混凝土雨水箅子有限元模拟及实验分析

【摘 要】本文以某厂生产的钢纤维混凝土雨水箅子为例，采用塑性损伤模型进行有限元模拟。通过有限元软件ABAQUS计算分析，并进行实验验证。通过对比表明该方法的误差较小，能有效的模拟该试验件的多种破坏模式。本文还研究了集中加载对试验件强度的影响，给雨水箅子的设计及优化中提供一定的参考。

【关键词】混凝土；雨水箅子；有限元；ABAQUS

有限元模拟能高效的计算结构的力学性能，可缩短产品的设计周期，但是其受模型简化、本构方程和边界条件等因素的影响较大。钢纤维混凝土的破坏模式较多，有限元分析时存在一定的误差。程东辉等人进行了木塑混凝土组合柱的轴心加载试验和有限元计算，旨在提高其抗压承载力，同时改善木塑型材在压力作用下的破坏形态[1]。赵燕茹等人对钢纤维混凝土纯扭构件进行了非线性分析，通过掺入钢纤维改善混凝土构件的抗扭延性和刚度等性能[2]。席婧仪构建钢筋混凝土模型后开展有限元分析，为带裂缝的钢筋混凝土施工提供了借鉴[3]。张晓东等人用虚拟裂缝法模拟混凝土结构裂纹的扩展过程和非线性断裂行为，推导了有限元列式并概括其求解步骤[4]。胡先坤对钢板-钢纤维混凝土检查井盖进行了试验研究并做了有限元分析[5]。李威君和高波通过实验研究了钢纤维水泥雨水箅子的失效模式及形成机理，从静载、冲击和加工等多方面分析其失效原因，并给出了改进意见[6]。本文在该实验的基础上通过有限元模拟，进一步研究钢纤维混凝土的高精度计算方法。

常见的混凝土本构模型主要有：塑性损伤模型、混凝土弥散裂缝模型，混凝土开裂模型等几种。使用最为广泛的是混凝土塑性损伤模型，其相关参数可以通过《混凝土结构设计规范》查询，也可以通过试验获取。该雨水箅子外形尺寸为500mm×400mm×60mm其有限元模型如图1所示，计算时忽略焊接对连接部位的影响。所有参数均取自《混凝土结构设计规范》，也可以使用四分之一模型进计算。为了模拟实验情况，与井圈接触部位简支（图2中的A处），加载部位（图2中的B处）施加向下的位移。采用Embedded耦合混凝土与钢纤维的自由度，避免引入过多的接触。同时限制混凝土下端的最大位移，以模拟变形过大后与试验台接触，边界条件如图2所示。

为了真实的反映出雨水箅子的受力情况，试验件为市场上随机购买的产品。通过万用试验机压缩和拉伸本实验中用涉及的相同型号混凝土和钢筋，可以获得相关参数，为修正模拟数据提供参考。采用位移控制进行压缩试验，加载速度为0.5mm/min。其载荷位移如图3所示。该雨水箅子在载荷39.5kN时混凝土失效，随后承载能力降低至22.7kN，并产生大量裂纹。进一步增大位移后，其下端与试验台接触，承载能力逐步加强。由于加载部位与试验台接触面较大，很难完全压碎，需要换用刚性垫块进一步实验。

设置材料的弹塑性参数以及损伤系数后模拟计算，并和实验进行对比分析，结果如下图所示：

对比图4和图5可知雨水箅子和井圈接触部位及长短边连接处失效，模拟与实验相符合。模拟中失效形式对称，而实验时稍有偏移，主要原因是加工和实验时不是完全对称，这是无法避免的。

该试验件背面失效情况如图6所示，长边与井圈接触部位破坏严重，而短边接触部位破坏较少。这由于是短边距离加载位置远，载荷传递较少引起的。

对比图5和图6可知该雨水箅子上下表面损伤形式不同，实验时上表面主要承受压缩力，下表面主要承受拉伸力。由混凝土的力学特性可知，下表面最先失效并产生裂纹。钢纤维承载很大的拉伸力，随后钢纤维被剥离，混凝土整体失效。若将该钢纤维整体下移，充分利用钢纤维的抗拉伸能力可更好的提高该雨水箅子的承受能力。

使用刚性垫块加载后，受力如图7所示，其受力较为集中，加载荷大多集中于接触位置，此处易被压碎。与它相邻的连接处承受拉力，容易被拉伸及剪切破坏，从而出现混凝土分层的现象。实验中，钢纤维始终未发生断裂，但是有明显的弯曲，产生了塑性变形。

总结：

本文通过有限元软件ABAQUS对某型号钢纤维混凝土雨水箅子进行有限元分析，并通过实验验证。通过分析可知塑性损伤模型可较好的模拟混凝土的失效，本文的采用计算方法及钢纤维混凝土改进的建议可给工程计算提供一定的借鉴。

【參考文献】

[1]程东辉，王翔旭，杜园元.木塑-混凝土组合柱轴心受压试验及有限元分析[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2017，33（01）：26-34.

[2]赵燕茹，王磊，代洪伟，时金娜.钢纤维钢筋混凝土纯扭构件的有限元分析[J].混凝土，2016，（11）：7-11.

[3]席婧仪.带裂缝钢筋混凝土结构的有限元分析[J].工程技术研究，2017，（03）：131+164.

[4]张晓东，丁勇，任旭春.混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究[J].工程力学，2013，30（07）：14-21+27.

[5]胡先坤.钢板-钢纤维混凝土检查井盖试验研究及有限元分析[D].青岛理工大学，2015.

[6]李威君，高波.钢纤维水泥雨水箅子失效模式及形成机理分析[J].科技展望，2017，31：69-70.endprint