纤维对混凝土抗裂性能影响的有限元分析.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RET E AND C EMENT P RODUC 2 01 3 No 1 J a n u a r y 纤维对混凝土抗裂性能影响的有限元分析 俞家欢 ， 刘振民 ， 刘 明 ， 李春雨 ( 1 沈阳建筑大学土木工程学院 ， 1 1 0 1 6 8 ； 2 沈阳市市政工程养护管理处 ， 1 1 0 0 0 5 ) 摘 要 ： 以钢纤维在受力方向均匀分布的纤维混凝土板 为模型 ， 对不同载荷、 不同纤维长径比的几个算例进行 了 A NS YS有限元分析。各个情况下纤维和基 体应 力和应变情况的对 比研 究表 明， 裂纹的开裂扩展 由基体 的材料性 能决定 纤维混凝 土与基体材料具有相 同的弹性 阶段 ， 纤维的作 用在基 体开裂后才能得到充分发挥 。此外 ， 纤维在 混凝 土硬 化过程 中的主要效应 为降低塑性 裂纹和 内部微 裂纹的数量和尺度 ， 提 高混凝土材料 介质的连续性 ， 并最 终 改善 混 凝 土 的综 合 性 能 。 关键 词 ： 纤维； 混凝 土； 有限元 ； 应 力应 变； 相互作用 Ab s t r a c t ： T h e ANS YS fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f s e v e r a l e x a mp l e s wi t h t I l e d i f f e r e n t l o a d s ， d i fi e r e n t fi b e r a s p e c t r a t i o i s e a r r i e d o u t ， t h r o u g h t h e e v e n l y d i s t ri b u t e d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b s w i t h s t e e l fi b e r i n the d i r e c t i o n o f t h e f o r c e a s t h e mo d e 1 Co mp a r e d wi t h t h e s t r e s s a n d s t r a i n o f f i b e r a n d c o n c r e t e i n e a c h c a s e ， t h e r e s u h s s h o w tha t c r a c k e x t e n s i o n o f t h e c r a c k i s d e t e r mi n e d b y t h e ma t e ria l p r o p e r t i e s o f t h e ma t rix ， fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d t h e b a s e ma t e ria l h a v e t h e s a me e l a s t i c s t a g e ， t h e r o l e o f the f i b e r c a n g i v e a f u l l p l a y a f t e r c r a c k i n g o f t h e b a s e b e d y I n a d d i t i o n ， t h e ma i n e f f e c t o f t h e fi b e r i n t h e c o n c r e t e h a r d e n i n g p roc e s s i s t o r e d u c e t h e n u mb e r a n d s c a l e o f p l a s t i c c r a c k s a n d mi c r o c r a c k s 。 i mp r o v e t h e c o n t i n u i t y o f t h e c o n c r e t e ma t e ria l me d i u m， a n d u h i ma t e l y i mp r o v e t h e o v e r a l l p e r f o rm a n c e o f t h e c o n c r e t e Ke y w o r d s ： F i b e r ； C o n c r e t e ； F i n i t e E l e me n t ； S t r e s s a n d S t r a i n ； I n t e r a c t i o n 中图分类号 ： T M3 4 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 4 6 0 4 0前 言 现代材料科学 的核心工作是研究材 料的结 构 与性能之间的关系。材料 的内部结构决定了材料的 性质 ， 适当改善材料 的组成结构可以对材料起到改 性作用 。混凝土是 由胶凝材料和其中的粗 、 细骨料 所组成 的复合材料 ， 具有高度的不均匀性和复杂的 结构 。在混凝土拌和过程 中沿粗骨料周围形成一层 水膜 ， 从而使贴近粗骨料表面的水灰 比大于远离骨 料表面本体相的水灰 比， 所 以 ， 该处形成 的结晶产 物的晶体也较大。这使得界面过度区内的孔隙比水 泥浆体和砂浆中的孑 L 隙多 。研究表 明， 过渡区是混 凝土 中最薄弱的环节 ， 混凝土的缺陷和许多有关混 凝土 的特殊性能 ，大都是 由水泥石一 骨料界面过渡 区的特性所引起的。 在混凝土硬化过程 中， 由于水泥水化反应 的剧 烈进行 ， 混凝土中所含水分 的蒸发 ， 导致混凝土发 生收缩。