基于ABAQUS的鋼纖維/鋼筋混凝土落錘沖擊試驗數(shù)值模擬

魏金源厲 帥張 勇秦 菱

（1空軍勤務學院 機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000；2 中國航空港建設第二工程總隊 江蘇 徐州 221000）

基于ABAQUS的鋼纖維/鋼筋混凝土落錘沖擊試驗數(shù)值模擬

魏金源1厲 帥2張 勇1秦 菱1

（1空軍勤務學院 機場工程與保障系 江蘇 徐州 221000；2 中國航空港建設第二工程總隊 江蘇 徐州 221000）

對不同鋼筋分布鋼纖維混凝土進行低速落錘沖擊試驗，根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀得到的擬合力、位移與時間的關(guān)系曲線，得到初步結(jié)論，再通過ABAQUS有限元軟件對沖擊瞬態(tài)進行模擬，得到不同試件的撓度變形云圖，可觀察出應力分布情況。通過與試驗現(xiàn)象及結(jié)論進行對比，說明了本次數(shù)值模擬所得結(jié)果具有較強合理性和有效性。

鋼筋；混凝土；抗沖擊性能；數(shù)值模擬

0 引言

鋼纖維混凝土中添置鋼筋結(jié)構(gòu)在撞擊、爆炸等動荷載作用下的破壞情況受到了日益廣泛的關(guān)注[1]。為探求鋼纖維混凝土中鋼筋分布對整體抗低速沖擊作用的影響[2]，本文采用落錘沖擊試驗機對不同鋼筋分布的時間進行沖擊試驗，再通過ABAQUS有限元軟件對沖擊瞬態(tài)進行模擬，最后將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象進行對比，得出鋼筋分布的影響規(guī)律。

1. 試驗

1.1試驗方案

試驗采用JLW-800落錘沖擊試驗機，對自制的混凝土試件進行適中能量的低速沖擊試驗，錘頭直徑50mm，試件平面尺寸設計為300mm×300mm× 50mm，共有鋼纖維摻量相同，鋼筋分布不同的A、B兩板，各做3塊最終數(shù)據(jù)取平均值，鋼筋間距為試驗變量，分為60mm和120mm兩種，混泥土配合比見表1。

表1 混凝土材料配合比（單位kg/m3）

1.2試驗結(jié)果

每組試驗重復3次，對所得數(shù)據(jù)取平均值，將得到的數(shù)據(jù)進行整理，得到A、B板擬合力—時間和位移—時間曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 A、B板擬合力—時間曲線

圖2 A、B板位移—時間曲線

從上圖中可明顯地看出，B板的最大擬合力值遠大于A板，可以認為B板整體強度大于A板，從最大位移也能得出，B板受侵徹破壞的影響較小，剛度更大。

2. 模型的建立

2.1混凝土與鋼筋模型

采用ABAQUS單元庫中的C3D8R實體單元對混泥土基體進行模擬，根據(jù)試驗的尺寸300mm×300mm× 50mm進行建模。為了最大程度地模擬沖擊瞬態(tài)過程，對混泥土板基體模型采用不規(guī)則劃分法，在沖擊體接觸面附近劃分更密的網(wǎng)格并向四周緩慢變疏延伸，混泥土板基體劃分為36000個單元體。建立3×3和5×5不同間距的鋼筋網(wǎng)模型，鋼筋與混泥土采用分離式模型建模，再通過“裝配”功能組合到一起。

2.2鋼纖維模型

鋼纖維在混泥土中的狀態(tài)為亂向散布，建模時若采用分離式模型，將鋼纖維單元視作線性桿單元進行建模，則要對每一根鋼纖維的三維分布狀態(tài)進行單獨描述，在鋼纖維與混泥土臨界位置設置鏈接單元。此種模型雖然能夠較為真實反應鋼纖維在混泥土中的散布狀態(tài)，但因為鋼纖維數(shù)量極多，需要描述的過渡單元非常繁瑣，在建模過程中造成收斂性難以控制，不利于模擬真實的沖擊過程。通過對有關(guān)文獻進行研究[3][4]，本文應用整體式模型將鋼纖維當作混泥土中的強化組分，將鋼纖維混泥土視為一種勻質(zhì)材料，建立滿足鋼纖維與混泥土無相對滑移并且位移變形協(xié)調(diào)一致的假設。

