纤维聚合物加固钢筋混凝土减震柱的数值分析.pdf

2024 年第 2 期69中国高新科技CIVIL ENGINEERING|土木建筑纤维聚合物加固钢筋混凝土减震柱的数值分析朱淋郭强宁雷刘贺衡水中建哈院项目管理有限公司，河北 衡水 053000摘要：文章提出了一种共面投影法来解决钢纤维聚合物交叉点的识别问题。对含 1%和 2%钢纤维聚合物的活性粉末医院建筑混凝土减震柱试样建立数值模型。数值模型与实际试件切片的比较表明，改进的方法具有良好的模拟效果。采用改进的锚索单元模拟钢纤维聚合物与某医院建筑混凝土之间的粘结滑移行为。然后，模拟了含 1%钢纤维聚合物的某医院建筑钢筋混凝土减震柱试样的单轴压缩、三轴压缩和三点弯曲，进一步研究混凝土减震柱试样的混凝土开裂和钢纤维聚合物滑移行为。钢筋混凝土减震柱试件在各种力学试验下的破坏模式与实验结果数值一致，证明了所建立的数值模型的实用性和准确性。本研究为钢筋混凝土减震柱力学的数值模拟提供了基础。关键词：纤维聚合物；加固；混凝土；减震柱；数值分析文献标识码：A中图分类号：TU973文章编号：2096-4137（2024）02-69-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.19Numerical analysis of reinforced concrete seismic columns strengthened with fiber polymerZHU Lin,GUO Qiang,NING Lei,LIU HeHengshui Zhongjian Harbin Institute Project Management Co.,Ltd.,Hengshui 053000,ChinaAbstract:This article proposes a coplanar projection method to solve the recognition problem of steel fiber polymer intersections.Establish a numerical model for the shock absorption column specimens of active powder hospital concrete containing 1%and 2%steel fiber polymer steel fiber polymer.The comparison between the numerical model and the actual specimen slices shows that the improved method has good simulation results.Using an improved anchor cable element to simulate the bond slip behavior between steel fiber polymer and a hospital building concrete.Then,the uniaxial compression,triaxial compression,and three-point bending of a reinforced concrete seismic column sample containing 1%steel fiber polymer in a hospital building were simulated to further investigate the concrete cracking and steel fiber polymer slip behavior of the concrete seismic column sample.The failure modes of numerical reinforced concrete seismic column specimens under various mechanical tests are consistent with the experimental results,proving the practicality and accuracy of the established numerical model.This study provides a foundation for numerical simulation of the mechanics of reinforced concrete seismic columns.Keywords:fiber polymer;reinforcement;concrete;shock absorption column;numerical analysis在过去的20年里，对钢筋混凝土减震柱进行了许多研究，主要集中在配置、力学性能、部件性能和设计、耐高温等方面。钢筋混凝土减震柱的配置主要是通过提高钢筋混凝土减震柱的均匀性、增加基体密度、改善微观结构和钢纤维聚合物含量来提高钢筋混凝土减震柱的材料性能。