高性能纖維混凝土的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值仿真分析

摘 要：高性能纖維混凝土（HPFRC）作為新興建筑材料，憑借其高性能被廣泛使用。然而，其在沖擊荷載下的動(dòng)力學(xué)特性還有待深入研究。該研究旨在通過數(shù)值仿真分析，探討C40-HPFRC在沖擊荷載增加過程中的損傷破壞問題。采用ANSYS/LS-DYNA建立C40-HPFRC的數(shù)值模型，施加沖擊荷載進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，對(duì)損傷破壞的原因進(jìn)行細(xì)致討論，研究結(jié)果表明，①在沖擊荷載作用下，C40-HPFRC出現(xiàn)不同程度的損傷破壞，當(dāng)沖擊荷載由0.1 MPa增加至0.3 MPa過程中，沖擊荷載越大，混凝土的損傷破壞越嚴(yán)重；②C40-HPFRC損傷破壞后出現(xiàn)“留芯”現(xiàn)象，小沖擊荷載作用下該現(xiàn)象比較明顯，隨著沖擊荷載的增加該現(xiàn)象逐漸消失；③隨著沖擊荷載的增加，C40-HPFRC的沖擊強(qiáng)度逐漸增大，沖擊荷載由0.1 MPa增加至0.3 MPa過程中，沖擊強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度分別為1.8%和18.4%。

關(guān)鍵詞：高性能纖維混凝土；動(dòng)力學(xué)特性；數(shù)值仿真分析；力學(xué)性能；工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0067-04

Abstract： High-performance fiber reinforced concrete （HPFRC） is extensively utilized as a new building material due to its exceptional performance. Nonetheless， there is a need for further investigation into the dynamic properties of C40-HPFRC under impact loads. This study aims to analyze the damage and failure of C40-HPFRC subjected to increasing impact loads through numerical simulation using ANSYS/LS-DYNA. The research findings reveal that， ①C40-HPFRC experiences varying degrees of damage and failure under impact loads， with more severe damage observed as the loads increase from 0.1 MPa to 0.3 MPa; ②a "core retention" phenomenon is observed after damage and failure in C40-HPFRC， which is more pronounced at lower impact loads but diminishes with increasing loads; and ③ with the increase of impact load， the impact strength of C40-HPFRC increases gradually， and the increase of impact strength is 1.8% and 18.4% respectively when the impact load increases from 0.1 MPa to 0.3 MPa.

Keywords： high-performance fiber reinforced concrete; dynamic characteristics; numerical simulation analysis; mechanical properties; engineering application

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于建筑材料的性能要求也日益提高。在眾多建筑材料中，混凝土作為最常用的建筑材料之一，在建筑工程中扮演著重要的角色。然而，傳統(tǒng)混凝土在承載力、耐久性和抗震性等方面存在一定的局限性。為了滿足工程結(jié)構(gòu)對(duì)于高性能材料的需求，高性能纖維混凝土（High Performance Fiber Reinforced Concrete，HPFRC）應(yīng)運(yùn)而生。HPFRC通過添加纖維材料，如鋼纖維、聚丙烯纖維等，使混凝土的性能得到顯著提升。相較于傳統(tǒng)混凝土，HPFRC具有更高的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能、抗裂性能和疲勞耐久性。然而，要充分發(fā)揮HPFRC的優(yōu)勢(shì)，需要深入研究其動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)力學(xué)特性是指在外力作用下，材料的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等力學(xué)響應(yīng)。準(zhǔn)確了解HPFRC的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和使用具有重要意義[1-4]。

