基于塑性损伤模型的钢纤维水泥基材料界面力学行为分析

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水泥基体与钢纤维之间的界面过渡区的粘结性能,是研究钢纤维混凝土力学行为的一个重要内容。水泥基体与钢纤维之间的界面过渡区的粘结性能的一个重要研究方法是单根钢纤维的拔出试验,但试验存在着不能揭示界面间应力应变行为等的局限性。本文基于ABAQUS的混凝土塑性损伤模型(CDP模型)与内聚力模型(Cohsieve模型),采用二维与三维结合的有限元分析方法,对钢纤维拔出的过程及机理进行分析,探求钢纤维混凝土材料界面过渡区力学行为的规律。主要研究内容及结论如下:(1)对钢纤维拔出试验,采用轴对称二维有限元方法进行分析。水泥基体的非线性采用CDP模型模拟,界面过渡区采用Cohsieve行为模拟,分别研究钢纤维嵌入长度、界面间摩擦系数、钢纤维端粘结性、钢纤维模量、材料间接触属性、钢纤维与混凝土弹塑性、界面过渡区弹性模量、基体强度与侧向荷载等因素对钢纤维水泥基材料界面力学行为的影响。结果表明:轴对称二维模型结合CDP模型与Cohsieve行为分析,可高效模拟得到纤维的荷载-位移曲线及界面间应力应变行为。但轴对称二维模型存在着,峰值荷载与滑动阶段以外的阶段模拟效果较差的问题。(2)建立1/4三维实体模型,在CDP模型模拟水泥基体,在Cohsieve单元中考虑COH3D8单元下降以解决部分、完全脱粘阶段的模拟效果差的问题,进一步探究钢纤维埋入长度、摩擦系数、粘结系数的取值、钢纤维弹性模量、接触属性、材料弹塑性、界面弹性模量、基体强度等级、侧向荷载等因素,对钢纤维水泥基材料界面力学行为的影响。结果表明:显示动力分析能模拟在钢纤维在拔出中腔体内碎屑的影响,3D条件下能更好地反映钢纤维水泥基材料界面力学行为,不足的是3D模型计算代价较大。(3)采用CDP模型与Cohsieve模型结合分析的方法,能对混凝土与界面过渡区参数的取值与研究界面间的粘结性能进行验证。通过分析得到,在数值模拟中钢纤维拔出的完全粘结、部分脱粘、完全脱粘与滑动四个阶段中,摩擦作用的贡献最大并在全阶段参与,物理与化学粘结作用仅在最后的滑动阶段不参与贡献,机械咬合作用仅在完全粘结阶段参与贡献。界面间的粘结性能受纤维嵌入长度、摩擦系数、基体强度、侧向荷载等因素的影响较大;界面弹性模量、端部粘结性等因素的影响较小。总的来说,CDP模型与Cohsieve模型能较好模拟钢纤维水泥基材料界面力学行为,能解决试验中不能得到的界面间应力应变行为的局限性。2D分析更适用于界面擦参数的研究,3D分析更适用于研究界面间力学行为。上述的研究方法及得到的钢纤维水泥基材料界面力学行为,可为相关研究提供参考。
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