尤其是在阳光强烈照射或遭遇大风时， 表 面水 分蒸 发加剧 ， 因而产生表层收缩 ， 但受到 内层 砂浆或混凝土的限制而使表层混凝土受拉。而此时 混凝 土还处于塑性状态 ，尚未具有足够 的强度 ， 故 在表层极易产生大量不规则的无 固定取 向的裂纹 ， 基金项 目： 国家科技支撑计 划项 目( 2 0 1 2 B A J 1 6 B 0 5 ) 。 4 6 影响混凝土的耐久性 ， 成为导致混凝土结构破坏 的 严重 后患 。 在均匀分散 的情况下 ， 纤维在混凝土 中呈现三 维网络结构 ， 起到支撑集料的作用 ， 阻止因粗 、 细骨 料沉降而产生的离析 ， 可使混凝土材料分布更加均 匀 ， 减小 表层失水产生 的收缩 ， 减少 甚至完全 阻止 混凝土表层裂纹的产生。同时 ， 均匀乱 向分散的纤 维可承受混凝土硬化阶段收缩产生的拉应力 ， 减少 纤维混凝土的收缩 ， 从而降低裂纹尺度和数量 。 本文 以基体 中短纤维沿受力方 向均匀分布 的 复合材料为对象2 1 ， 研究纤维对混凝土抗裂性能的 影 响 。 1 基体应力场计算模型 外载荷直接作用在基体上 ， 界面剪力把基体所 受的力部分传到纤维 ，通过长度 t 的界面传递使纤 维与基体达到共 同变形 ， 如图 1 ( a ) 所示 。纤维受力 如图 1 ( b ) 所示 ， 基体受力如图 1 ( C ) 所示。此传递长 度 t 称为载荷传递长度。用图 2所示 的简化模型来 计算纤维对基体应力场的影响。t 为载荷传递长度 ， 界面剪应力为 丁 ， 2 为纤维间距。 2 纤维与基体的相互作用 2 1 材料属性 俞家欢 ， 刘振 民， 刘 明 ， 等 纤维对混凝土抗裂性能影响的有限元分析 罨 毯 器 虫 害 鲁 器 驾 旨 定义路径上的距离 m m 图 l 0 钢纤维长度 为 5 ra m 时 不 同荷载作用下基体应力 的比较 0 5 0 l O 0 1 5 O 2 o 0 定义路径上 的距离 ram 图 1 2钢 纤 维 长度 为 l O mm 时 不 同荷载作用 下基体应力 的比较 3结论 ( 1 ) 由于纤维端部脱粘和端部最大界面剪力 的 作用 ， 使纤维端部基体应力场变化很大且存在应力 集 中形象 。所以 ， 纤维端部基体是纤维混凝土 中的 薄弱环节 ， 裂纹会在此 出现 ， 裂 纹的开裂扩展 由基 体的材料性能决定 。纤维混凝土与基体材料具有相 同的弹性阶段 ， 纤维 的作用在基体开裂后才能得到 充分 发挥 。 ( 2 ) 纤维在混凝 土硬化过程中的主要效应为降 低塑性裂纹和内部微裂纹 的数量和尺度 ， 提高混凝 土材料介质的连续性 ， 并最终改善混凝 土的综合性 能 。由于纤维的不连续分布 ， 对混凝土基体弹性 阶 段 的影响很小 ，裂纹扩展仍 由混凝土性能决定 ， 所 以， 宏观表现为纤维混凝土与基体有相同的弹性 阶 段。纤维的加入既产生和引发裂纹又能阻挡裂纹的 扩 展 。 参考文献 ： 【 1 】 高丹盈 程红强 纤维混凝土与既有混凝土黏结性能研究 【 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 8 【 2 】 李艺， 赵文 混杂纤维混凝土阻裂增韧及耐久性能 M 北 京 ： 科学 出版社， 2 0 1 2 罨 器 曾 岂 旨 宝 器 驾 塞 g 定义路径上 的距 离 mm 图 1 1 钢纤维长度为 5 mm时 不 同荷载作用 下纤 维应 力的 比较 O 5 0 1 00 1 5 O 2 O 0 定义路径上的距离 ram 图 1 3钢纤维长度为 1 0 ra m时 不 同荷 载作 用下纤维应力的 比较 3 张廷毅 ， 高丹盈 纤 维高强混凝 土断裂 性能研 究【 M】 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 0 4 冯鹏， 陆新征， 叶列 平 纤维增 强复 合材料建设工 程应 用技 术一试验 、 理论与方法 M】 北京： 中国建筑 工业 出版社， 2 0 1 1 5 张红州 纤维混凝 土界面性能及纤 维作用机理研究 D 广 州 ： 广东工业大学， 2 0 0 4 6 秦 宇设计工程 师丛 书 AN S Y S 1 1 0基础 与实 例教程【 M】 北京： 化学工业 出版 社， 2 0 0 9 7 夏 建芳， 叶南海 有 限元 法原 理与 A N S Y S应 用 M 北 京： 国防工业 出版社， 2 0 1 1 8 包 陈， 王呼佳 A N S Y S工程 分析进 阶实 例 M 北京 ： 水 利水 电出版社， 2 0 0 9 9 】张朝 晖 A N S Y S 1 2 0结构 分析 工程应 用实例 解析 【 M】 北 京： 机 械工业出版社， 2 0 1 0 【 1 0 】 涂振飞 A N S Y S有 限元分析工程应 用实例教程 M】 北京 ： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 0 【 l 1 刘 伟 A N S Y S 1 2 0宝典 M 北京： 电子工业 出版社， 2 0 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 8 作者简介： 俞家欢( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 博士、 教授。 通讯地址 ： 沈 阳市浑南新 区浑南东路 9号 联 系电话 ： 1 3 6 0 4 0 3 8 6 6 0 E- ma i l ： y r u d y v i p s i n a c o m 49 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 8 5 4 4 4 4 4 3 3