隨著高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)需求量日漸增加，對混凝土性能要求進(jìn)一步提高，**混凝土界提出關(guān)于鋼纖維增強混凝土概念，也就是將鋼纖維添加在水泥混凝土中，從而可將混凝土的承載力提高，鋼纖維對混凝土強度提高作用顯著，在工程中，鋼纖維增強混凝土應(yīng)用廣泛。

在水泥基復(fù)合材料中，若加入高彈性模量的鋼纖維，可對硬化材料開裂后的裂紋延伸加以抑制，從而使硬化材料開裂后，其還可維持**的抗拉能力，由于阻裂作用可將硬化材料的變形能力提高，在基體材料被損傷時，相應(yīng)的擴展性也可維持，因此，鋼纖維的阻裂作用與界面黏附能力、纖維彈性模量、本身抗拉能力等密切相關(guān)。

鋼筋混凝土是在構(gòu)筑物中植入**量鋼筋，主要是使鋼筋構(gòu)件抗拉伸能力提高，以便增加鋼筋抗彎強度、承載能力、抗折能力。

有限元模型建立

1.1材料性能

本研究試件屬于三點彎曲構(gòu)件，混凝土泊松比為0.16，密度為2395kg/m3，彈性模量為27.9GPa，試件尺寸為355mm×105mm×105mm；其中鋼筋抗拉強度為3005MPa，彈模為202GPa，鋼纖維直徑大小為0.42mm，將鋼纖維絞織為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并植于混凝土底部，混凝土梁具有較大自重以及混凝土間摩擦系數(shù)，根據(jù)實際工程，在計算模擬數(shù)值時需要對構(gòu)件進(jìn)行鉸支座約束。

1.2有限元模擬計算

ANSYS軟件屬于一種顯式非線性動力學(xué)分析有限元軟件，通過數(shù)值運算可進(jìn)行各種模壓、高速碰撞、爆炸等大變形動力學(xué)問題的計算，經(jīng)過幾十年發(fā)展、擴充，ANSYS軟件功能廣泛應(yīng)用于航天、汽車、電子等領(lǐng)域。

使用ANSYS軟件求解步驟包括：首先進(jìn)行前置處理，包括選項設(shè)置、單元類型選擇、實常數(shù)和材料屬性定義、定義接觸面、建立實體模型、有限元網(wǎng)格劃分等；其次是進(jìn)行加載求解，包括對材料進(jìn)行施加約束，進(jìn)行載荷及邊界條件的設(shè)置，對求解中的步長控制、求解時間等相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；**進(jìn)行結(jié)果后處理，主要對運行結(jié)果進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力、時間、位移等后處理分析。

ABAQUS軟件功能強大，適合工程模擬，其解決問題范圍從簡單線性分析到復(fù)雜非線性問題，可對鋼筋混凝土等典型工程材料性能進(jìn)行模擬，本研究是對鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土進(jìn)行模擬，在建立模型時，混凝土模型建立使用3D實體模型，實體采用Extrusion進(jìn)行構(gòu)建，在劃分網(wǎng)格時，應(yīng)力單元采用3Dstress；鋼筋、鋼纖維采用3Dstress應(yīng)力單元，網(wǎng)格劃分時使用實體單元，網(wǎng)格尺寸為10mm。

在ABAQUS中，可采用實體單元進(jìn)行模擬，采用靜態(tài)一般線性分析，即general、static來定義step1，本研究采用有限元方法計算分析三點彎鋼筋混凝土、素混凝土、鋼纖維混凝土受彎結(jié)構(gòu)，建立鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土試件A、鋼纖維混凝土試件B、鋼纖維混凝土試件C四個模型，表1為模型材料參數(shù)。

有限元主要針對處于彈性階段未開裂混凝土進(jìn)行仿真計算，拉應(yīng)力是可以破壞混凝土構(gòu)件的主要應(yīng)力，混凝土抗拉強度為抗壓強度的1/20~1/8，本研究混凝土試件極限承載能力約為10.5~16.5kN，在有限元計算中，對試件施加力控制為10.5kN內(nèi)，在10.5kN載荷作用下，對構(gòu)件各構(gòu)件節(jié)點撓度、軸向應(yīng)力進(jìn)行對比分析，圖1為構(gòu)件在10.5kN作用下軸向應(yīng)力云圖。

