高性能纤维混凝土的动力学特性数值仿真分析

摘 要：高性能纤维混凝土（HPFRC）作为新兴建筑材料，凭借其高性能被广泛使用。然而，其在冲击荷载下的动力学特性还有待深入研究。该研究旨在通过数值仿真分析，探讨C40-HPFRC在冲击荷载增加过程中的损伤破坏问题。采用ANSYS/LS-DYNA建立C40-HPFRC的数值模型，施加冲击荷载进行仿真分析。同时，对损伤破坏的原因进行细致讨论，研究结果表明，①在冲击荷载作用下，C40-HPFRC出现不同程度的损伤破坏，当冲击荷载由0.1 MPa增加至0.3 MPa过程中，冲击荷载越大，混凝土的损伤破坏越严重；②C40-HPFRC损伤破坏后出现“留芯”现象，小冲击荷载作用下该现象比较明显，随着冲击荷载的增加该现象逐渐消失；③随着冲击荷载的增加，C40-HPFRC的冲击强度逐渐增大，冲击荷载由0.1 MPa增加至0.3 MPa过程中，冲击强度的增长幅度分别为1.8%和18.4%。

关键词：高性能纤维混凝土；动力学特性；数值仿真分析；力学性能；工程应用

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0067-04

Abstract： High-performance fiber reinforced concrete （HPFRC） is extensively utilized as a new building material due to its exceptional performance. Nonetheless， there is a need for further investigation into the dynamic properties of C40-HPFRC under impact loads. This study aims to analyze the damage and failure of C40-HPFRC subjected to increasing impact loads through numerical simulation using ANSYS/LS-DYNA. The research findings reveal that， ①C40-HPFRC experiences varying degrees of damage and failure under impact loads， with more severe damage observed as the loads increase from 0.1 MPa to 0.3 MPa; ②a "core retention" phenomenon is observed after damage and failure in C40-HPFRC， which is more pronounced at lower impact loads but diminishes with increasing loads; and ③ with the increase of impact load， the impact strength of C40-HPFRC increases gradually， and the increase of impact strength is 1.8% and 18.4% respectively when the impact load increases from 0.1 MPa to 0.3 MPa.

Keywords： high-performance fiber reinforced concrete; dynamic characteristics; numerical simulation analysis; mechanical properties; engineering application

随着现代建筑技术的不断发展，对于建筑材料的性能要求也日益提高。在众多建筑材料中，混凝土作为最常用的建筑材料之一，在建筑工程中扮演着重要的角色。然而，传统混凝土在承载力、耐久性和抗震性等方面存在一定的局限性。为了满足工程结构对于高性能材料的需求，高性能纤维混凝土（High Performance Fiber Reinforced Concrete，HPFRC）应运而生。HPFRC通过添加纤维材料，如钢纤维、聚丙烯纤维等，使混凝土的性能得到显著提升。相较于传统混凝土，HPFRC具有更高的抗拉强度、抗冲击性能、抗裂性能和疲劳耐久性。然而，要充分发挥HPFRC的优势，需要深入研究其动力学特性。动力学特性是指在外力作用下，材料的应力、应变和变形等力学响应。准确了解HPFRC的动力学特性对于工程结构的设计、施工和使用具有重要意义[1-4]。

关于混凝土的动力学研究方面已经取得了诸多成果，例如：张周等[5]发现钢纤维掺入混凝土可以增强其整体性和韧性，满足高强度和高韧性的要求，同时发现在低速冲击条件下，钢纤维的掺入能够提升混凝土的耗能和抗冲击性能，这对于钢纤维混凝土在复杂动力环境或低速冲击威胁下的工程应用和安全评估具有重要意义。武立伟等[6]在考虑孔隙作用和混凝土的细观结构非均质性的因素下提出了一种亚均质饱和混凝土模型，分析了孔隙率对混凝土力学性能的影响，同时利用数值模拟研究饱和混凝土中的波传播和动态冲击破坏问题。李玲等[7]利用SHPB设备研究了动力学作用下充填复合混凝土的力学特性，发现复合结构混凝土在动力扰动作用下对能量有较好的吸收能力，应力衰减效果较佳。马钢等[8]研究了不同纤维对混凝土抗压强度的影响，发现聚丙烯纤维能改善混凝土的脆性破坏，并具有较好的动态压缩变形能力，同时具有最好的动态压缩变形能力。混凝土在动载荷作用过程中形成的损伤破坏将使用非连续体的力学模型对其进行描述，沈峰等[9]基于PD方法，假设位于连续体内的粒子通过有限距离相互作用，然后通过积分计算相互作用力，这种方法避免了传统偏微分方程的奇异性和多尺度算法的复杂性，能有效模拟材料和结构的损伤累积与渐进破坏过程。

本文旨在通过数值仿真分析的方法，研究高性能纤维混凝土的动力学特性。通过对HPFRC的应力、应变和变形等参数进行模拟，我们可以评估其在不同加载条件下的力学性能。通过研究HPFRC的动力学特性，可以为工程结构的设计、优化和改进提供科学依据。本研究的结果有望为高性能纤维混凝土在工程实践中的应用提供理论支持和参考依据。通过深入分析HPFRC的动力学特性，能够为工程结构的安全性、耐久性和可靠性提供重要的技术指导。同时，本研究也为混凝土材料的改进和发展提供了新的思路和方法。在本文中，我们将采用数值仿真分析的方法，通过建立合适的模型和参数，模拟高性能纤维混凝土在动力学加载下的力学响应。通过对模拟结果的分析和讨论，我们希望能够深入了解HPFRC在动力学条件下的行为规律，并为相关领域的工程应用提供有价值的参考。通过对HPFRC的动力学行为进行深入研究，将为工程结构的设计和应用提供重要的理论基础和实践指导。

