钢纤维超高性能混凝土—普通混凝土界面力学特性细观模拟_林梦凯.pdf

书书书第 42 卷第 3 期2023 年 6 月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong UniversityVol 42 No 3Jun 2023收稿日期:2023-03-07学报网址:https:/lztx cbpt cnki net基金项目:国家自然科学基金(52168019);甘肃省自然科学基金(22J5A334);甘肃省高等学校创新能力提升项目(2019B-455)第一作者:林梦凯(1976 )，男，内蒙古四子王旗人，副教授，博士研究生，主要研究方向为桥梁工程、水利水电工程。E-mail:27834040qq com通信作者:马文东(1996 )，男，甘肃会宁人，硕士研究生，主要研究方向为超高性能混凝土加固。E-mail:2551141758 qq com文章编号:1001-4373(2023)03-0001-06DOI:10 3969/j issn 1001-4373 2023 03 001钢纤维超高性能混凝土-普通混凝土界面力学特性细观模拟林梦凯，马文东*，范洁伯，马永江，鲜学蕾(兰州交通大学 土木工程学院，兰州730070)摘要:依据复合材料理论，将超高性能混凝土看作由混凝土基体和钢纤维增强体组成的两相非均质复合材料，建立考虑各自本构关系的超高性能混凝土-普通混凝土界面剪切模型来模拟界面力学特性。基于二次开发将钢纤维实体模型导入有限元软件中，建立三维剪切模型，在细观层面上模拟超高性能混凝土-普通混凝土剪切破坏过程，研究不同钢纤维体积掺量对界面抗剪性能的影响，并确定其破坏机理。结果表明:1)使用钢纤维随机投放建立的三维剪切模型进行模拟试验得到的极限承载力与荷载-滑移曲线与已有试验值吻合度较高;2)随着钢纤维体积掺量的增加，界面抗剪承载力呈现先增大后减小的趋势;3)随着剪切荷载的施加，破坏最先发生在界面处，且会一直延伸到键槽，最终因键槽处钢纤维的桥接作用失效导致试件被破坏。关键词:超高性能混凝土;随机投放;界面力学特性;破坏机理中图分类号:TU753 8文献标志码:AFine Simulation of Mechanical Properties of Steel FiberUltra-High Performance on Concrete-Ordinary and Concrete InterfaceLIN Meng-kai，MA Wen-dong*，FAN Jie-bo，MA Yong-jiang，XIAN Xue-lei(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)Abstract:Based on the composite material theory，the ultra-high performance concrete is regarded as atwo-phase non-homogeneous composite material composed of concrete matrix and steel fiber reinforce-ment，and a shear model of the ultra-high performance concrete-ordinary concrete interface is establishedto simulate the mechanical properties of the interface considering the respective intrinsic structure rela-tionship Based on the secondary development，the steel fiber solid model is imported into the finite ele-ment software to establish a three-dimensional shear model to simulate the shear damage process of ultra-high performance concrete-ordinary concrete at the fine level，to study the effect of different volume ad-mixtures of steel fiber on the shear