纤维的大量使用，对于增强高性能混凝土的力学性能有哪些作用

文|程世勇

编辑| 程世勇

前言

随着高层建筑和大跨度结构的需求逐渐减少，对混凝土的性能要求进一步提高。 国际混凝土行业提出了钢纤维改良混凝土的概念，即在水泥混凝土中添加钢纤维，从而可以提高混凝土的承载能力。 钢筋、钢纤维对增强混凝土硬度有显着效果。 在工程中，钢纤维被广泛用于改善混凝土。

在水泥基复合材料中，如果加入高弹性挠度的钢纤维，可以抑制硬化材料脱落后的裂纹扩展，使硬化材料脱落后还可以保持一定的伸长能力，因为抗裂性 可以增强淬火材料的变形能力，当硬质合金材料损坏时，也能保持相应的膨胀性。 为此，钢纤维的抗裂性能与界面粘合能力、纤维弹性挠度和伸长能力等密切相关。

钢筋混凝土是在结构中植入一定量的钢筋，主要是提高预制钢筋的抗拉能力，降低钢筋的抗弯硬度、承载力、抗弯能力。

有限元模型构建

1.1 材料特性

本研究试件属于三点弯曲预制构件，混凝土模量为0.16，密度为2395kg/m3，弹性挠度为27.9GPa，试件尺寸为355mm×105mm×105mm； 钢筋的伸长硬度为3005MPa，钢纤维的弹性模量为202GPa，钢纤维的半径为0.42mm。 钢纤维被扭曲成网格结构并种植在混凝土顶部。 混凝土梁自重较大，混凝土之间的摩擦系数较大。 根据实际项目，在估算模拟值时，需要对预制构件进行铰链支撑的约束。

1.2 有限元模拟估算

ANSYS软件是一种显式非线性动力分析有限元软件。 通过数值计算，可以估算成型、高速碰撞、爆炸等各种动态问题。 经过几年的发展和扩展，ANSYS软件已拥有广泛的功能。 应用于航空航天、汽车、电子等领域。

利用ANSYS软件求解的步骤包括：首先是后处理，包括选项设置、单元类型选择、实常数和材料属性定义、接触面定义、实体模型建立、有限元网格定义等； 其次，加载求解，包括约束材料、设置载荷和边界条件、设置求解中的步长控制、求解时间等相关控制参数； 最后对结果进行后处理，主要是对应变、应力、时间、位移等进行后处理分析。

ABAQUS软件功能强大，适合工程仿真。 它可以解决从简单的线性分析到复杂的非线性问题的各种问题。 它可以模拟钢筋混凝土等典型工程材料的性能。 本研究是模拟钢筋混凝土和钢纤维混凝土。 建模时，使用3D实体模型构建具体模型，并通过Extrusion对实体进行改进。 定义网格时，挠度单位为3Dstress； 钢筋和钢纤维使用3D应力挠度单元，网格由实体单元定义。 网格规格为10mm。

在ABAQUS中，可以使用实体单元进行模拟，并且使用静态和通常线性分析，即一般和静态来定义step1。 本研究采用有限元方法对三点弯曲钢筋混凝土、素混凝土和钢纤维混凝土进行了估算和分析。 钢筋混凝土有四种模型，钢纤维混凝土试件A、钢纤维混凝土试件B、钢纤维混凝土试件C。模型材料参数如表1所示。

表1 模型材料参数

有限元主要用于未脱落混凝土弹性阶段的模拟估算。 拉伸挠度是破坏混凝土预制构件的主要挠度。 混凝土的伸长硬度为压缩硬度的1/20~1/8。 承载能力约为10.5~16.5kN。 有限元估算中，施加在试件上的力控制在10.5kN以内。 在10.5kN荷载作用下，对各预制构件节点的应力和轴向挠度进行对比分析，如图1所示为预制构件在10.5kN作用下的轴向挠度云图。

图1 预制构件在10.5kN作用下的轴向挠度云图

可以看出，在荷载作用下，试件钢筋、混凝土、钢纤维网的轴向挠度分布图中，大部分区域所受轴力为压挠度，顶部中部区域预制构件会受到拉伸变形。 挠度从两端向中间逐渐增大。

钢纤维混凝土和钢筋混凝土预制构件受弯热性能有限元估算结果分析

在防护领域，高强混凝土材料的应用前景十分广阔。 弹丸侵彻钢纤维高强混凝土板过程是一个极短时高压、大应变非线性问题。 研究方法包括软件模拟和实际测试。 随着有限元技术的进一步发展，可以利用计算机相关软件对侵彻过程进行数值模拟，得到弹丸侵彻速度、破坏过程、侵彻阻力等的变化规律。

分析渗透问题的一个重要方法是软件模拟。 钢纤维混凝土的侵彻分析主要集中于混凝土本构模型的构建和侵彻经验公式的推导。 本研究采用ANSYS有限元软件进行钢纤维高强混凝土板抗侵彻过程的数值模拟。

2.1 预制构件挠度分析

从图1轴向挠度分布图可以看出，混凝土的大部分区域都处于受压状态，靠近混凝土顶部中部的区域是拉伸挠度的分布区域。 分析轴向节点、轴向钢筋混凝土节点和试件中部节点。 相邻两个节点的宽度为1.1cm。 选取的节点为中间区域的节点，方便直观地观察试件的受力情况。 表2为试件在10kN集中荷载作用下各节点位置的轴向挠度。