1 HPFRC的SHPB模型建立及材料参数

在SHPB有限元建模中，使用ANSYS/LS-DYNA软件进行建模和网格划分、part创建、接触设置、输入文件K文件等。作为全球最知名的有限元分析软件之一，ANSYS/LS-DYNA在土木工程、制造工艺、航空航天等领域广泛应用，拥有100多种材料模型和十几种单元类型[10-12]。模型构建过程中主要包含子弹、入射杆、透射杆和混凝土试件。岩样的直径为50 mm，高度为25 mm。模型的网格尺寸按照0.2 mm划分，HPFRC的SHPB模型如图1所示。

本文以冲击荷载为研究变量，分别对0.1、0.2、0.3 MPa 3个冲击荷载条件下混凝土的冲击动力学进行数值分析。本文分析的混凝土强度等级为C40，但是由于加入抗裂纤维后，混凝土的单轴抗压强度达到了47.3 MPa，因此在模型构建过程中将代入试验所测得的实际参数进行计算。HPFRC的模型参数见表1。

2 RHT强度模型

RHT强度模型是一种用于预测材料力学强度变化的模型，该模型是基于经验公式和实验数据开发的，其目的是通过压力和孔隙率变化状态，提供一种简便而准确的方法来估计材料各破坏阶段下的强度。RHT模型的压力p和孔隙率α的状态方程如图2所示。该模型适用于不同类型的材料，包括金属、陶瓷和复合材料等。

其中，压力p的计算表达式为

， （1）

式中：ρ0为试样的初始密度；ρ为冲击过程中试样的密度；e为试样内能；c0为试样的波速；s为常数，通常取0.95。

RHT模型的损伤D定义为

式中：d？着p为塑性应变增量；为试样破坏时的塑性应变。

试样破坏时的塑性应变的计算表达式为

， （3）

式中：D1、D2为损伤参数；为初始静水压力；p为失效压力；的中间值。

RHT模型的破坏面曲线方程

式中：Ａ为失效参数；Fr为动应变增强因子；N为孔隙度指数；F为准静态极限应力；F为准静态拉伸应力；Q1、Q2为拉压子午比。

3 数值结果分析

本文对C40-HPFRC开展了动力学数值仿真分析，开展冲击荷载为0.1、0.2、0.3 MPa 3个工况下的数值计算。C40-HPFRC的损伤应力云图如图3所示，C40-HPFRC的动力学数值计算云图如图4所示，C40-HPFRC的数值计算应力结果如图5所示。由图3可知，在冲击荷载作用下，C40-HPFRC吸收了冲击能量，但是其本身材料吸收能量的能力是有限的，任何材料的吸能都是存在一定极限的，当冲击能量超过材料的吸能极限后，无法有效地分散冲击荷载的能量，此时就会产生破坏。冲击荷载开始作用于C40-HPFRC后，由于材料均匀性的问题，混凝土材料内部局部区域的薄弱环节处的应力超过了其承载能力，此时在局部区域产生少数损伤裂纹。随着冲击荷载的继续作用，此时形成的裂纹将逐渐扩展和贯通，从而引发混凝土的损伤破坏。随着冲击荷载的持续作用，C40-HPFRC出现不同程度的损伤破坏。冲击荷载由0.1 MPa增加至0.3 MPa的过程中，数值损伤失效单元增多，冲击荷载越大，此时混凝土的损伤破坏越严重。

由C40-HPFRC的动力学数值计算云图可知，在冲击荷载作用下，混凝土出现了“留芯”现象，小冲击荷载作用下该现象比较明显，随着冲击荷载的增加该现象逐渐消失。主要原因在于，高冲击荷载作用于混凝土后，此时材料中的单元会在极短时间内出现损伤破坏，此时由于大部分的材料单元损失，在材料表面就不会留存更多的未破坏单元，并且在有效的计算步内，软件已无法连续捕捉到材料的破坏过程，因此所谓的“留芯”现象就不会存在。

由图4可知，冲击荷载为0.1、0.2、0.3 MPa时，C40-HPFRC的冲击强度分别为94、95.72、117.3 MPa。随着冲击荷载的增加，C40-HPFRC的冲击强度逐渐增大，冲击荷载由0.1 MPa增加至0.3 MPa过程中，冲击强度的增长幅度分别为1.8%和18.4%。当冲击荷载较小时，此时冲击强度随冲击荷载的增长幅度较小。在较大冲击荷载作用下，混凝土的冲击强度显著增加。

4 结论

本论文通过数值仿真分析研究了高性能纤维混凝土（HPFRC）的动力学特性，通过对C40-HPFRC在冲击荷载作用下的损伤破坏及冲击强度进行分析，得到以下结论。

1）在冲击荷载作用下，C40-HPFRC的内部局部区域的薄弱环节处的应力超过了其承载能力，此时在局部区域产生少数损伤裂纹，随着冲击荷载的继续作用，C40-HPFRC出现不同程度的损伤破坏；冲击荷载逐渐增大过程中，数值损伤失效单元逐渐增多，混凝土损伤破坏越来越严重。

2）在冲击荷载作用下，材料中的单元会在极短时间内出现损伤破坏，由于大部分材料单元损失，在材料表面就不会留存更多的未破坏单元，并且在有效的计算步内，软件已无法连续捕捉到材料的破坏过程，混凝土出现了“留芯”现象，但该现象随着冲击荷载的增加逐渐消失。

3）随着冲击荷载的增加，C40-HPFRC的冲击强度逐渐增大，当冲击荷载较小时，冲击强度增长幅度较小；冲击荷载较大时，混凝土的冲击强度增加显著。

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