鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗數(shù)值模擬

郭金龍 熊銳

（1福建江夏學院工程學院，福建 福州 350108；2中建海峽建設發(fā)展有限公司，上海 200000）

0 引言

陶粒混凝土是以頁巖陶粒作為粗骨料，代替普通混凝土中的碎石而形成的一種新型混凝土類材料，目前已得到較為廣泛的研究關注。配合比設計合理的陶粒混凝土具有輕質高強的優(yōu)點，適合在混凝土結構工程中的應用，但陶粒混凝土也存在脆性較大的問題，這在一定程度上影響了其在工程中的進一步推廣應用。為了改善其力學性能，部分研究學者嘗試在陶粒混凝土拌合物中引入鋼纖維，得到了鋼纖維陶粒混凝土。權長青等[1]就在陶粒混凝土中引入鋼纖維后發(fā)現(xiàn)，靜力受壓作用下試件的劈裂抗拉強度顯著提高、增韌明顯增強。孟文華和許家文[2]基于鋼纖維陶粒混凝土力學性能試驗和部分約束收縮環(huán)試驗，提出了開裂系數(shù)及開裂評價指標概念，給出鋼纖維陶粒混凝土抗裂性能評價方法，鋼纖維陶粒混凝土的抗裂性能隨鋼纖維摻量的增加而提高。呂衛(wèi)國等[3]分析了鋼纖維體積率與鋼纖維陶粒混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度增幅之間的關系，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維體積率的提高，抗折強度和劈裂抗拉強度增幅較大。李建鏘[4]對8根鋼纖維高強陶粒混凝土梁和1根陶粒混凝土梁及1根普通混凝土梁進行了受扭試驗，探討鋼纖維對于防止扭轉荷載下裂縫發(fā)展的效應，并發(fā)現(xiàn)鋼纖維能提高陶粒混凝土的抗扭轉開裂性能。根據(jù)上述已開展的靜力作用下鋼纖維陶粒混凝土的力學性能研究，可見鋼纖維能有效改善陶粒混凝土脆性較大的缺點。但是對于動力作用下鋼纖維陶粒混凝土的力學性能研究，除楊明宇和謝衛(wèi)紅[5]進行了分離式霍普金斯壓桿（SHBP）試驗以外，有關文獻較少，特別是對于鋼纖維陶粒混凝土在數(shù)值模型中的應用等相關領域有待更多的研究。因此，本文在已有文獻[5]的研究基礎上，利用HJC本構模型模擬混凝土材料，對鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗進行數(shù)值模擬，分析不同應變率下其動力抗壓強度。

1 HJC本構模型

HJC模型是一種應變率相關的混凝土材料本構模型，可以用于分析計算混凝土在動力作用下的力學性能。其抗壓強度可根據(jù)下式確定

式子中fc為混凝土靜力單軸抗壓強度，為混凝土實際應力，P為混凝土實際受的靜水壓強，為混凝土實際應變率，為基準應變率。

2 鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗

文獻[5]中，混凝土原材料中的陶粒采用碎石型頁巖陶粒，粒徑為5～15mm，堆積密度859kg/m3，表觀密度1250kg/m3，鋼纖維采用長度為38～42mm、長徑比為36～45、抗拉強度750MPa的波紋形鋼纖維，采用桿截面直徑為74mm的SHPB試驗裝置對體積摻量為1.0%的鋼纖維陶粒混凝土進行了SHPB試驗，其中SHPB試驗加載控制氣壓分別為0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa，SHPB試塊尺寸為74mm×36.5mm，在入射桿和透射桿上分別貼一個應變片，用于接收應力波信號。作為對照，文獻[5]中還對同尺寸的無加筋陶粒混凝土試塊進行了SHPB試驗，試驗結果如表1所示。

表1 SHPB試驗結果

3 數(shù)值模擬

采用有限元LS-DYNA對鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗進行數(shù)值模擬，有限元模型如圖1所示，其中采用8節(jié)點實體單元模擬混凝土試塊及SHPB試驗裝置，試塊單元尺寸約為25mm；由于整體模型相對中心軸線對稱，故建立1/4模型，并約束對稱面上的節(jié)點的橫向位移；采用自動面面接觸模擬撞擊桿與入射桿、入射桿與試塊以及試塊與透射桿之間的接觸關系，接觸剛度系數(shù)取1.0。并將入射桿和透射桿上粘貼應變片位置所對應的桿表面單元設置為輸出其軸向應力，用于提取數(shù)值模擬波形結果時程曲線。

采用理想彈性模型模擬SHPB裝置各桿件，其中密度7800kg/m3，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。采用HJC模型模擬混凝土試塊，其中材料強度相關參數(shù)如表2所示。

表2 HJC模型強度相關參數(shù)

數(shù)值模擬分析得到試塊的軸向應力分布如圖2所示，可見數(shù)值模型加載下試塊軸向應力數(shù)值較為接近，試塊全截面均勻受荷。得到的典型波形時程曲線如圖3所示，入射桿中測得的入射波及反射波的波形，透射桿中測得透射波的波形。

數(shù)值模擬所得的動力抗壓強度如圖4所示，對比試驗結果，可見HJC本構模型的數(shù)值模擬結果具有較高精度，特別是對于鋼纖維陶粒混凝土，HJC本構模型可以用于分析鋼纖維陶粒混凝土的動力抗壓強度。鋼纖維的摻入能在一定程度上提高陶粒混凝土的動力抗壓強度。而不同應變率下，鋼纖維陶粒混凝土的動力抗壓強度有所不同，隨著應變率的增大，其動力抗壓強度逐漸增大，鋼纖維陶粒混凝土抗壓強度表現(xiàn)出了明顯的應變率效應。

圖1 SHPB有限元模型

圖2 試塊軸向應力分布

圖3 典型波形時程曲線

圖4 動力抗壓強度應變率

4 結論

綜合以上試驗結果，可以得到以下結論：

（1）HJC本構模型可以用于分析鋼纖維陶粒混凝土的動力抗壓強度，具有較高精度。

（2）鋼纖維的摻入能在一定程度上提高陶粒混凝土的動力抗壓強度。

（3）不同應變率下，鋼纖維陶粒混凝土的動力抗壓強度有所不同，隨應變率的增大，其動力抗壓強度逐漸增大。