对于钢筋混凝土减震柱的力学性能，以往的研究主要集中在材料尺寸效应和力学性能指标上（抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、动态特性和应力-应变关系）。对于钢筋混凝土减震柱的构件性能和设计应用，以往的研究主要集中在钢筋的锚固性能，目前较少研究钢纤维聚合物加固钢筋混凝土减震柱的数值分析。为了克服钢纤维聚合物识别问题，使钢纤维聚合物钢筋混凝土减震柱的数值模拟能够顺利进行，提出了一种混合全等法，利用 Matlab 软件实现了钢纤维聚合物向固定空间的输送，并采用共面投影法解决了输送过程中钢纤维聚合物交叉的判别问题。将数值模型的切片与实际的某医院建筑钢筋混凝土减震柱试样进行比较，证明了钢纤维聚合物输送方法能够真实地模拟 RPC 的中观结构特征。此外，还模拟了钢筋混凝土减震柱试件的单轴压缩试验、三轴压缩试验和三点弯曲试验。对某医院建筑混凝土的开裂和钢纤维聚合物的滑移进行了评估。1实验方案1.1试样方法 在本研究中，采用混合全等法进行钢纤维聚合物空间位置的随机生成，它是通过全等运算生成随机数的方法之一，常用的全等法还包括加法全等法、乘法全等法和除法全等法。混合全等法是由 Lehmer 在 1951 年提出的，它是一种利用常数的全等公式与生成的伪随机数的乘积组成的递归公式来生成均匀随机数的方法。与前面提到的其他方法相比，混合全等法具有速度快、节省内存、循环时间长、统计性能好等优点。1.2混凝土数值模型建立在混凝土减震柱试样的数值模拟中，混凝土减震柱基质是混凝土材料，混凝土材料选择的本构模型是莫尔-库仑模型。计算时，将混凝土材料分成 4859 个小四面体，边长为 7mm。因此，模型中块体之间的接触模型是库仑滑移模型。这些模型的输入参数包括密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力、膨胀角和抗拉强度，这些参数均通过实验获得。1.3钢纤维聚合物材料模型的选择为了考虑钢纤维聚合物与混凝土之间的摩擦结合力，钢纤维聚合物的模型采用了 3DEC 软件中的锚索模型。锚索模型既考虑了锚索本身的轴向力变形，又考虑了锚索与接触材料之间的剪切滑移，这与钢纤维聚合物与混凝土之间的受力特点比较一致。其中，剪切滑移表征钢纤维聚合物在混凝土基体中的摩擦滑移，轴向力表征钢纤维聚合物被拉伸的机械过程。在模型中，钢纤维聚合物被离散成多个元素，每个元素的质量都集中在两端的节点上。钢纤维聚合物的轴向变形 2024 年第 2 期70中国高新科技土木建筑|CIVIL ENGINEERING 可以通过节点间的膨胀和收缩来实现。钢纤维聚合物和周围混凝土之间的接触是粘性的。因此，接触部分的混凝土可以承受剪力和滑移。2结果与分析2.1单轴压缩试验的分析图 1（a）、图 1（b）为钢纤维聚合物的剪切力和剪切位移的变化趋势。在加载的初始阶段（关键点 A），钢纤维聚合物和某医院建筑混凝土之间的剪切力很小，分布相对杂乱。只有少数钢纤维聚合物达到最大剪应力并开始滑动，大部分钢纤维聚合物没有滑动。在关键点 B，更多的钢纤维聚合物达到最大剪力并处于局部滑移状态。在关键点 C，试样中间出现一个45的滑移带，从左上方开始到右下方（见图1（b）。试样的下部出现了膨胀，也导致了钢纤维聚合物的滑移和混凝土的开裂。在关键点 D，随着位移的增加，试件的右下部分和左上部分出现了比较大的位移，形成了一个大的剪切粘结。这表明该位置的混凝土出现了明显的错位。同时，右上部分也出现了应力集中。总的来说，45滑移面的主导破坏模式在这个阶段已经完全形成。当到达关键点 E 时，试件呈现出沿 45滑移面的剪切运动，试件也被缩短和加宽。垂直于加载方向的裂缝扩大，试样的承载力不断下降。失效模式主要是剪切破坏，同时伴有劈裂破坏，与实验结果一致。（a）钢纤维聚合物轴向剪力变化（b）轴向剪切位移矢量的变化图1单轴压缩试验中钢纤维聚合物失效图 2（a）图 2（c）为某医院建筑混凝土（即 RPC 基体）的等效应力变化图、位移变化图和接头的剪切滑移变化图。混凝土等效应力的变化趋势与钢纤维聚合物轴向剪力的变化趋势一致。在关键点 A，混凝土的等效应力和绝对位移水平都很低，RPC 试件处于压实阶段。混凝土的变形主要是弹性变形，没有发生剪切滑移。在关键点 B，混凝土进入了内部裂缝的起始阶段，等效应力水平明显增加。结合钢纤维聚合物的轴向剪切力，混凝土内部出现了交错滑移。从关键点 C 开始，等效应力开始出现局部集中。由于试件达到了峰值应力，出现了一个方向为 45的等效应力带，图 2（b）的位移图显示了试件上的几条垂直裂缝。同时，试块的滑动也逐渐向 45方向发生。图 2（c）为 45方向的大滑移矢量。在关键点 D，由于承载力的下降和 45方向剪切面的形成，等效应力水平略有降低，试样中间的裂缝进一步扩大。试样沿剪切面被分成两块。块体的滑动进一步加快，破坏区域沿剪切面向周边延伸。在关键点 E，试样被进一步压缩，试样的局部挤压部分的等效应力很大。其他部分则相对较小。