可看出，在載荷作用下，試件鋼筋、混凝土、鋼纖維網(wǎng)格軸向應(yīng)力分布圖中，大部分區(qū)域的軸向受力為壓應(yīng)力，構(gòu)件的底部中間區(qū)域受到拉應(yīng)力，拉應(yīng)力從兩端向中間部位逐漸變大。

鋼纖維混凝土與鋼筋混凝土受彎構(gòu)件力學(xué)性能有限元計算結(jié)果分析

在防護領(lǐng)域，高強混凝土材料應(yīng)用前景非常廣闊，彈丸對鋼纖維高強混凝土板侵徹過程屬于一個極短暫的高壓力、大應(yīng)變非線性問題，研究手段包括軟件模擬、實際試驗測試兩種，隨著有限元技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，用計算機相關(guān)軟件進(jìn)行侵徹過程的數(shù)值模擬，可獲得彈丸侵徹速度變化規(guī)律、破壞過程、侵徹阻力等。

分析侵徹問題的重要方法是軟件模擬，對于鋼纖維混凝土抗侵徹分析主要集中在建立混凝土本構(gòu)模型的、推導(dǎo)侵徹經(jīng)驗式，本研究采用ANSYS有限元軟件，進(jìn)行鋼纖維高強混凝土勒板抗侵徹過程數(shù)值模擬。

2.1構(gòu)件應(yīng)力分析

通過圖1的軸向應(yīng)力分布圖可知，混凝土大部分區(qū)域受壓，混凝土底部中間附近區(qū)域為拉應(yīng)力分布區(qū)域，本研究取試件底部混凝土中間位置在軸線方向節(jié)點、鋼纖維混凝土中鋼纖維在軸線方向節(jié)點、鋼筋混凝土中鋼筋在軸線方向節(jié)點，分析試件中間部分節(jié)點，相鄰兩節(jié)點間距離為1.1cm，選取結(jié)點為中間區(qū)域節(jié)點，方便直觀觀察試件受力情況，表2為10kN集中載荷作用下，試件各節(jié)點位置軸向應(yīng)力。

由表2知，在10.5kN集中載荷作用下，試件鋼纖維、鋼筋加入后，試件各節(jié)點位置軸向應(yīng)力得到有效降低，混凝土試件**節(jié)點軸向應(yīng)力以及底部平均節(jié)點軸向應(yīng)力在加入鋼筋和鋼纖維之后明顯降低，與素混凝土試件相比，鋼筋混凝土底部平均拉應(yīng)力降低8.34%，**拉應(yīng)力處拉應(yīng)力降低12.91%，**拉應(yīng)力、平均拉應(yīng)力得到**程度的降低。

對于配筋率為0.09%鋼纖維混凝土試件，其底部平均拉應(yīng)力降低了10.89%，混凝土試件居中段所受**拉應(yīng)力降低9.65%，**拉應(yīng)力、平均拉應(yīng)力有小幅度降低，配筋率為0.09%的鋼纖維網(wǎng)格混凝土與鋼筋混凝土在降低混凝土試件底部拉應(yīng)力方面作用效果相差無幾，試件**拉應(yīng)力降低作用比鋼筋混凝土略微低。

對于配筋率為0.18%鋼纖維混凝土試件來說，與素混凝土相比，中間位置**拉應(yīng)力處拉應(yīng)力降低9.78%，底部平均拉應(yīng)力降低12.0%，**拉應(yīng)力、平均拉應(yīng)力降低效果要比鋼筋混凝土優(yōu)，與鋼筋混凝土相比，**拉應(yīng)力降低效果提升49.74%，平均拉應(yīng)力降低效果提升49.46%。

對于配筋率為0.36%鋼纖維混凝土試件來說，相比素混凝土，混凝土試件中間位置**拉應(yīng)力處拉應(yīng)力降低12.87%，底部平均拉應(yīng)力降低了14.36%，混凝土拉應(yīng)力降低效果在鋼纖維摻量提高時隨之提高。

與鋼筋混凝土相比，平均拉應(yīng)力降低效果提升了54.32%，**拉應(yīng)力降低效果提升幅度為49.44%，在鋼材截面積相同條件下，對混凝土拉應(yīng)力的降低效果來說，鋼纖維網(wǎng)格混凝土比鋼筋混凝土拉應(yīng)力降低效果要高，鋼纖維網(wǎng)格的使用有效降低了混凝土結(jié)構(gòu)的平均拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)承載力隨鋼纖維摻量增加而提高。

