《Journal of Building Engineering》：Dynamic Glazing for a Sustainable Building Future: An In-Situ Performance Evaluation of Electrochromic Windows in Cooling Operation
编辑推荐：
本文针对火灾后超高性能混凝土（UHPC）结构抗冲击性能评估的空白，通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了600°C与1000°C高温暴露后UHPC梁在落锤冲击下的动态响应。研究发现，高温导致UHPC力学性能显著退化，600°C时抗压强度保留率仅为83.79%，冲击峰值力下降37%，跨中挠度增加76.4%。研究通过改进连续表面帽盖模型（CSCM）成功模拟了热-力耦合作用下的损伤演化，为火灾后UHPC结构的安全评估与修复设计提供了重要理论依据。
在城市化进程不断加速的今天，高层建筑、大跨桥梁和重要基础设施的建设对混凝土材料的性能提出了更高要求。超高性能混凝土（UHPC）作为一种新兴建筑材料，凭借其卓越的力学性能和耐久性，在特殊结构中展现出广阔的应用前景。然而，火灾是建筑结构面临的主要威胁之一，混凝土结构在火灾中会遭受严重损伤，导致承载力下降甚至倒塌。尤其值得关注的是，火灾后结构还可能遭受偶然冲击荷载（如坠落物、爆炸冲击波等）的作用，这种热-力耦合作用会进一步加剧结构的破坏。
目前关于UHPC高温性能的研究多集中于材料层面，而对大型结构构件在火灾后抗冲击性能的研究尚显不足。材料级试验通常采用小试件和较低升温速率，难以真实反映实际结构中存在的温度应力分布、裂缝发展模式及火灾引起的破坏机制。此外，UHPC与普通强度混凝土（NSC）在高温下的行为存在显著差异：其较高的热导率和热膨胀系数可能导致更剧烈的温度应力和剥落现象。尽管研究表明掺加聚丙烯（PP）纤维能有效抑制UHPC在高温下的爆炸性剥落，但在结构构件试验中仍观察到剥落现象，特别是在较高升温速率下更为明显。
为填补这一研究空白，悉尼科技大学的研究团队在《Journal of Building Engineering》上发表了一项创新性研究，系统探讨了高温暴露后UHPC梁的抗冲击性能。研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，深入分析了温度对UHPC力学性能的影响及其在冲击荷载下的破坏机制。
本研究采用了多种关键技术方法：首先通过高温炉对UHPC梁进行600°C和1000°C的热处理，模拟不同严重程度的火灾暴露；随后使用641 kg落锤系统进行冲击试验，锤头配备100 mm半径半球形钢压头模拟局部冲击条件；采用线性可变差分变压器（LVDT）测量梁的动态响应；并基于连续表面帽盖模型（CSCM）开发了精细化数值模型，该模型能够考虑三轴应力状态、峰后软化、应变率敏感性和热降解效应。
材料测试结果
研究表明，高温暴露显著改变了UHPC的力学性能。在600°C条件下，UHPC的抗压强度从室温下的129.50 MPa降至108.51 MPa，保留率为83.79%。弯曲性能测试显示，600°C时的峰值应力为23.79 MPa，明显低于室温下的28.53 MPa。微观结构观察发现，高温导致水泥基体脱水、纤维-基体界面退化，裂纹更加广泛和宽大，破坏行为由脆性向准脆性转变。
UHPC梁的热剥落
结构层面的高温试验揭示了与小试件不同的剥落行为。即使采用与材料试验相同的加热速率（4°C/min），UHPC梁A5仍出现局部剥落，而采用更高加热速率（20°C/min）的梁A6则遭受更严重剥落。这种现象归因于大尺寸试件固有的低渗透性限制了蒸汽压力的消散，导致截面内产生更高的温度应力梯度。600°C暴露后，梁表面出现随机分布的剥落，深度达到钢筋位置；1000°C暴露后，混凝土保护层大面积丧失，钢筋暴露并出现氧化迹象。
落锤冲击后的破坏模式
冲击试验结果显示，高温暴露显著改变了UHPC梁的破坏模式。室温下的梁A3表现为典型的弯曲破坏，裂纹分布均匀；600°C暴露后的梁A5出现局部剥落和表面碳化，除垂直裂纹外还观察到斜向裂纹，表明剪切破坏成分增加；1000°C暴露的梁A6因严重剥落而难以观察清晰裂纹模式，但整体变形仍以弯曲为主。这些现象表明高温损伤降低了材料的强度和韧性，使结构更易在冲击下发生破坏。
动态响应分析
动态测试数据进一步量化了温度对UHPC抗冲击性能的影响。室温梁A3的峰值冲击力为408.77 kN，而600°C暴露后的梁A5降至257.62 kN，降幅达37%。同时，梁A5的最大跨中挠度增至39.78 mm，比室温梁增加了76.4%。经历1000°C高温的梁A6虽然冲击高度从1 m降至0.25 m，其峰值冲击力仅为21.49 kN，但跨中挠度仍超过30 mm，表现出“低力-高变形”的特征，反映了严重热损伤导致的刚度退化。
冲击阻力建模
研究人员开发了改进的CSCM模型来模拟UHPC在高温后的冲击响应。该模型通过引入温度相关的弹性模量、剪切模量和体积模量，以及考虑应变率效应的动态增强因子（DIF），成功捕捉了材料在热-力耦合作用下的本构行为。模型参数校准基于三轴压缩试验数据，并采用Rubin缩放函数描述材料在拉伸和扭转载荷下的强度特性。数值模拟结果与实验数据吻合良好，特别是在峰值冲击力和破坏模式预测方面表现出较高精度。
模拟结果
有限元分析结果显示，改进的CSCM模型能准确预测UHPC梁在冲击荷载下的力-时程和位移-时程响应。对于室温条件下的梁A3，模拟与实验的挠度偏差仅为0.2%；对于600°C暴露的梁A5，残余挠度预测偏差为7.9%；对于1000°C暴露的梁A6，峰值挠度预测偏差为4.9%。这些偏差在可接受范围内，证明了模型的可靠性。有效塑性应变分布图清晰显示了高温试件损伤更加严重，与实验观察一致。
本研究通过系统的实验和数值分析，得出以下重要结论：高温暴露显著降低UHPC的力学性能和抗冲击能力，600°C时抗压强度保留率约为84%，冲击峰值力下降约37%，挠度增加76%；加热速率对剥落行为有重要影响，快速加热加剧蒸汽压力积累，导致更严重剥落；改进的CSCM模型能有效预测高温后UHPC的冲击响应，为性能评估提供可靠工具；冲击响应特征显示，高温后UHPC呈现“低力-高变形”特点，表明刚度退化与能量耗散机制改变。
该研究的创新之处在于首次系统量化了高温后UHPC结构在冲击荷载下的性能退化规律，并建立了可考虑温度损伤的本构模型。研究成果对火灾后UHPC结构的安全评估、修复加固设计具有重要指导意义，为制定相关设计规范提供了理论依据和数据支持。未来研究可进一步考虑不同纤维类型、配合比参数的影响，以及更复杂热-力耦合路径下的结构行为，不断完善UHPC在极端条件下的设计理论。