由于钢纤维聚合物提供的摩擦剪应力的存在，在 0.73%的轴向应变下，试样仍能保持超过 70MPa 的轴向承载力。结果表明，钢纤维聚合物的存在可以抑制某医院建筑混凝土的运动，有效提高 RPC 的强度和塑性性能。（a）混凝土材料的等效应力变化（b）混凝土位移变化（c）混凝土的接头剪切位移矢量图2在单轴压缩条件下混凝土的破坏特性2.2三点弯曲试验下混凝土数值模拟本文构建了含 1%钢纤维聚合物的 RPC 三点弯曲数值试样，如图 3 所示。图3三点弯曲试验荷载图立方体的尺寸为长 160mm、宽 40mm 和高 40mm，以与实验程序相同的方式加载。在数值试样上表面的中间，设置1 根直径为 10mm 的钢筋作为位移约束，而在数值试样下表面上设置 2 根直径为 10 mm、距离试样末端 20 mm 的钢筋作2024 年第 2 期71中国高新科技CIVIL ENGINEERING|土木建筑为荷载支撑。加载方法为位移控制，加载速度为 0.002mm/s。2.3数值结果与实验结果失效模式比较图4失效模式比较图 4 为试验和数值结果之间在单轴压缩试验、三轴压缩试验和三点弯曲试验下，用 1%钢纤维聚合物加固的混凝土试样的破坏模式的比较。从单轴压缩试验的截面分析和三轴压缩试验的截面分析中可以看出，钢纤维聚合物的存在使试样在单轴和三轴压缩过程后的残余应力分别为 84.2MPa 和166.1MPa，变形量分别为 0.68%和 1.34%，这些数值相对于试样的峰值应力只衰减了 33.5%和 23.8%。可以看出，钢纤维聚合物的存在大大增加了活性粉末的峰值强度和残余强度。3结论（1）在单轴压缩和三轴压缩试验中模拟了钢纤维体积含量为 1%的 RPC 的破坏过程。模拟结果再现了钢筋混凝土减震柱试件的剪切破坏特征，通过数值模拟证实了纤维聚合物加固钢筋混凝土减震柱的宏观破坏主要是剪切破坏。（2）实验和数值模拟结果表明，在钢筋混凝土减震柱基体中加入钢纤维可以有效改善钢筋混凝土减震柱试样的塑性行为和强度，使试样在大变形后仍能保持较高的机械强度。证明了加入钢纤维聚合物的钢筋混凝土减震柱材料具有良好的应用前景，为钢筋混凝土减震柱性能的数值模拟研究提供了新途径。作者简介：朱淋（1991-），男，辽宁抚顺人，衡水中建哈院项目管理有限公司工程师，研究方向：工程管理。参考文献1 杜修力，刘迪，许成顺，等.橡胶支座在浅埋地下框架结构中的减震效果研究 J.岩土工程学报，2021，43（10）：1761-1770，1957.2 王颖欣.BRC 钢框架跷动结构减震影响分析 D.邯郸：河北工程大学，2013.3 唐建余，潘文，董卫青，等.某超高层框架-钢筋混凝土核心筒结构减震案例分析 J.工业安全与环保，2021，47（7）：55-59.（责任编辑：张志明）（上接第52页）表1ChatGPT变换器模型算法优化结果任务模型准确率（%）计算时间（s）文本蕴含原始模型84.35210.56优化后模型84.21155.23情感分析原始模型91.47195.67优化后模型91.50140.89问答原始模型78.90230.45优化后模型78.95172.30由表 1 可知，优化后 GPT 模型的准确率与原始 GPT 模型相似，和问答数据处理中略有提升。优化后模型的主要优势体现在计算时间上，呈现出显著优势，计算时间平均降低了约 30%，体现了快速处理海量数据的技术优势。结果表明，智算 AI 算法优化维持了模型原有性能、提升了计算效率，加强了 AI 算法模型的综合性能，体现了在云计算领域中的适用性。4结语在智算时代下，AI技术进步的关键是开发新的算法架构、优化现有模型、研发高性能硬件设备。算法的效率和可扩展性优化有助于处理日益增长的数据量，为资源受限环境中的AI 算法部署提供了可能，扩大了 AI 技术的应用范围。随着新算法和新技术的不断涌现，可以预见到 AI 算法在处理效率和可扩展性中的更大突破，以服务日益复杂的实际应用需求。本研究以云计算应用场景为研究切入点，探讨了 GPT 模型自然语言处理效率的提升方法，结果表明：优化在保证准确率不降低的情况下提升了计算速度，对云计算中海量数据计算场景下的性能起到了重要作用。作者简介：马先德（1985-），男，山东莒县人，供职于天翼云科技有限公司，研究方向：云计算、AI 技术。参考文献1 杨仙明，詹贤春，程恒亮，等.基于图卷积网络和注意力机制的诊断预测 J.计算机科学，2023，50（S2）：599-604.2 秦涛，杜尚恒，常元元，等.ChatGPT 工作原理、关键技术及未来发展趋势 J/OL.西安交通大学学报，2024，（1）：1-11.2023-11-17http:/ 肖君，白庆春，陈沫，等.生成式人工智能赋能在线学习场景与实施路径 J.电化教育研究，2023，44（9）：57-63，99.4 高俊.ChatGPT 生成式 AI 的算法安全风险及治理路径研究 J.通信与信息技术，2023（4）：122-124，128.5 董鹏宇.ISP 核心算法与 AI 技术的融合分析 J.集成电路应用，2023，40（6）：22-25.（责任编辑：葛佳）