基于超临界碳化的水泥砂浆孔隙率标定的方法，发明专利，ZL 201810339476.6, 授权时间：2019-08-20.

12. 余敏, 池寅, 鲍浩, 叶建乔, 徐礼华, 黄俊杰. 快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法. 发明专利, 专利号: ZL201710086411.0, 授权日期: 2019-5-17.

13. 余敏, 叶建乔, 鲍浩, 池寅, 徐礼华. 快速生成卵石碎石夹杂的混凝土三维随机骨料模型的方法. 发明专利, 专利号: ZL201710086212.X, 授权日期: 2019-6-5.