由表2可知，在10.5kN集中荷载作用下，试件添加钢纤维和钢筋后，试件各节点位置的轴向挠度得到有效减小。 添加钢筋和钢纤维后，显着增加。 与素混凝土试件相比，钢筋混凝土顶部的平均拉伸挠度增加了8.34%，最大拉伸挠度增加了12.91%，并且最大拉伸挠度和平均拉伸挠度都有一定程度的减小。

对于弯矩率为0.09%的钢纤维混凝土试件，顶部平均拉伸挠度增加了10.89%，混凝土试件中部最大拉伸挠度增加了9.65%，最大拉伸挠度与平均拉伸挠度略有下降。 弯矩率为0.09%的钢纤维网格混凝土在增加混凝土试件顶部拉伸挠度方面与钢筋混凝土几乎相同，且试件最大拉伸挠度略低于钢筋混凝土。 。

对于弯矩率为0.18%的钢纤维混凝土试件，与素混凝土相比，中间位置最大拉伸挠度处的拉伸挠度增加了9.78%，顶部平均拉伸挠度增加了12.0%，最大拉伸挠度和平均拉伸挠度增加。 它比钢筋混凝土更好。 与钢筋混凝土相比，最大拉变形疗效提高49.74%，平均拉变形疗效提高49.46%。

对于弯矩率为0.36%的钢纤维混凝土试件，与素混凝土相比，混凝土试件中部最大拉伸挠度处的拉伸挠度增加了12.87%，顶部平均拉伸挠度增加了14.36%。 当钢纤维含量急剧增加时。

与钢筋混凝土相比，平均拉挠增挠疗效提高了54.32%，最大拉挠增挠疗效提高了49.44%。 在相同钢材截面积的条件下，钢纤维网混凝土与钢筋混凝土相比，增加拉伸挠度的效果更高。 钢纤维网的使用有效降低了混凝土结构的平均拉伸挠度，结构承载力随着钢纤维含量的减少而增加。

表2 试件各节点位置的轴向挠度

2.2 预制构件受力分析

从图1试件Y轴位移云图可以看出，在Y轴方向（应力方向），预制构件的变形呈现从两端向中间增大的趋势。 对于位于轴向方向的节点，表3给出了荷载为10.5kN时混凝土顶部各节点的Y轴位移。

表3 混凝土顶部各节点Y轴位移

从表3可以看出，混凝土中添加钢纤维可以改善混凝土的抗弯性能，从而有效减小混凝土试件的应力、预制构件Y轴方向的变形以及不同试件在作用下的应力变化。不同荷载作用基本相同，图2所示为不同荷载作用下混凝土结构的位移对比。

从图2可以看出，钢纤维混凝土试件的应力低于钢筋混凝土和素混凝土。 在混凝土中，钢筋的配制可以有效地减少因挠曲或弯曲、拉伸变形而形成的应力。 对于钢筋，结合表3和图2可以看出，与素混凝土相比，钢筋混凝土的最大荷载增加了12.57%，平均节点应力增加了13.53%； 对于弯矩率为0.09%的钢纤维混凝土，平均节点应力增加16.31%%。

与钢筋混凝土相比，增加节点应力性能提高17.66%； 与素混凝土相比，弯矩率为0.09%的钢纤维混凝土的最大荷载提高了17.63%，与钢筋混凝土相比，增加节点应力的效果增强了13.57%； 对于弯矩率为0.18%的钢纤维混凝土，平均节点应力增加19.34%； 与钢筋混凝土相比，接缝应力性能提高26.84%。

对于弯矩比为0.36%的钢纤维混凝土，平均节点应力增加24.25%。 与钢筋混凝土相比，钢筋混凝土具有更好的抗变形能力，可以有效提高混凝土预制构件的局部伸长性能。

图2 不同荷载作用下混凝土结构位移对比

2.3 钢筋及钢纤维轴向挠度分析

在集中载荷作用下，试件大部分区域受到压缩挠曲，而顶部中部则受到拉伸挠曲。 试验中，拉弯区域的拉弯变形主要由钢筋和混凝土承受。 在变形和轴向挠度的情况下，分析试验中钢纤维和钢筋的轴向挠度。 表4为荷载为10.5kN时钢材各节点的轴向挠度。

表4 钢材各节点轴向挠度

2.4 混凝土预制构件受钢纤维网格不同角度弯曲挠度分析

从热性能角度来看，如果钢纤维的纵向和横向分布位置不同，则其纵向和横向的应力状态不同。 因此，当钢纤维格栅的倾斜角度发生变化时，其增清疗效也会随着角度的变化而变化。 基于此，本研究将钢纤维网格的交织倾斜角度分别设置为35°、50°、65°、90°，并取试件顶部混凝土的中间位置，分析轴向方向的接头。 接缝的宽度为1.1厘米。 表5为钢纤维网混凝土顶部接缝不同轴向挠度。

表5 不同钢纤维网混凝土顶部节点的轴向挠度

2.5 不同角度钢纤维网格增加混凝土受弯预制构件应力的受力分析

在试件顶部混凝土中间位置轴向取节点，分析不同节点在10.5kN作用下的位移。 表6为钢纤维网混凝土顶部节点的Y轴位移。 作用下，90°钢纤维网格絮凝节点Y轴方向变形最大； 35°钢纤维网格絮凝节点具有最新变形； 65°钢纤维混凝土的变形略高于50°钢纤维网格混凝土。

表6 钢纤维网格混凝土顶部节点Y轴位移

推理

荷载作用下，钢纤维格栅轴向挠度分布图中，大部分区域轴向挠度为压缩挠度，拉伸挠度集中在预制构件顶部中部区域，且拉伸挠度逐渐增大从中间向两端逐渐减小。

参考

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