2.2構(gòu)件撓度分析

從圖1試件Y軸位移云圖可知，在Y軸方向（撓度方向），構(gòu)件變形從兩端向中間表現(xiàn)出遞增趨勢，為觀察試件變形能力更直觀，本研究取試件底部混凝土中間位置在軸線方向的節(jié)點，表3為在載荷10.5kN時，混凝土底部各節(jié)點Y軸方向位移。

由表3知，在混凝土中加入鋼纖維可增強混凝土抗彎性能，從而將混凝土試件撓度有效地降低，構(gòu)件在Y軸方向上變形、不同載荷作用下不同試件撓度變化基本一致，圖2為不同載荷下混凝土結(jié)構(gòu)位移對比。

由圖2可知，鋼纖維混凝土試件撓度相較于鋼筋混凝土、素混凝土較低，在混凝土中，配制鋼筋可以有效降低應(yīng)力或彎拉變形而產(chǎn)生的撓度，鋼纖維抗撓度變形效果要優(yōu)于鋼筋，結(jié)合表3、圖2可知，與素混凝土相比，鋼筋混凝土**撓度降低12.57%，平均節(jié)點撓度降低13.53%；對于配筋率為0.09%的鋼纖維混凝土而言，平均節(jié)點撓度降低16.31%。

與鋼筋混凝土相比，對節(jié)點撓度降低性能提高17.66%；與素混凝土相比，配筋率為0.09%的鋼纖維混凝土**撓度降低17.63%，與鋼筋混凝土相比，對節(jié)點撓度的降低作用提高13.57%；對于配筋率為0.18%鋼纖維混凝土而言，平均節(jié)點撓度降低19.34%；與鋼筋混凝土相比，對節(jié)點撓度降低性能提高26.84%。

對于配筋率為0.36%鋼纖維混凝土而言，平均節(jié)點撓度降低了24.25%，與5根鋼筋混凝土相比，對節(jié)點撓度降低性能提高30.50%，因此可知，截面尺寸相同的條件下，鋼纖維增強混凝土相較于鋼筋混凝土具有更有優(yōu)良的抗變形能力，能夠有效改善混凝土構(gòu)件的局部抗拉性能。

2.3鋼筋和鋼纖維軸向應(yīng)力分析

在集中荷載作用下，試件的大部分區(qū)受力性質(zhì)為壓應(yīng)力，而底部中間位置則受拉應(yīng)力作用，試驗中受拉應(yīng)力區(qū)域的拉應(yīng)力主要由鋼筋、混凝土共同承受，在混凝土Y軸向變形、軸向應(yīng)力的情形下，解析試驗中鋼纖維、鋼筋所受軸向應(yīng)力，表4為載荷為10.5kN時鋼材各節(jié)點軸向應(yīng)力。

2.4不同角度鋼纖維網(wǎng)格增強混凝土受彎構(gòu)件應(yīng)力分析

從力學(xué)性能方面分析，如果鋼纖維縱橫向分布位置不同，其在縱橫方向的受力狀態(tài)不同，所以當(dāng)鋼纖維網(wǎng)格夾角大小發(fā)生變化時其曾慶效果會隨著角度變化而改變，基于此，本研究將鋼纖維網(wǎng)格交織夾角分別設(shè)置為35°、50°、65°、90°，取試件底部混凝土中間位置在軸線方向節(jié)點進(jìn)行分析，節(jié)點間距離為1.1cm，表5為不同鋼纖維網(wǎng)格混凝土底部節(jié)點軸向應(yīng)力。

2.5不同角度鋼纖維網(wǎng)格增強混凝土受彎構(gòu)件撓度分析

取試件底部混凝土中間位置在軸線方向節(jié)點，在10.5kN作用下，對不同節(jié)點的位移進(jìn)行分析，表6為鋼纖維網(wǎng)格混凝土底部節(jié)點Y軸向位移，由表6知，在10.5kN載荷作用下，90°鋼纖維網(wǎng)格混凝各節(jié)點在Y軸方向具有**變形；35°鋼纖維網(wǎng)格混凝各節(jié)點具有**變形；65°鋼纖維混凝土變形比50°鋼纖維網(wǎng)格混凝土微高。

結(jié)論

在載荷作用下，鋼纖維網(wǎng)格軸向應(yīng)力分布圖中，大部分區(qū)域所受軸向應(yīng)力是壓應(yīng)力，在構(gòu)件的底部中間區(qū)域集中有拉應(yīng)力，拉應(yīng)力從中間部位向兩端逐漸降低。

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