郭金龍 熊銳

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

0 引言

陶粒混凝土是以頁(yè)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(guān)注。配合比設(shè)計(jì)合理的陶粒混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合在混凝土結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，但陶?；炷烈泊嬖诖嘈暂^大的問(wèn)題，這在一定程度上影響了其在工程中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了改善其力學(xué)性能，部分研究學(xué)者嘗試在陶?；炷涟韬衔镏幸脘摾w維，得到了鋼纖維陶?；炷?。權(quán)長(zhǎng)青等[1]就在陶?；炷林幸脘摾w維后發(fā)現(xiàn)，靜力受壓作用下試件的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提高、增韌明顯增強(qiáng)。孟文華和許家文[2]基于鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)和部分約束收縮環(huán)試驗(yàn)，提出了開(kāi)裂系數(shù)及開(kāi)裂評(píng)價(jià)指標(biāo)概念，給出鋼纖維陶?；炷量沽研阅茉u(píng)價(jià)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(guó)等[3]分析了鋼纖維體積率與鋼纖維陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增幅之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維體積率的提高，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增幅較大。李建鏘[4]對(duì)8根鋼纖維高強(qiáng)陶粒混凝土梁和1根陶?；炷亮杭?根普通混凝土梁進(jìn)行了受扭試驗(yàn)，探討鋼纖維對(duì)于防止扭轉(zhuǎn)荷載下裂縫發(fā)展的效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)鋼纖維能提高陶粒混凝土的抗扭轉(zhuǎn)開(kāi)裂性能。根據(jù)上述已開(kāi)展的靜力作用下鋼纖維陶?；炷恋牧W(xué)性能研究，可見(jiàn)鋼纖維能有效改善陶?；炷链嘈暂^大的缺點(diǎn)。但是對(duì)于動(dòng)力作用下鋼纖維陶粒混凝土的力學(xué)性能研究，除楊明宇和謝衛(wèi)紅[5]進(jìn)行了分離式霍普金斯壓桿（SHBP）試驗(yàn)以外，有關(guān)文獻(xiàn)較少，特別是對(duì)于鋼纖維陶粒混凝土在數(shù)值模型中的應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域有待更多的研究。因此，本文在已有文獻(xiàn)[5]的研究基礎(chǔ)上，利用HJC本構(gòu)模型模擬混凝土材料，對(duì)鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同應(yīng)變率下其動(dòng)力抗壓強(qiáng)度。

1 HJC本構(gòu)模型

HJC模型是一種應(yīng)變率相關(guān)的混凝土材料本構(gòu)模型，可以用于分析計(jì)算混凝土在動(dòng)力作用下的力學(xué)性能。其抗壓強(qiáng)度可根據(jù)下式確定

式子中fc為混凝土靜力單軸抗壓強(qiáng)度，為混凝土實(shí)際應(yīng)力，P為混凝土實(shí)際受的靜水壓強(qiáng)，為混凝土實(shí)際應(yīng)變率，為基準(zhǔn)應(yīng)變率。

2 鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗(yàn)

文獻(xiàn)[5]中，混凝土原材料中的陶粒采用碎石型頁(yè)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(zhǎng)度為38～42mm、長(zhǎng)徑比為36～45、抗拉強(qiáng)度750MPa的波紋形鋼纖維，采用桿截面直徑為74mm的SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)體積摻量為1.0%的鋼纖維陶?；炷吝M(jìn)行了SHPB試驗(yàn)，其中SHPB試驗(yàn)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(gè)應(yīng)變片，用于接收應(yīng)力波信號(hào)。作為對(duì)照，文獻(xiàn)[5]中還對(duì)同尺寸的無(wú)加筋陶粒混凝土試塊進(jìn)行了SHPB試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 SHPB試驗(yàn)結(jié)果

3 數(shù)值模擬

采用有限元LS-DYNA對(duì)鋼纖維陶粒混凝土SHPB試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元模型如圖1所示，其中采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬混凝土試塊及SHPB試驗(yàn)裝置，試塊單元尺寸約為25mm；由于整體模型相對(duì)中心軸線對(duì)稱，故建立1/4模型，并約束對(duì)稱面上的節(jié)點(diǎn)的橫向位移；采用自動(dòng)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(guān)系，接觸剛度系數(shù)取1.0。并將入射桿和透射桿上粘貼應(yīng)變片位置所對(duì)應(yīng)的桿表面單元設(shè)置為輸出其軸向應(yīng)力，用于提取數(shù)值模擬波形結(jié)果時(shí)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(qiáng)度相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 HJC模型強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)

數(shù)值模擬分析得到試塊的軸向應(yīng)力分布如圖2所示，可見(jiàn)數(shù)值模型加載下試塊軸向應(yīng)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(shí)程曲線如圖3所示，入射桿中測(cè)得的入射波及反射波的波形，透射桿中測(cè)得透射波的波形。

數(shù)值模擬所得的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度如圖4所示，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)HJC本構(gòu)模型的數(shù)值模擬結(jié)果具有較高精度，特別是對(duì)于鋼纖維陶?；炷?，HJC本構(gòu)模型可以用于分析鋼纖維陶?；炷恋膭?dòng)力抗壓強(qiáng)度。鋼纖維的摻入能在一定程度上提高陶粒混凝土的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度。而不同應(yīng)變率下，鋼纖維陶?；炷恋膭?dòng)力抗壓強(qiáng)度有所不同，隨著應(yīng)變率的增大，其動(dòng)力抗壓強(qiáng)度逐漸增大，鋼纖維陶?；炷量箟簭?qiáng)度表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

圖1 SHPB有限元模型

圖2 試塊軸向應(yīng)力分布

圖3 典型波形時(shí)程曲線

圖4 動(dòng)力抗壓強(qiáng)度應(yīng)變率

4 結(jié)論

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

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

（2）鋼纖維的摻入能在一定程度上提高陶?；炷恋膭?dòng)力抗壓強(qiáng)度。

（3）不同應(yīng)變率下，鋼纖維陶?；炷恋膭?dòng)力抗壓強(qiáng)度有所不同，隨應(yīng)變率的增大，其動(dòng)力抗壓強(qiáng)度逐漸增大。