混凝土雨水箅子有限元模擬及實驗分析

【摘 要】本文以某廠生產(chǎn)的鋼纖維混凝土雨水箅子為例，采用塑性損傷模型進行有限元模擬。通過有限元軟件ABAQUS計算分析，并進行實驗驗證。通過對比表明該方法的誤差較小，能有效的模擬該試驗件的多種破壞模式。本文還研究了集中加載對試驗件強度的影響，給雨水箅子的設(shè)計及優(yōu)化中提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土；雨水箅子；有限元；ABAQUS

有限元模擬能高效的計算結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，但是其受模型簡化、本構(gòu)方程和邊界條件等因素的影響較大。鋼纖維混凝土的破壞模式較多，有限元分析時存在一定的誤差。程東輝等人進行了木塑混凝土組合柱的軸心加載試驗和有限元計算，旨在提高其抗壓承載力，同時改善木塑型材在壓力作用下的破壞形態(tài)[1]。趙燕茹等人對鋼纖維混凝土純扭構(gòu)件進行了非線性分析，通過摻入鋼纖維改善混凝土構(gòu)件的抗扭延性和剛度等性能[2]。席婧儀構(gòu)建鋼筋混凝土模型后開展有限元分析，為帶裂縫的鋼筋混凝土施工提供了借鑒[3]。張曉東等人用虛擬裂縫法模擬混凝土結(jié)構(gòu)裂紋的擴展過程和非線性斷裂行為，推導(dǎo)了有限元列式并概括其求解步驟[4]。胡先坤對鋼板-鋼纖維混凝土檢查井蓋進行了試驗研究并做了有限元分析[5]。李威君和高波通過實驗研究了鋼纖維水泥雨水箅子的失效模式及形成機理，從靜載、沖擊和加工等多方面分析其失效原因，并給出了改進意見[6]。本文在該實驗的基礎(chǔ)上通過有限元模擬，進一步研究鋼纖維混凝土的高精度計算方法。

常見的混凝土本構(gòu)模型主要有：塑性損傷模型、混凝土彌散裂縫模型，混凝土開裂模型等幾種。使用最為廣泛的是混凝土塑性損傷模型，其相關(guān)參數(shù)可以通過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》查詢，也可以通過試驗獲取。該雨水箅子外形尺寸為500mm×400mm×60mm其有限元模型如圖1所示，計算時忽略焊接對連接部位的影響。所有參數(shù)均取自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，也可以使用四分之一模型進計算。為了模擬實驗情況，與井圈接觸部位簡支（圖2中的A處），加載部位（圖2中的B處）施加向下的位移。采用Embedded耦合混凝土與鋼纖維的自由度，避免引入過多的接觸。同時限制混凝土下端的最大位移，以模擬變形過大后與試驗臺接觸，邊界條件如圖2所示。

為了真實的反映出雨水箅子的受力情況，試驗件為市場上隨機購買的產(chǎn)品。通過萬用試驗機壓縮和拉伸本實驗中用涉及的相同型號混凝土和鋼筋，可以獲得相關(guān)參數(shù)，為修正模擬數(shù)據(jù)提供參考。采用位移控制進行壓縮試驗，加載速度為0.5mm/min。其載荷位移如圖3所示。該雨水箅子在載荷39.5kN時混凝土失效，隨后承載能力降低至22.7kN，并產(chǎn)生大量裂紋。進一步增大位移后，其下端與試驗臺接觸，承載能力逐步加強。由于加載部位與試驗臺接觸面較大，很難完全壓碎，需要換用剛性墊塊進一步實驗。

設(shè)置材料的彈塑性參數(shù)以及損傷系數(shù)后模擬計算，并和實驗進行對比分析，結(jié)果如下圖所示：

對比圖4和圖5可知雨水箅子和井圈接觸部位及長短邊連接處失效，模擬與實驗相符合。模擬中失效形式對稱，而實驗時稍有偏移，主要原因是加工和實驗時不是完全對稱，這是無法避免的。

該試驗件背面失效情況如圖6所示，長邊與井圈接觸部位破壞嚴重，而短邊接觸部位破壞較少。這由于是短邊距離加載位置遠，載荷傳遞較少引起的。

對比圖5和圖6可知該雨水箅子上下表面損傷形式不同，實驗時上表面主要承受壓縮力，下表面主要承受拉伸力。由混凝土的力學(xué)特性可知，下表面最先失效并產(chǎn)生裂紋。鋼纖維承載很大的拉伸力，隨后鋼纖維被剝離，混凝土整體失效。若將該鋼纖維整體下移，充分利用鋼纖維的抗拉伸能力可更好的提高該雨水箅子的承受能力。

使用剛性墊塊加載后，受力如圖7所示，其受力較為集中，加載荷大多集中于接觸位置，此處易被壓碎。與它相鄰的連接處承受拉力，容易被拉伸及剪切破壞，從而出現(xiàn)混凝土分層的現(xiàn)象。實驗中，鋼纖維始終未發(fā)生斷裂，但是有明顯的彎曲，產(chǎn)生了塑性變形。

總結(jié)：

本文通過有限元軟件ABAQUS對某型號鋼纖維混凝土雨水箅子進行有限元分析，并通過實驗驗證。通過分析可知塑性損傷模型可較好的模擬混凝土的失效，本文的采用計算方法及鋼纖維混凝土改進的建議可給工程計算提供一定的借鑒。

【參考文獻】

[1]程東輝，王翔旭，杜園元.木塑-混凝土組合柱軸心受壓試驗及有限元分析[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，33（01）：26-34.

[2]趙燕茹，王磊，代洪偉，時金娜.鋼纖維鋼筋混凝土純扭構(gòu)件的有限元分析[J].混凝土，2016，（11）：7-11.

[3]席婧儀.帶裂縫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].工程技術(shù)研究，2017，（03）：131+164.

[4]張曉東，丁勇，任旭春.混凝土裂紋擴展過程模擬的擴展有限元法研究[J].工程力學(xué)，2013，30（07）：14-21+27.

[5]胡先坤.鋼板-鋼纖維混凝土檢查井蓋試驗研究及有限元分析[D].青島理工大學(xué)，2015.

[6]李威君，高波.鋼纖維水泥雨水箅子失效模式及形成機理分析[J].科技展望，2017，31：69-70.endprint