埋深、间距及加载速率对钢纤维混凝土双丝拉拔三维动态性能的影响

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钢纤维混凝土(SFRC)是一种由水泥浆体、集料和钢纤维组成的新型多相复合材料,其力学性能优越,已广泛应用于路面桥面、地下隧道、港口码头等实际工程中。研究表明,混凝土基体与钢纤维之间的界面层是钢纤维混凝土的薄弱环节,其性能对钢纤维混凝土的力学性能影响很大。纤维拉拔试验是研究纤维混凝土界面特性的一种简单而高效的实验方法,但目前大多数的研究仅限于静载作用下。实际上,钢纤维混凝土结构还承受着诸如地震、爆炸、高速撞击等动荷载的作用。与静载作用相比,动态加载历时短、难以捕捉到界面层损伤破裂的全过程,目前相关研究成果并不多见。本文针对钢纤维混凝土的动态损伤破裂问题,采用动力学有限元软件RFPA3D-Dynamics,建立了基于界面控制的钢纤维混凝土双丝拉拔三维数值模型。在数值模型中引入了Weibull分布函数,对混凝土基体、钢纤维及界面三相材料的物理力学性质进行细观随机赋值,以体现各相材料的细观非均匀性分布特征。通过对双丝拉拔破坏全过程的模拟,研究了纤维埋深、纤维间距和动荷载加载速率的变化对双丝拉拔试件动态力学性能的影响,剖析了基于界面控制的钢纤维混凝土材料的动态破裂机制。本文的主要研究内容如下:(1)以纤维埋深为变量,引入应力波加载作为动荷载输入方式,建立基于界面控制的双丝拉拔三维数值分析模型,研究了纤维埋深的变化对双丝拉拔试件动态性能的影响。研究结果表明,纤维埋深越大,双丝间基体的应力集中现象越明显,双丝的耦合效应越强。双丝埋深的变化对界面剪应力的分布及传递影响较大,双丝界面的脱粘速率呈现明显差别,外侧界面单元的剪应力值大于内侧。随着埋深的增加,双丝界面剪应力峰值在减小,但埋深增至25mm时,减小趋势逐渐不明显。本研究中双丝拉拔模型的理想埋置深度区间为30mm~35mm,此时钢纤维在混凝土基体中发挥最有效的增强增韧作用。在动荷载作用下,双丝拉拔试件的第一个声发射能量峰值点出现在声发射计数曲线的峰值点之后,表现出“相对滞后”的效应。(2)以纤维间距为变量,研究了纤维间距的变化对双丝拉拔试件动态性能的影响。研究结果表明,短间距的双丝拉拔试件表现为双丝共同拔出破坏模式,长间距的双丝拉拔试件表现为双丝各自被拔出破坏模式。双丝间距较小时,双丝间基体的应力集中现象明显。当纤维间距小于界面层厚度的4倍时,双丝间耦合效应明显;当纤维间距大于界面层厚度的8倍时,纤维间耦合效应可忽略不计。随着间距的增加,双丝拉拔试件的声发射总能量呈现先减小后增加的变化趋势。本文研究的双丝拉拔模型存在一个最优的纤维间距10mm,此时试件整体损伤程度最低,钢纤维在混凝土基体中能够最有效地发挥增强增韧作用。(3)以动荷载的加载速率为变量,研究了不同加载速率下双丝拉拔试件的动态破裂性能。研究结果表明,双丝拉拔试件的动态破坏模式对于加载速率具有敏感性。加载速率越大,混凝土双丝拉拔试件对应力波的响应时间越短,界面裂纹扩展速率越快,试件界面剪应力的传递更迅速,双丝内外侧界面剪应力峰值的差异越小。当加载速率越大时,累积声发射数越多,声发射总能量越大,双丝拉拔试件的损伤破坏程度越严重。
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