performance of the interface，and to determine the damage mechanismThe results show that:1)the ultimate load capacity and load-slip curves obtained from the simulation testsusing the three-dimensional shear model established by random placement of steel fibers are in good ac-cordance with the existing test values;2)the shear capacity of the interface shows a trend of increasingand then decreasing with the increase of steel fiber volume admixture;3)with the application of shear兰州交通大学学报第 42 卷load，the damage occurs first at the interface and extends to the keyway，finally the damage is caused bythe bridging of the steel fibers at the keyway The specimen is destroyed due to the failure of the bridgingeffect of the steel fiber at the keywayKey words:ultra-high performance concrete;random placement;interfacial mechanical properties;dam-age mechanism超高性能混凝土(ultra-high performance con-crete，UHPC)因具有优良的力学性能和可靠的耐久性，近年来被广泛应用于普通混凝土结构加固中1-4。加固后，UHPC 与普通混凝土(normal con-crete，NC)之间的界面是其最薄弱的部位，在受到荷载作用时，界面的破坏往往先于整体构件5，因此良好的界面粘结性能是保证加固构件协同工作的前提，决定着混凝土结构的安全性、适用性和耐久性。从实际工程应用的角度出发，界面力学特性和钢纤维随机投放成为国内外学者研究的焦点。Ganesh 等6 对界面进行切屑、切槽处理，完成 UHPC-NC 剪切、劈拉试验，使用数值模拟得出最大破坏荷载。轩帅飞等7 使用有限元软件模拟不同键槽数量、侧向应力以及接缝类型的 UHPC 直剪性能，模拟结果表明:随着剪力键数量和侧向应力的增加，接缝的抗剪承载力也随之增加。Jang 等8 通过不同几何形状的推出试验，分析了接触面几何形状对剪切性能的影响，并使用 ABAQUS 软件建立分析模型，对模拟结果和试验结果进行了比对，以验证模拟的准确性。刘桐旭9 利用 ABAQUS 软件建立了 UHPC干接缝的三维有限元模型，分析了剪力键的形状、侧向应力等参数对接缝抗剪性能的影响。闫泽宇10 开展了 UHPC 胶接缝剪切失效的有限元模拟，模拟结果表明:提高 UHPC 的抗压强度能够使接缝的抗剪承载力有所提高，但其抗拉强度则对接缝的抗剪承载力影响较小，仅对接缝破坏后的滑移阶段荷载略有影响。Gopal 等11 为了研究剪力键数量、侧向应力和接缝类型对 UHPC 抗剪性能的影响，利用ABAQUS 建立数值分析模型，将数值模拟结果与现有混凝土接缝抗剪设计表达式的理论计算值进行了对比。王晓飞等12 提出钢纤维外包六面体法，通过编程实现钢纤维随机投放，完成数值建模，并与同钢纤维体积掺量混凝土圆柱体试样切片比较，发现数值模型与试验试样对应切片面内钢纤维的分布较一致，能较好地模拟钢纤维在活性粉末混凝土中的分布情况。程书怀等13 模拟骨料、纤维随机碰撞，建立钢纤维混凝土细观二维几何模型，模拟试件在单轴拉伸下的损伤过程。上述 UHPC-NC 界面抗剪性能和钢纤维随机投放的数值模拟工作具有很好的开创性，但目前已提出的 UHPC-NC 剪切模型和钢纤维随机投放都存在各自的不足。例如，文献 11 采用的是普通混凝土的受拉本构模型，而且在模拟干接缝接触面切向行为时采用的是 Frictionless 的接触方式，该接触方式在模拟时将摩擦系数设置为 0，与实际情况明显不符。