钢纤维混凝土3D打印短柱力学性能有限元分析

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作为一个新兴技术混凝土3D打印建造技术本身拥有更高的灵活度和机械化程度,并且更是绿色环保型技术。但是目前针对混凝土3D打印出的结构其力学性能的研究仍有欠缺。基于此背景本文研究如下:(1)对于3D打印这类层层堆叠的结构在ABAQUS模拟中采用在层与层之间插入cohesive粘结单元的方式模拟3D打印的粘结层状态。通过对打印试块三个轴向进行加载并且分为4种不同折减的工况展开模拟,得到近似的层间折减率,确定cohesive粘结单元的参数。在模拟中得出打印体结构的各向异性系数随层间折减率的增大而增大。打印结构X轴方向即顺着打印方向的抗压强度最大。层间折减率改变对Y轴与Z轴加载影响较为明显,而对X轴加载影响较小。(2)建立打印层厚度为20mm、40mm、50mm的钢纤维混凝土3D打印短柱还有一个对比用的普通C30浇筑钢筋混凝土模型。对试件施加轴向荷载后分析得到20mm的单层打印厚度裂缝扩展的速度较快最后会形成较大的贯通裂缝,但是打印单层厚度40mm和50mm的壳体会出现更多的裂缝条数。通过分析荷载—位移曲线还有延性指数(DI)计算得到结论,3D打印的结构短柱强度和延性都低于浇筑的结构短柱。轴压状态下钢纤维混凝土3D打印短柱的延性随着打印层厚度的降低有所下降,而结构的抗压强度随着打印层厚度的降低而有所提高。在改变打印层宽度的情况下呈现钢纤维混凝土3D打印短柱峰值荷载随打印层宽度增加逐渐减小的现象。(3)对四种短柱进行往复荷载的滞回模拟,得到打印层厚度为20mm的钢纤维混凝土3D打印短柱的滞回曲线类似于对比浇筑混凝土短柱都是饱满的梭形,但是在前3轮加载循环内出现最高点后,强度有较为明显的下降。随着打印层厚度的增加,钢纤维混凝土3D打印短柱滞回曲线逐渐由梭形转向弓形且所围面积在不断变小,结构耗能能力有所下降。所有的钢纤维混凝土3D打印短柱都有在达到最大峰值荷载后之后的一个峰值荷载会陡然下降,随后下降趋势放缓的情况。随着打印层厚度的增大,钢纤维混凝土3D打印短柱在往复荷载下将表现出更高的最大峰值荷载和更小的延性。在能耗方面打印层厚度较小的20mm钢纤维混凝土3D打印短柱的耗能能力明显大于40mm和50mm的钢纤维混凝土3D打印短柱。强度退化方面打印层厚度较小的20mm钢纤维混凝土3D打印短柱会先于另外两个打印层厚度的钢纤维混凝土3D打印短柱产生强度的退化,但是退化的幅度远小于两者。并且三根钢纤维混凝土3D打印短柱在产生一次强度退化后在之后的往复加载中能保持一定的承载力强度退化趋于平缓。刚度退化方面打印层厚度较小的20mm钢纤维混凝土拥有着远大于其余两者的初始刚度,但是之后刚度退化明显在10mm位移后三者的刚度区别不大。改变打印层宽度对结构滞回影响不大,滞回曲线包络面积随打印层宽度的增加而略有下降,打印层宽度越小曲线越饱满。当打印层宽度增大最大峰值荷载会有略微提升,但是之后下降速度也越大。
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