水泥基复合材料中定向钢纤维的桥联应力研究

基于纤维桥联应力模型分析了水泥基复合材料中定向分布钢纤维的桥联应力,进而研究了定向钢纤维增强水泥基复合材料拉伸软化曲线。采用黏钢法进行单轴拉伸试验,获得了定向钢纤维水泥砂浆的轴拉应力-应变全曲线,并将试验软化曲线与模型预测曲线进行对比。研究表明,应用该模型可以近似计算定向分布钢纤维的桥联应力,且能较好地预测定向钢纤维增强水泥基复合材料拉伸软化曲线。     

纤维编织网水泥基复合材料轴拉全曲线本构模型

本文对纤维编织网水泥基复合材料轴拉全曲线本构模型进行了研究。针对纤维编织网增强水泥基复合材料单轴受拉破坏的四个不同阶段,建立了受拉全曲线力学模型,其中,采用刚度衰减系数描述受拉过程中刚度下降的过程,并分别给出了不同阶段的刚度衰减系数表达式,进而与现有试验结果进行了对比分析。结果表明:本文理论模型与试验结果对比吻合较好。此外,本文模型包含了受拉全过程中的下降段,能够更完整地描述纤维编织网水泥基复合材料受拉破坏全过程。本文的研究进一步明确了纤维编织网水泥基复合材料的单轴拉伸性能,可为提高构件延性的设计提供理论基础。     

定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂细观数值模拟

采用随机生成算法投放钢纤维,建立了随机乱向、定向钢纤维增强水泥基复合材料（SFRC、ASFRC）三点弯曲梁细观有限元数值模型,计算了不同纤维掺量下SFRC试件和ASFRC试件加载断裂的全过程,分析了三点弯曲梁开裂截面处的纤维应力,研究了定向钢纤维的细观增强机理.结果表明：SFRC试件和ASFRC试件荷载-裂缝张开口位移全曲线的模拟值与试验值符合较好,峰值荷载的误差在10%以内;SFRC试件和ASFRC试件的峰值荷载与纤维合力的最大值均随着纤维掺量的增加而增大,当纤维掺量为0.8%、1.2%、2.0%时,ASFRC试件的峰值荷载较SFRC试件提高了75%、111%、141%,纤维合力的最大值较SFRC试件增大了202%、144%、127%;定向钢纤维可以有效改善水泥基复合材料的断裂性能,显著提高钢纤维的利用率,延缓裂缝的扩展.     

定向钢纤维水泥基复合材料起裂特性的细观数值模拟

基于细观数值模拟方法研究了定向钢纤维水泥基复合材料的起裂特性。应用ABAQUS软件对钢纤维水泥基复合材料进行有限元建模,利用J积分计算裂缝尖端应力强度因子,研究钢纤维分布位置、角度、长度和直径以及钢纤维掺量对水泥基复合材料应力强度因子的影响。计算结果表明:钢纤维分布位置及几何特性对裂缝尖端应力强度因子影响显著,从而改变了钢纤维水泥基复合材料的起裂荷载;钢纤维的定向使水泥基复合材料的起裂荷载有所提高;随着钢纤维掺量的提高,纤维分布密度逐渐增大,纤维间距逐渐减小,定向钢纤维水泥基复合材料的起裂特性明显增强。     

龄期对定向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响

通过开展不同龄期的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究龄期对定向及随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料断裂性能的影响。根据试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析不同龄期的钢纤维增强水泥基复合材料裂缝扩展的全过程。结果表明:钢纤维增强水泥基复合材料的弯曲强度随着龄期的增加而增加;在7 d龄期内,随着龄期的增长,定向钢纤维增强水泥基复合材料的断裂能增长较快,在7 d龄期后,断裂能的增长放缓且趋于稳定;当钢纤维体积掺量由1.2%增加到2.0%时,断裂能明显增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的断裂能增长幅度相较随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料更为显著。     

钢纤维水泥基复合材料断裂的K R曲线研究

基于Wallin阻力曲线模型,结合纤维增强复合材料断裂理论,提出了钢纤维水泥基复合材料的K-R曲线模型.通过定向与乱向两种纤维分布形式以及不同尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,验证了K-R曲线模型的合理性与适用性.结果表明:K-R曲线模型能够有效描述不同钢纤维分布形式下水泥基复合材料的断裂过程,且理论预测的峰值荷载与试验结果偏差较小.该模型可为钢纤维水泥基复合材料的断裂参数尺寸效应研究提供新方法.     