2.3彈體與支座模型

落錘沖擊體和底部支座的材料均為45號鋼。將沖擊體與底部支座視為勻質(zhì)材料，使用C3D8R實體模型進行建模，通過調(diào)整其彈性模量和泊松比使之不發(fā)生變形。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)系為四邊簡支，支座外形尺寸為邊長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。沖擊體與板接觸關(guān)系采用接觸法則來定義，板件與底部支座的關(guān)系采用固定縱向位移的簡支法則來定義。在落錘與板件之間加載矩形脈沖波，根據(jù)落錘試驗所荷載持續(xù)時間和落錘質(zhì)量換算為沖量，并施加在接觸面上。

2.4本構(gòu)維模型

鋼纖維-鋼筋混泥土與鋼筋混泥土的變形機理有相同之處：兩者在沖擊條件下的變形均是內(nèi)部拉應力造成的，鋼纖維較高的長徑比與抗拉強度限制了內(nèi)部裂縫的進一步發(fā)展，限制了劇烈破壞的產(chǎn)生，但是這并不對裂縫的形成機理和構(gòu)件破壞形式造成改變，因此可以將普通鋼筋混泥土的本構(gòu)模型運用到鋼纖維-鋼筋混泥土中。

鋼筋應力-應變關(guān)系采用典型的三段折線模型，本構(gòu)模型表達式為：

3.數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

圖4和5分別為A和B板在落錘沖擊作用下的縱向位移變形形態(tài)，從圖中可以看出板件在沖擊荷載作用下發(fā)生了撓曲變形，A板受力更為集中，板件幾何中心處的位移變化最大[7]。

圖3 落錘沖擊試驗仿真模型

圖4 A板撓度變形云圖

圖5 B板撓度變形云圖

結(jié)合落錘沖擊數(shù)據(jù)采集儀中的擬合力—時間和位移—時間曲線分析結(jié)果，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，A板在鋼筋分布上與B板不同，因此受力瞬間內(nèi)部荷載分布主要靠混凝土，而B板鋼筋分布更為集中，鋼筋能承擔大部分的沖擊載荷，使得力分布更廣，減少破壞程度[8]。本次數(shù)值模擬所得結(jié)果具有較強合理性和有效性，可以在接下來的研究中部分代替試驗工作，利用數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)對鋼纖維-鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)進行更深入的研究[9]。

4. 結(jié)論

本文對不同鋼筋分布的鋼纖維混凝土進行低速落錘沖擊試驗，并通過ABAQUS有限元軟件進行仿真分析，與試驗結(jié)果進行對比，得出以下幾點結(jié)論：

（1）對不同鋼筋分布的兩組試件進行低速沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)5×5的鋼筋分布較3×3的鋼筋分布所受最大沖擊載荷要大，最大屈服載荷幅增加18%，侵徹深度減少15%，表現(xiàn)出更優(yōu)的力學性能。

（2）利用ABAQUS有限元軟件，對鋼纖維-鋼筋混泥土板試件在低速沖擊作用下的破壞過程進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本符合。

（3）從撓度變形云圖中可以明顯看出3×3的鋼筋分布板所受應力更為集中，5×5的鋼筋分布板受力更為擴散，與試件破壞的物理現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)相吻合。

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[5]許斌，曾翔.沖擊作用下鋼筋混凝土深梁動力性能試驗研究[J].振動與沖擊，2015，34(4)：6～11.

[6]M.Zineddin, T.Krauthammer.Dynamic response and behavior of reinforced concrete slabs under impact loading [J].International Journal of Impact Engineering, 2007, 34：1517～1534.

[7]管文博，楊會偉，胡建星.落錘沖擊作用下充液半球殼的實驗和數(shù)值分析[J].振動與沖擊，2014，(21)：148～154.

[8]侯志楠.鋼纖維混凝土應用與研究進展[J].城市建設理論研究(電子版)，2012，(13)

[9]東南大學，同濟大學，天津大學.混凝土結(jié)構(gòu)（上）[M].北京：中國建筑出版社，2008

TJ012 4

A

1007-6344（2017）05-0148-02

*國家自然科學基金項目（51478462），（51508565）

魏金源（1992.11—）, 江西南昌人，碩士研究生。