钢纤维-钢筋混凝土结构低速冲击数值模拟研究

林茂+田艳凤+余晓青+胡功笠

摘要：本文利用ABAQUS有限元软件，以钢纤维-钢筋混凝土四边简支板为研究对象，对其在低速冲击作用下的局部破坏效应、整体破坏效应两方面的结构性能进行数值模拟。

关键词：钢纤维；低速冲击；数值模拟

板的挠度变形值是评价构件整体变形和韧性的重要参数，低速冲击对钢纤维-钢筋混泥土结构的整体作用主要表现在对构件的整体压力并使之发生整体弯曲。本文对落锤冲击体、四边简支支座、钢纤维-钢筋混泥土板分别建立模型，对落锤冲击试验过程应用ABAQUS有限元仿真软件进行模拟，所得数据与参考试验结果相比对，以验证数值模拟的有效性，最后从挠度-时间关系的角度分析构件的整体变形特征。

一、模型的建立

1、混凝土与钢筋模型的建立。混凝土与钢筋模型平面尺寸为300mm×300mm，板的厚度设为50mm，混泥土板划分的单元体数为36000个。建立3×3和5×5两种间距的钢筋网模型，钢筋与混泥土采用分离式模型建模，通过“装配”功能组合到一起。

2、钢纤维模型的建立。本文应用整体式模型将钢纤维当作混泥土中的强化组分，将钢纤维混泥土视为一种匀质材料，在模型中满足钢纤维与混泥土无相对滑移并且位移变形协调一致的假设。钢纤维混凝土模型参数见表1。

3、冲击体与支座模型的建立。落锤冲击体和底部支座的材料均为45号钢。冲击体模型截面为直径50mm的圆形，冲击体高70mm，重量为50kg。底部支座与板构件的关系为四边简支，支座外形尺寸为边长300mm，高20mm的正方形封闭结构，支座截面与板件接触宽度为5mm。

4、本构模型的建立。

模型建立的最终效果如图1所示。

二、数值模拟计算结果与分析

1、模拟结果比对。将冲击体模型加载与落锤试验相同的冲击能量，冲击接触位置为板件的几何中心，利用ABAQUS数据捕捉功能选取中心位置处的位移变形值，导出挠度-时间曲线。数值模拟所得数据与落锤试验测得数据相对比，部分板件的对比图如图2所示，图中FEM为数值模拟的结果。

由图2可知，数值模拟曲线与落锤试验曲线符合较为良好，但是在初始破坏形成后的下降段两条曲线有一定出入。可能是因为在建立钢纤维混泥土模型时所做的简化工作，省略掉了钢纤维混凝土板在受到初始破坏时荷载的急剧下降阶段。

2、挠度变形分析。板件的挠度变形能直观反映受冲击过程中的整体破坏程度，通过挠度-时间曲线可以看出板件受低速冲击的变形破坏规律，部分板件的挠度-时间曲线如图3所示。

从图3中可以看出：板件的挠度变形曲线在初始阶段接近于直线形式快速上升，此时板件为弹性变形阶段；曲线到达拐点后斜率有所降低但继续呈上升态势直到最大位移量的形成，此时板件在钢筋的拉结作用下，变形速度有所降低；之后曲线呈不规则的折线形式缓慢下降，最后维持近似水平状态，此时板件经历一定程度的弹性恢复形变，最后维持一定量的塑性变形。

三、结语

利用ABAQUS有限元软件，对钢纤维-钢筋混泥土板试件在低速冲击作用下的破坏过程进行了数值模拟。采用整体式钢纤维混凝土模型，分别对钢纤维混凝土、钢筋、冲击体和底部支座进行建模，对落锤冲击试验进行了数值分析。模拟结果中的荷载-时间曲线与参考试验曲线基本符合，验证了模型具有一定合理性和有效性。

参考文献

[1] 卢海林，孙成访，彭少民.钢纤维混凝土的数值模拟技术研究[J].华中科技大学学报（城市科学版），2005，22（3）：39～45.

[2] 戎志丹.超高性能钢纤维砼防护工程材料的动态行为及数值模拟[D]：〔博士学位论文〕.南京：东南大学，2010.

[3] 秦菱，張超，武爽.钢纤维-钢筋混凝土在低速冲击作用下的受力环境研究[J].四川水泥，2015，（09）：52.