關(guān)于混凝土的動(dòng)力學(xué)研究方面已經(jīng)取得了諸多成果，例如：張周等[5]發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻入混凝土可以增強(qiáng)其整體性和韌性，滿足高強(qiáng)度和高韌性的要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在低速?zèng)_擊條件下，鋼纖維的摻入能夠提升混凝土的耗能和抗沖擊性能，這對(duì)于鋼纖維混凝土在復(fù)雜動(dòng)力環(huán)境或低速?zèng)_擊威脅下的工程應(yīng)用和安全評(píng)估具有重要意義。武立偉等[6]在考慮孔隙作用和混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的因素下提出了一種亞均質(zhì)飽和混凝土模型，分析了孔隙率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，同時(shí)利用數(shù)值模擬研究飽和混凝土中的波傳播和動(dòng)態(tài)沖擊破壞問題。李玲等[7]利用SHPB設(shè)備研究了動(dòng)力學(xué)作用下充填復(fù)合混凝土的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)混凝土在動(dòng)力擾動(dòng)作用下對(duì)能量有較好的吸收能力，應(yīng)力衰減效果較佳。馬鋼等[8]研究了不同纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能改善混凝土的脆性破壞，并具有較好的動(dòng)態(tài)壓縮變形能力，同時(shí)具有最好的動(dòng)態(tài)壓縮變形能力。混凝土在動(dòng)載荷作用過程中形成的損傷破壞將使用非連續(xù)體的力學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行描述，沈峰等[9]基于PD方法，假設(shè)位于連續(xù)體內(nèi)的粒子通過有限距離相互作用，然后通過積分計(jì)算相互作用力，這種方法避免了傳統(tǒng)偏微分方程的奇異性和多尺度算法的復(fù)雜性，能有效模擬材料和結(jié)構(gòu)的損傷累積與漸進(jìn)破壞過程。

本文旨在通過數(shù)值仿真分析的方法，研究高性能纖維混凝土的動(dòng)力學(xué)特性。通過對(duì)HPFRC的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等參數(shù)進(jìn)行模擬，我們可以評(píng)估其在不同加載條件下的力學(xué)性能。通過研究HPFRC的動(dòng)力學(xué)特性，可以為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。本研究的結(jié)果有望為高性能纖維混凝土在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供理論支持和參考依據(jù)。通過深入分析HPFRC的動(dòng)力學(xué)特性，能夠?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和可靠性提供重要的技術(shù)指導(dǎo)。同時(shí)，本研究也為混凝土材料的改進(jìn)和發(fā)展提供了新的思路和方法。在本文中，我們將采用數(shù)值仿真分析的方法，通過建立合適的模型和參數(shù)，模擬高性能纖維混凝土在動(dòng)力學(xué)加載下的力學(xué)響應(yīng)。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析和討論，我們希望能夠深入了解HPFRC在動(dòng)力學(xué)條件下的行為規(guī)律，并為相關(guān)領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。通過對(duì)HPFRC的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行深入研究，將為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 HPFRC的SHPB模型建立及材料參數(shù)

在SHPB有限元建模中，使用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分、part創(chuàng)建、接觸設(shè)置、輸入文件K文件等。作為全球最知名的有限元分析軟件之一，ANSYS/LS-DYNA在土木工程、制造工藝、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，擁有100多種材料模型和十幾種單元類型[10-12]。模型構(gòu)建過程中主要包含子彈、入射桿、透射桿和混凝土試件。巖樣的直徑為50 mm，高度為25 mm。模型的網(wǎng)格尺寸按照0.2 mm劃分，HPFRC的SHPB模型如圖1所示。

本文以沖擊荷載為研究變量，分別對(duì)0.1、0.2、0.3 MPa 3個(gè)沖擊荷載條件下混凝土的沖擊動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值分析。本文分析的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，但是由于加入抗裂纖維后，混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到了47.3 MPa，因此在模型構(gòu)建過程中將代入試驗(yàn)所測(cè)得的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。HPFRC的模型參數(shù)見表1。

2 RHT強(qiáng)度模型

RHT強(qiáng)度模型是一種用于預(yù)測(cè)材料力學(xué)強(qiáng)度變化的模型，該模型是基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)的，其目的是通過壓力和孔隙率變化狀態(tài)，提供一種簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的方法來估計(jì)材料各破壞階段下的強(qiáng)度。RHT模型的壓力p和孔隙率α的狀態(tài)方程如圖2所示。該模型適用于不同類型的材料，包括金屬、陶瓷和復(fù)合材料等。

其中，壓力p的計(jì)算表達(dá)式為

， （1）

式中：ρ0為試樣的初始密度；ρ為沖擊過程中試樣的密度；e為試樣內(nèi)能；c0為試樣的波速；s為常數(shù)，通常取0.95。

RHT模型的損傷D定義為

式中：d？著p為塑性應(yīng)變?cè)隽浚粸樵嚇悠茐臅r(shí)的塑性應(yīng)變。

試樣破壞時(shí)的塑性應(yīng)變的計(jì)算表達(dá)式為

， （3）

式中：D1、D2為損傷參數(shù)；為初始靜水壓力；p為失效壓力；的中間值。

RHT模型的破壞面曲線方程

式中：Ａ為失效參數(shù)；Fr為動(dòng)應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)因子；N為孔隙度指數(shù)；F為準(zhǔn)靜態(tài)極限應(yīng)力；F為準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力；Q1、Q2為拉壓子午比。