文献 12-13 虽然实现了钢纤维的随机投放，但是文献 12只完成模型构建，并未模拟加载工况;文献 13 建立的是细观二维几何模型。综上所述，目前已有的 UHPC-NC 界面抗剪性能和钢纤维随机投放的有限元预测模型尚不成熟，需要在这些模型的基础上进行改进以获得合理准确的有限元预测模型。本文采用数值模拟分析方法，基于二次开发将钢纤维实体模型导入有限元软件中，建立 UHPC-NC试件三维剪切模型，模拟 UHPC-NC 试件三维剪切破坏过程，分析钢纤维体积掺量对界面抗剪承载力的影响，并对 UHPC-NC 试件剪切破坏机理进行分析。1细观数值建模及分析方法1 1基于随机投放的钢纤维模型建立使用 UHPC 加固的 NC 结构在受到荷载作用时，由于钢纤维的桥接作用，使得结构在破坏时的延性增大，抗剪性能提高，所以钢纤维是影响界面力学特性的一个重要影响因素。本文将 UHPC 看作由混凝土基体和钢纤维增强体组成的两相非均质复合材料，钢纤维长度和直径分别为 13 mm、0 5 mm，根据蒙特卡罗法建立符合要求的三维随机钢纤维几何模型，模拟试验选取模型如图 1 所示，通过如图 2 所示的流程图，基于二次开发生成不同掺量的三维随机钢纤维代码，在有限元软件中运行得到的三维实体纤维模型如图 3 所示。1 2UHPC-NC 界面剪切有限元模型的建立在有限元软件中完成 UHPC 和 NC 基体的建立，将钢纤维随机投放脚本导入有限元软件中，利用布尔运算对钢纤维和混凝土基体进行重叠减除设2第 3 期林梦凯等:钢纤维超高性能混凝土-普通混凝土界面力学特性细观模拟置，定义二界面接触时不考虑粘结滑移，并将钢纤维使用 Embedded region 功能嵌入到 UHPC 中，完成UHPC 模型的建立。利用内聚力模型(Cohesive 模型)定义 UHPC-NC 界面接触，完成模型的组装，得到的 UHPC-NC 界面剪切有限元模型如图 4 所示。图 1直剪模型(单位:mm)Fig 1Direct shear model(unit:mm)图 2流程图Fig 2Flow chart1 3本构关系及材料参数的确定混凝土本构采用有限元软件中模拟混凝土结构分析的损伤模型(concrete damaged plasticity，CDP)，它是以非线性弹性理论和断裂力学理论为基础的非线弹性本构模型，采用应力-应变关系来定义混凝土的材料特性，如图 5 所示。钢纤维本构本文选用双折线本构模型，其本构关系曲线如图 6 所示，其中 E1=0 01E0。图 3钢纤维模型Fig 3Steel fiber model图 4UHPC-NC 界面剪切有限元模型Fig 4UHPC-NC interface shear finite element model图 5混凝土单轴压缩应力-应变曲线Fig 5Stress-strain curve of concrete under uniaxialcompression界面本构采用 traction-separation 双线性本构模型，如图 7 所示，假设其界面厚度为零，并将界面破坏过程拟定为两个表面之间的关系，定义损伤因子的演化历程和损伤起始点，使用 Quads Damage 二次名义应力准则，当材料的应力或应变达到设定值时，对应的材料开始退化。3兰州交通大学学报第 42 卷图 6纤维本构模型Fig 6Fiber constitutive model图 7Traction-separation 本构模型Fig 7Traction-separation constitutive model本文的力学参数如表 1 2 所列。表 1混凝土力学参数Tab 1Mechanical parameters of concrete混凝土密度/(kg/m3)弹性模量/MPa泊松比膨胀角偏心率fb0/fc0K粘滞系数素 UHPC1 40043 8000 2150 11 160 6670 005NC2 20036 6000 236 310 11 160 6670 005表 2钢纤维本构模型塑性参数取值Tab 2Values of plasticity parameters of steel fiberprincipal structure model密度/(kg/m3)泊松比应力/MPa塑性应变7 8000 333505450 11 4细观参数模型的验证本文参考杨俊等14 研究的 UHPC-NC 键槽界面抗剪性能试验，建立 UHPC-NC 三维细观剪切模型，将模拟所得荷载-滑移曲线与杨俊等的 UHPC-NC 键槽界面抗剪性能试验结果进行对比分析，如图 8 所示。