鋼纖維-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊數(shù)值模擬研究

林茂+田艷鳳+余曉青+胡功笠

摘要：本文利用ABAQUS有限元軟件，以鋼纖維-鋼筋混凝土四邊簡(jiǎn)支板為研究對(duì)象，對(duì)其在低速?zèng)_擊作用下的局部破壞效應(yīng)、整體破壞效應(yīng)兩方面的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

關(guān)鍵詞：鋼纖維；低速?zèng)_擊；數(shù)值模擬

板的撓度變形值是評(píng)價(jià)構(gòu)件整體變形和韌性的重要參數(shù)，低速?zèng)_擊對(duì)鋼纖維-鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)的整體作用主要表現(xiàn)在對(duì)構(gòu)件的整體壓力并使之發(fā)生整體彎曲。本文對(duì)落錘沖擊體、四邊簡(jiǎn)支支座、鋼纖維-鋼筋混泥土板分別建立模型，對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)過程應(yīng)用ABAQUS有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，所得數(shù)據(jù)與參考試驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，最后從撓度-時(shí)間關(guān)系的角度分析構(gòu)件的整體變形特征。

一、模型的建立

1、混凝土與鋼筋模型的建立?；炷僚c鋼筋模型平面尺寸為300mm×300mm，板的厚度設(shè)為50mm，混泥土板劃分的單元體數(shù)為36000個(gè)。建立3×3和5×5兩種間距的鋼筋網(wǎng)模型，鋼筋與混泥土采用分離式模型建模，通過“裝配”功能組合到一起。

2、鋼纖維模型的建立。本文應(yīng)用整體式模型將鋼纖維當(dāng)作混泥土中的強(qiáng)化組分，將鋼纖維混泥土視為一種勻質(zhì)材料，在模型中滿足鋼纖維與混泥土無相對(duì)滑移并且位移變形協(xié)調(diào)一致的假設(shè)。鋼纖維混凝土模型參數(shù)見表1。

3、沖擊體與支座模型的建立。落錘沖擊體和底部支座的材料均為45號(hào)鋼。沖擊體模型截面為直徑50mm的圓形，沖擊體高70mm，重量為50kg。底部支座與板構(gòu)件的關(guān)系為四邊簡(jiǎn)支，支座外形尺寸為邊長(zhǎng)300mm，高20mm的正方形封閉結(jié)構(gòu)，支座截面與板件接觸寬度為5mm。

4、本構(gòu)模型的建立。

模型建立的最終效果如圖1所示。

二、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

1、模擬結(jié)果比對(duì)。將沖擊體模型加載與落錘試驗(yàn)相同的沖擊能量，沖擊接觸位置為板件的幾何中心，利用ABAQUS數(shù)據(jù)捕捉功能選取中心位置處的位移變形值，導(dǎo)出撓度-時(shí)間曲線。數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)與落錘試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)相對(duì)比，部分板件的對(duì)比圖如圖2所示，圖中FEM為數(shù)值模擬的結(jié)果。

由圖2可知，數(shù)值模擬曲線與落錘試驗(yàn)曲線符合較為良好，但是在初始破壞形成后的下降段兩條曲線有一定出入?？赡苁且?yàn)樵诮摾w維混泥土模型時(shí)所做的簡(jiǎn)化工作，省略掉了鋼纖維混凝土板在受到初始破壞時(shí)荷載的急劇下降階段。

2、撓度變形分析。板件的撓度變形能直觀反映受沖擊過程中的整體破壞程度，通過撓度-時(shí)間曲線可以看出板件受低速?zèng)_擊的變形破壞規(guī)律，部分板件的撓度-時(shí)間曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出：板件的撓度變形曲線在初始階段接近于直線形式快速上升，此時(shí)板件為彈性變形階段；曲線到達(dá)拐點(diǎn)后斜率有所降低但繼續(xù)呈上升態(tài)勢(shì)直到最大位移量的形成，此時(shí)板件在鋼筋的拉結(jié)作用下，變形速度有所降低；之后曲線呈不規(guī)則的折線形式緩慢下降，最后維持近似水平狀態(tài)，此時(shí)板件經(jīng)歷一定程度的彈性恢復(fù)形變，最后維持一定量的塑性變形。

三、結(jié)語

利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)鋼纖維-鋼筋混泥土板試件在低速?zèng)_擊作用下的破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用整體式鋼纖維混凝土模型，分別對(duì)鋼纖維混凝土、鋼筋、沖擊體和底部支座進(jìn)行建模，對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值分析。模擬結(jié)果中的荷載-時(shí)間曲線與參考試驗(yàn)曲線基本符合，驗(yàn)證了模型具有一定合理性和有效性。

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