短纤维及混杂纤维砂浆轴向拉伸试验研究

采用自行设计的试验加载装置，对在砂浆中分别掺人钢纤维、PVA纤维以及同时掺人两种纤维的水泥基复合材料进行了直接拉伸试验，成功地获得了完整的应力-应变全曲线．数据采集采用动态应变测试系统，结果表明，在砂浆中掺人钢纤维．可以大大提高基体的抗拉强度及韧性，试件的最终破坏取决于钢纤维与基体之间的界面粘结强度；在砂浆中掺人PVA纤维对提高基体的抗拉强度有限，但却可以较大幅度地提高基体的韧性，试件的破坏是随着纤维的逐渐断裂而破坏。混杂纤维增强砂浆的破坏形式则是由基体、钢纤维、PVA纤维的材料特性共同决定。     

钢纤维定向对水泥基复合材料等效断裂韧度的影响

通过不同钢纤维分布方向和不同钢纤维掺量的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了钢纤维定向对钢纤维增强水泥基复合材料等效断裂韧度的影响。利用试验得到的荷载-挠度曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并计算了等效断裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的等效断裂韧度要明显高于相同掺量的乱向钢纤维增强水泥基复合材料,且等效断裂韧度随着钢纤维掺量的增加而逐渐增大;定向钢纤维试件的临界等效裂缝长度小于相同掺量的乱向钢纤维试件,且等效裂缝长度随着钢纤维掺量的增加而逐渐减小。此外,依据裂缝断裂面处的钢纤维数量和方向效应系数两方面解释了钢纤维掺量及定向对等效断裂韧度的提高作用。     

混杂纤维增强延性水泥基复合材料力学性能与裂宽控制

为实现纤维增强延性水泥基复合材料高强度与高延性的匹配,在原有材料体系中附加钢纤维,试验研究了混杂聚乙烯醇(PVA)/钢纤维增强延性水泥基复合材料的轴拉、抗压性能.结果表明:随着钢纤维掺量的增加,混杂纤维增强延性水泥基复合材料开裂强度和抗拉强度不断提高,裂纹宽度显著降低,且钢纤维对高强基材的作用效果更加显著;当钢纤维掺量适量时,混杂纤维增强延性水泥基复合材料的极限拉应变得到有效提升,而钢纤维掺量对抗压性能的影响并不显著;PVA纤维和钢纤维混杂可获得高强度、高延性和低裂纹宽度的水泥基复合材料.     

微钢纤维水泥基复合材料劈裂抗拉强度研究

为研究不同长径比微钢纤维和不同微钢纤维体积掺量对水泥基复合材料抗拉性能的影响,试验设计了3组不同基体混凝土强度(C50、C70、C90)共24组不同配合比,测试了试件28 d劈裂抗拉强度。分析研究了不同长径比微钢纤维掺量、不同体积率微钢纤维掺量与水泥基复合材料抗拉性能之间的相互关系,建立了相应的数学模型。研究结果为微钢纤维水泥基复合材料的工程设计提供了理论依据。     

钢纤维混凝土断裂破坏机理及受拉损伤本构试验研究

钢纤维混凝土断裂行为及受拉本构关系对其工程应用起到至关重要作用,目前尚无本构模型揭示基体开裂与纤维拔出所产生的能量耗散的演化规律。文章通过开展钢纤维混凝土带缺口梁三点弯试验,利用声发射技术监测试件断裂过程中不同微观开裂模式所对应的能量耗散的演化规律,结合损伤力学原理建立钢纤维混凝土的单轴受拉弹塑性损伤本构模型。试验研究3种基体混凝土配合比、4种钢纤维体积率(0、0.5%、1.0%和1.5%)共36个试件。根据试验结果,提出钢纤维混凝土断裂破坏的4个阶段及其临界状态判别标准,得到钢纤维混凝土断裂能、轴心抗拉强度与钢纤维体积率之间的关系。并提出基于声发射峰频分析判别受拉与剪切开裂模式的新方法。基于两类开裂模式的声发射能量监测结果,拟合得到基体混凝土开裂损伤因子、钢纤维桥接作用损伤因子的数学表达式,建立钢纤维混凝土单轴受拉弹塑性损伤本构模型。与RILEM和fib模型对比表明：文章模型计算的应力-应变曲线与RILEM模型较接近;在钢纤维体积率小于0.5%时,文章模型计算的应力-应变曲线在峰值后表现出软化行为,而在钢纤维体积率大于1.0%之后则表现出硬化行为;能够计算断裂全过程中的钢纤维桥接应力。     

Compressive and cyclic flexural response of double-hooked-end steel fiber reinforced concrete

Recent developments on high-performance double-hooked-end steel fibers have enhanced the wide applications of steel fiber reinforced concrete (SFRC). This study presents the compressive properties and the cyclic flexural performance of the SFRC that were experimentally examined. Three different double-hooked-end steel fibers at 0.25%, 0.5%, 0.75%, and 1% volume fractions were considered. All fiber types had similar length to diameter ratios, while the first two fiber types had similar anchorage mechanisms (4D) and tensile strength and the third type had different anchorage mechanism (5D) and a higher tensile strength. The increased volumetric ratio of the fibers increased the post-peak compressive strain (ductility), the tensile strength, and the cyclic flexural strength and cumulative energy dissipation characteristics of the SFRC. Among the 4D fibers, the mixtures with the larger steel fibers showed higher flexural strength and more energy dissipation compared to the SFRCs with smaller size fibers. For 1% steel fiber dosage, 4D and 5D specimens showed similar cyclic flexural responses. Finally, a 3D finite element model that can predict the monotonic and cyclic flexural responses of the double-hooked-end SFRC was developed. The calibration process considered the results obtained from the inverse analysis to determine the tensile behavior of the SFRC.     