曲线上升段，二者基本重合;曲线下降段，模拟段较试验段下降平缓。因为混凝土内部在形成之初便具有随机分布的微孔洞、微裂缝等初始缺陷，而有限元模拟中材料是匀质性的，且在加载时 UHPC-NC界面具有一定的粗糙度，无法保证在界面处绝对垂直加载，导致微小偏心，故模拟所得荷载-滑移曲线下降段较 UHPC-NC 键槽界面抗剪性能试验曲线平缓。已知试验测得 UHPC-NC 界面名义抗剪强度为3 98 MPa，数值计算得到 UHPC-NC 界面名义抗剪强度为 3 85 MPa，其误差率为 3 3%，误差较小，说明模拟结果与 UHPC-NC 键槽界面抗剪性能试验结果比较吻合。验证了本文采用细观随机钢纤维投放建立 UHPC-NC 三维剪切模型方法的正确性和参数选取的合理性。图 8模拟荷载-滑移曲线与试验结果对比Fig 8Comparison of simulated load-slip relationshipwith the test results2UHPC-NC 界面剪切破坏特征2 1钢纤维体积掺量对试件破坏的影响在有限元模型输出结果中，刚度退化变量SDEG 可以用来判断界面的初始损伤和失效。当SEDG 值等于0 时，UHPC-NC 界面判定完好无损;当SDEG 值等于 1 时，UHPC-NC 界面判定失效。所以SDEG 输出值越接近 1，则 UHPC-NC 界面损伤程度4第 3 期林梦凯等:钢纤维超高性能混凝土-普通混凝土界面力学特性细观模拟越高，不同钢纤维体积掺量的 UHPC-NC 剪切模拟试件 SEDG 值如图 9 所示。图 9UHPC-NC 剪切刚度退化变量值Fig 9UHPC-NC shear stiffness degradation variable values2 2钢纤维体积掺量对荷载-滑移曲线的影响基于钢纤维随机投放进行三维剪切模拟试验得到的 UHPC-NC 荷载-滑移曲线和剪切荷载变化趋势如图 10 11 所示。图 10UHPC-NC 荷载-滑移曲线Fig 10UHPC-NC Load slip curve由图10、图11 可知，钢纤维可以提高 UHPC-NC试件剪切承载力，且随着钢纤维体积掺量的增加，剪切承载力呈现先增大后减少的趋势。钢纤维体积掺量从 0%增加到 1%时，UHPC-NC 试件剪切承载力比未掺钢纤维提高了 41 45%43 00%;而当钢纤维体积掺量从 1%增加到 2%时，UHPC-NC 试件剪切承载力逐渐降低，这是因为随着剪切荷载的施加，当键槽处出现第一条微裂纹时，在裂纹周围的钢纤维便发挥“桥接作用”，由于钢纤维与超高性能混凝土基体界面黏结应力大于超高性能混凝土基体的开裂强度，从而产生应力重分布，裂纹处的钢纤维开始承担拉应力并抑制微裂纹的衍生。随着剪切荷载的施加，混凝土基体其它位置也产生多元微裂纹，多元微裂纹不断衍生，钢纤维的“桥接作用”不断增强，在 UHPC-NC 直剪试件达到临界荷载前，钢纤维所受的拉应力不断增大，此过程称为应变硬化15。所以钢纤维能够明显改善了水泥基材料的脆性，使得结构呈延性破坏。图 11UHPC-NC 剪切荷载变化Fig 11Shear load variation of UHPC-NC2 3UHPC-NC 界面剪切破坏机理分析结合 UHPC-NC 界面剪切数值模拟得到荷载-滑移曲线和不同加载时况下的 UHPC-NC 剪切损伤如图 12 所示，将 UHPC-NC 界面剪切数值模拟所得荷载-曲线划分为弹性阶段、塑性阶段、下降阶段和破坏阶段四部分，如图 13 所示。图 12UHPC-NC 剪切损伤图Fig 12UHPC-NC shear damage diagram弹性阶段:在加载初期，UHPC-NC 界面滑移值较小，此时钢纤维的应变几乎为零，所以 UHPC-NC 界面的抗剪承载力主要是由界面混凝土的粘结力承担，因 UHPC-NC 界面具有一定的粗糙度，此时UHPC-NC 界面抗剪承载力由界面粘结力与骨料切5兰州交通大学学报第 42 卷力组成。塑性阶段:当剪切荷载达到 UHPC-NC 结合面开裂荷载(点 1)时，界面粘结力失效并停止力的传递，UHPC-NC 界面处的钢纤维和超高性能混凝土键槽随着剪切荷载的逐渐增加开始承担剪切力，此时 UHPC-NC 荷载-滑移曲线转变为非线性上升，即塑性阶段主要由 UHPC-NC 界面处的钢纤维和超高性能混凝土键槽咬合力承担，同时钢纤维的桥接作用力逐渐增加。下降阶段:当剪切荷载达到峰值荷载(点 2)时，UHPC-NC 试件的滑移为峰值滑移，超高性能混混凝土基体中的裂纹不断衍生，使得 UHPC-NC 直剪试件有效抗剪截面逐渐减小，荷载-滑移曲线呈现出下降趋势。