3 數(shù)值結(jié)果分析

本文對(duì)C40-HPFRC開展了動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真分析，開展沖擊荷載為0.1、0.2、0.3 MPa 3個(gè)工況下的數(shù)值計(jì)算。C40-HPFRC的損傷應(yīng)力云圖如圖3所示，C40-HPFRC的動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算云圖如圖4所示，C40-HPFRC的數(shù)值計(jì)算應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。由圖3可知，在沖擊荷載作用下，C40-HPFRC吸收了沖擊能量，但是其本身材料吸收能量的能力是有限的，任何材料的吸能都是存在一定極限的，當(dāng)沖擊能量超過材料的吸能極限后，無法有效地分散沖擊荷載的能量，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破壞。沖擊荷載開始作用于C40-HPFRC后，由于材料均勻性的問題，混凝土材料內(nèi)部局部區(qū)域的薄弱環(huán)節(jié)處的應(yīng)力超過了其承載能力，此時(shí)在局部區(qū)域產(chǎn)生少數(shù)損傷裂紋。隨著沖擊荷載的繼續(xù)作用，此時(shí)形成的裂紋將逐漸擴(kuò)展和貫通，從而引發(fā)混凝土的損傷破壞。隨著沖擊荷載的持續(xù)作用，C40-HPFRC出現(xiàn)不同程度的損傷破壞。沖擊荷載由0.1 MPa增加至0.3 MPa的過程中，數(shù)值損傷失效單元增多，沖擊荷載越大，此時(shí)混凝土的損傷破壞越嚴(yán)重。

由C40-HPFRC的動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算云圖可知，在沖擊荷載作用下，混凝土出現(xiàn)了“留芯”現(xiàn)象，小沖擊荷載作用下該現(xiàn)象比較明顯，隨著沖擊荷載的增加該現(xiàn)象逐漸消失。主要原因在于，高沖擊荷載作用于混凝土后，此時(shí)材料中的單元會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)損傷破壞，此時(shí)由于大部分的材料單元損失，在材料表面就不會(huì)留存更多的未破壞單元，并且在有效的計(jì)算步內(nèi)，軟件已無法連續(xù)捕捉到材料的破壞過程，因此所謂的“留芯”現(xiàn)象就不會(huì)存在。

由圖4可知，沖擊荷載為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)，C40-HPFRC的沖擊強(qiáng)度分別為94、95.72、117.3 MPa。隨著沖擊荷載的增加，C40-HPFRC的沖擊強(qiáng)度逐漸增大，沖擊荷載由0.1 MPa增加至0.3 MPa過程中，沖擊強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度分別為1.8%和18.4%。當(dāng)沖擊荷載較小時(shí)，此時(shí)沖擊強(qiáng)度隨沖擊荷載的增長(zhǎng)幅度較小。在較大沖擊荷載作用下，混凝土的沖擊強(qiáng)度顯著增加。

4 結(jié)論

本論文通過數(shù)值仿真分析研究了高性能纖維混凝土（HPFRC）的動(dòng)力學(xué)特性，通過對(duì)C40-HPFRC在沖擊荷載作用下的損傷破壞及沖擊強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

1）在沖擊荷載作用下，C40-HPFRC的內(nèi)部局部區(qū)域的薄弱環(huán)節(jié)處的應(yīng)力超過了其承載能力，此時(shí)在局部區(qū)域產(chǎn)生少數(shù)損傷裂紋，隨著沖擊荷載的繼續(xù)作用，C40-HPFRC出現(xiàn)不同程度的損傷破壞；沖擊荷載逐漸增大過程中，數(shù)值損傷失效單元逐漸增多，混凝土損傷破壞越來越嚴(yán)重。

2）在沖擊荷載作用下，材料中的單元會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)損傷破壞，由于大部分材料單元損失，在材料表面就不會(huì)留存更多的未破壞單元，并且在有效的計(jì)算步內(nèi)，軟件已無法連續(xù)捕捉到材料的破壞過程，混凝土出現(xiàn)了“留芯”現(xiàn)象，但該現(xiàn)象隨著沖擊荷載的增加逐漸消失。

3）隨著沖擊荷載的增加，C40-HPFRC的沖擊強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)沖擊荷載較小時(shí)，沖擊強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小；沖擊荷載較大時(shí)，混凝土的沖擊強(qiáng)度增加顯著。

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