基体强度对水泥基复合材料纤维混杂效应的影响

混杂纤维对提高砂浆和混凝土等水泥基复合材料的强度和韧性存在一定的混杂效应.通过试验研究了基体强度对纤维混杂效应的影响.结果表明,基体的强度越高则混杂纤维的增强混杂效应越小,而纤维的增韧混杂效应基本不受基体强度的影响.基于细观断裂力学和层次结构的观点探讨了基体强度对纤维混杂效应的影响机理,为利用混杂效应强化、韧化水泥基复合材料提供理论和试验依据.     

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)弯曲韧性研究

砂浆、混凝土等水泥基复合材料易于开裂、耐久性低劣的主要原因是其抗拉强度低、韧性差。高模量聚乙烯醇（PVA）纤维的添加可以增强水泥基材料的韧性，使其呈现准应变硬化和多微缝开裂特性，从而显著改善结构的耐久性。通过四点弯曲试验研究了PVA纤维体积掺量分别为0、0.75%、1.5%的抗折强度，按照ASTM方法确定了SHCC的弯曲韧度指数，通过JCI方法得到了SHCC的弯曲韧性系数。结果表明，最大抗弯承载力和最大挠度均随纤维掺量的增加而增加。结果可由纤维增强材料的应变硬化特性来解释。同时，与数值模拟结果的比较也证实了上述结论。     

钢纤维体积率对高强混凝土断裂性能的影响

通过对相对切口深度为0.2、0.3、0.40、.5的钢纤维高强混凝土三点弯曲试验,研究钢纤维体积率对高强混凝土断裂性能的影响。结果表明:在相对切口深度为0.20、.3、0.4、0.5的条件下,随着钢纤维体积率的增大,钢纤维高强混凝土断裂韧度和断裂能均显著增加。通过对试验结果的统计分析,分别建立断裂韧度、断裂能与劈拉强度之间的关系式。     

钢纤维高强混凝土轴拉性能试验研究

完成了22组共110个钢纤维高强混凝土试件的轴拉试验。分析研究了钢纤维高强混凝土的轴拉强度和劈拉强度的关系,钢纤维高强混凝土轴拉性能随钢纤维体积掺量、基体强度及钢纤维类型的变化规律。给出了钢纤维高强混凝土轴拉应力-应变全曲线的数学模型,根据试验数据的回归分析确定了曲线相关的参数。研究成果对钢纤维高强混凝土在结构中的应用提供了依据。     

短纤维水泥基复合材料的拉伸数值分析

提出软弱区的概念,并定义该软弱区为砂浆试件中包含微裂隙、微裂缝或微缺陷的一个局部区域,采用细观力学的方法,假定砂浆试件是由砂浆基体和许多随机分布于基体中的软弱区所组成,基于蒙特卡罗随机抽样原理,实现软弱区单元在砂浆基体中的随机分布,基体单元和软弱区单元材料的非均匀性由Weibull参数来表征,同时假定基体单元和软弱区单元均符合低拉伸材料开裂准则,建立砂浆拉伸数值模型,考虑软弱区分布、Weibull分布参数、细观单元力学参数等对数值试验的影响,全面分析砂浆拉伸开裂的力学行为。在砂浆数值模型的基础上,系统研究短纤维增强砂浆的拉伸开裂及纤维细观力学参数、分布特征等对数值拉伸结果的影响。最后,将数值结果与试验结果进行对比,结果表明,数值模型能较好地模拟砂浆的拉伸开裂和短纤维对砂浆的增强效果,同时由数值模拟得到的砂浆单向拉伸应力–应变全过程曲线与试验结果较为吻合。     

A study of constitutive relation and dynamic failure for SFRC in compression

This paper presents a study of constitutive relation and fracture failure of steel-fiber reinforced concrete (SFRC) subjected to compressive loading. Firstly, the characteristics of stress–strain curves for SFRC are analyzed, and appropriate constitutive relations are suggested. Subsequently, an erosion algorithm is presented for the simulation of the fracture failure of the SFRC. With the erosion criterion of maximum principal strain implemented, the failure of the SFRC specimen in split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests is finally simulated. Numerical results show that the isotropic hardening plasticity mode and the erosion criterion are suitable for the analysis of the SFRC failure under medium strain-rate loading. In addition, the volume fraction of fibers has significant influence on SFRC fracture failure.