基于ABAQUS的钢纤维/钢筋混凝土落锤冲击试验数值模拟

魏金源厉 帅张 勇秦 菱

（1空军勤务学院 机场工程与保障系 江苏 徐州 221000；2 中国航空港建设第二工程总队 江苏 徐州 221000）

基于ABAQUS的钢纤维/钢筋混凝土落锤冲击试验数值模拟

魏金源1厉 帅2张 勇1秦 菱1

（1空军勤务学院 机场工程与保障系 江苏 徐州 221000；2 中国航空港建设第二工程总队 江苏 徐州 221000）

对不同钢筋分布钢纤维混凝土进行低速落锤冲击试验，根据数据采集仪得到的拟合力、位移与时间的关系曲线，得到初步结论，再通过ABAQUS有限元软件对冲击瞬态进行模拟，得到不同试件的挠度变形云图，可观察出应力分布情况。通过与试验现象及结论进行对比，说明了本次数值模拟所得结果具有较强合理性和有效性。

钢筋；混凝土；抗冲击性能；数值模拟

0 引言

钢纤维混凝土中添置钢筋结构在撞击、爆炸等动荷载作用下的破坏情况受到了日益广泛的关注[1]。为探求钢纤维混凝土中钢筋分布对整体抗低速冲击作用的影响[2]，本文采用落锤冲击试验机对不同钢筋分布的时间进行冲击试验，再通过ABAQUS有限元软件对冲击瞬态进行模拟，最后将数值模拟结果与试验现象进行对比，得出钢筋分布的影响规律。

1. 试验

1.1试验方案

试验采用JLW-800落锤冲击试验机，对自制的混凝土试件进行适中能量的低速冲击试验，锤头直径50mm，试件平面尺寸设计为300mm×300mm× 50mm，共有钢纤维掺量相同，钢筋分布不同的A、B两板，各做3块最终数据取平均值，钢筋间距为试验变量，分为60mm和120mm两种，混泥土配合比见表1。

表1 混凝土材料配合比（单位kg/m3）

1.2试验结果

每组试验重复3次，对所得数据取平均值，将得到的数据进行整理，得到A、B板拟合力—时间和位移—时间曲线，如图1和图2所示。

图1 A、B板拟合力—时间曲线

图2 A、B板位移—时间曲线

从上图中可明显地看出，B板的最大拟合力值远大于A板，可以认为B板整体强度大于A板，从最大位移也能得出，B板受侵彻破坏的影响较小，刚度更大。

2. 模型的建立

2.1混凝土与钢筋模型

采用ABAQUS单元库中的C3D8R实体单元对混泥土基体进行模拟，根据试验的尺寸300mm×300mm× 50mm进行建模。为了最大程度地模拟冲击瞬态过程，对混泥土板基体模型采用不规则划分法，在冲击体接触面附近划分更密的网格并向四周缓慢变疏延伸，混泥土板基体划分为36000个单元体。建立3×3和5×5不同间距的钢筋网模型，钢筋与混泥土采用分离式模型建模，再通过“装配”功能组合到一起。

2.2钢纤维模型

钢纤维在混泥土中的状态为乱向散布，建模时若采用分离式模型，将钢纤维单元视作线性杆单元进行建模，则要对每一根钢纤维的三维分布状态进行单独描述，在钢纤维与混泥土临界位置设置链接单元。此种模型虽然能够较为真实反应钢纤维在混泥土中的散布状态，但因为钢纤维数量极多，需要描述的过渡单元非常繁琐，在建模过程中造成收敛性难以控制，不利于模拟真实的冲击过程。通过对有关文献进行研究[3][4]，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，建立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。

2.3弹体与支座模型

落锤冲击体和底部支座的材料均为45号钢。将冲击体与底部支座视为匀质材料，使用C3D8R实体模型进行建模，通过调整其弹性模量和泊松比使之不发生变形。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。冲击体与板接触关系采用接触法则来定义，板件与底部支座的关系采用固定纵向位移的简支法则来定义。在落锤与板件之间加载矩形脉冲波，根据落锤试验所荷载持续时间和落锤质量换算为冲量，并施加在接触面上。

2.4本构维模型

钢纤维-钢筋混泥土与钢筋混泥土的变形机理有相同之处：两者在冲击条件下的变形均是内部拉应力造成的，钢纤维较高的长径比与抗拉强度限制了内部裂缝的进一步发展，限制了剧烈破坏的产生，但是这并不对裂缝的形成机理和构件破坏形式造成改变，因此可以将普通钢筋混泥土的本构模型运用到钢纤维-钢筋混泥土中。

钢筋应力-应变关系采用典型的三段折线模型，本构模型表达式为：

3.数值模拟计算结果与分析

图4和5分别为A和B板在落锤冲击作用下的纵向位移变形形态，从图中可以看出板件在冲击荷载作用下发生了挠曲变形，A板受力更为集中，板件几何中心处的位移变化最大[7]。

图3 落锤冲击试验仿真模型

图4 A板挠度变形云图

图5 B板挠度变形云图

结合落锤冲击数据采集仪中的拟合力—时间和位移—时间曲线分析结果，与数值模拟结果基本吻合，A板在钢筋分布上与B板不同，因此受力瞬间内部荷载分布主要靠混凝土，而B板钢筋分布更为集中，钢筋能承担大部分的冲击载荷，使得力分布更广，减少破坏程度[8]。本次数值模拟所得结果具有较强合理性和有效性，可以在接下来的研究中部分代替试验工作，利用数值模拟得出的数据对钢纤维-钢筋混泥土结构进行更深入的研究[9]。

4. 结论

本文对不同钢筋分布的钢纤维混凝土进行低速落锤冲击试验，并通过ABAQUS有限元软件进行仿真分析，与试验结果进行对比，得出以下几点结论：

（1）对不同钢筋分布的两组试件进行低速冲击试验，发现5×5的钢筋分布较3×3的钢筋分布所受最大冲击载荷要大，最大屈服载荷幅增加18%，侵彻深度减少15%，表现出更优的力学性能。

（2）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，模拟结果与试验结果基本符合。

（3）从挠度变形云图中可以明显看出3×3的钢筋分布板所受应力更为集中，5×5的钢筋分布板受力更为扩散，与试件破坏的物理现象和试验数据相吻合。

[1]刘成清，陈驰.落石冲击作用下钢筋混凝土棚洞结构的动力系数研究[J].施工技术，2014，(17)：17～23.

[2]宋春明，赵跃堂，梁辉.粘弹性地基上钢筋混凝土方板在低速撞击下的动力响应分析[J].防灾减灾工程学报，2006，(02)：213～218

[3]陈勇，庞宝君，郑伟等.玻璃纤维增强铝合金层板低速冲击力学特性及低温影响研究[J].振动与冲击，2014，17(33)：204～207.

[4]屈铁军，徐荣桓，石云兴.配筋率对钢筋混凝土构件弹性模量影响的试验研究[J]. 混凝土，2014，(09)：113～115.

[5]许斌，曾翔.冲击作用下钢筋混凝土深梁动力性能试验研究[J].振动与冲击，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，杨会伟，胡建星.落锤冲击作用下充液半球壳的实验和数值分析[J].振动与冲击，2014，(21)：148～154.

[8]侯志楠.钢纤维混凝土应用与研究进展[J].城市建设理论研究(电子版)，2012，(13)

[9]东南大学，同济大学，天津大学.混凝土结构（上）[M].北京：中国建筑出版社，2008

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A

1007-6344（2017）05-0148-02

*国家自然科学基金项目（51478462），（51508565）

魏金源（1992.11—）, 江西南昌人，硕士研究生。