破坏阶段:当剪切荷载达到残余荷载(点 3)后，UHPC-NC 试件键槽抗剪力失效，此时 UHPC-NC试件抗剪承载力全部由混凝土基体内部的钢纤维承担，随着键槽附近裂缝的衍生，UHPC-NC 界面滑移不断增大，超高性能混凝土键槽处的钢纤维被拔出甚至剪断，UHPC-NC 直剪试件因抗剪承载力不足而发生剪切破坏，整个过程表现为延性破坏。图 13荷载-滑移曲线Fig 13Load-slip curve3结论本文采用细观数值模拟方法，基于复合材料理论，将超高性能混凝土定义为由钢纤维与砂浆基质组成的两相非均质复合材料，建立 UHPC-NC 三维细观剪切模型，研究了不同钢纤维体积掺量的 UHPC-NC直剪破坏。主要研究成果及结论如下:1)基于 ABAQUS 二次开发建立的 UHPC-NC三维细观剪切模型能够实现钢纤维的随机分布，且模拟试验得到的极限承载力与荷载-滑移曲线与UHPC-NC 键槽界面抗剪性能试验吻合度较高，故能够充分考虑超高性能混凝土细观非均质性对其宏观力学的影响。2)通过数值计算得到了不同钢纤维体积掺量的荷载-滑移曲线，发现钢纤维能提高界面抗剪承载力，且随着钢纤维体积掺量的增加，剪切承载力呈现出先增大后减少的趋势，最优掺量在 1%左右。3)随着荷载的增加，破坏最先发生在界面处，且会一直延伸到键槽，最终因键槽处钢纤维的桥接作用失效导致试件被破坏。参考文献:1 吴应雄，郑新颜，黄伟，等 超高性能混凝土-既有混凝土界面粘结性能研究综述 J 材料导报，2023(16):1-29 2 任亮，方蕈，王凯，等 超高性能混凝土与水泥基材料界面粘结性研究进展 J 硅酸盐通报，2019，38(7):2087-2094 3 BAHAUDDIN N K，NAZI F M，BAKA B H A，et alPotential use of ultra high-performance fibre-reinforcedconcrete as a repair material for fire-damaged concrete interms of bond strengthJ International Journal of Inte-grated Engineering，2020，12(9):87-95 4 雒敏，蔺鹏臻，杨子江 超高性能混凝土增强普通混凝土复合梁受弯承载力J 中国铁道科学，2021，42(5):21-29 5 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Optimizingtrain timetable based on departure time preference ofpassengers for high-speed rails J Journal of AdvancedTransportation，2021，2021(1):1-20(责任编辑:马延麟)(上接第 6 页)10 闫泽宇 节段预制拼装 UHPC 胶接缝抗剪性能试验及有限元分析 J 公路工程，2019，44(6):228-233 11 GOPAL B A，HEJAZI F，HAFEZOLGHOANI M，et alNumerical analysis and experimental testing of ultra-highperformance fibre reinforced concrete keyed dry and ep-oxy joints in precast segmental bridge girders J Inter-national Journal of Advanced Structural Engineering，2019，11(4):463-472 12 王晓飞，张晓虎，王阳平，等 钢纤维活性粉末混凝土数值建模方法 J 建筑结构学报，2015，36(增刊 2):340-345 13 程书怀，任志刚，余细东，等 钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究J 武汉理工大学学报，2015，37(3):69-74 14 杨俊，周建庭，张中亚，等 UHPC-NC 键槽界面抗剪性能研究 J 中国公路学报，2021，34(8):132-144 15 张哲，邵旭东，李文光，等 超高性能混凝土轴拉性能试验 J 中国公路学报，2015，28(8):50-58(责任编辑:马延麟)13