冲击载荷下钢纤维混凝土梁的动态断裂力学行为

摘要

混凝土作为建筑材料因其优良的性能广泛运用于军事、工业和民用建筑中，但抗拉强度远远小于抗压强度造成结构构件的裂缝和耐久性问题又限制了混凝土材料的进一步发展。为改善混凝土材料的裂缝问题，本文以水泥基材料为基础，通过分别添加氧化石墨烯和钢纤维的方法，制备氧化石墨烯巴西圆盘试件和钢纤维混凝土梁试件，系统研究了添加不同材料混凝土的断裂力学性能，主要工作如下： 制备普通水泥砂浆和含0.03wt%氧化石墨烯水泥砂浆两种材料，制成中心直裂纹和不同倾角裂纹形式的巴西圆盘试件。对其进行准静态加载下的巴西圆盘劈裂试验，给出了试件的间接抗拉强度和纯I型、纯II型以及I-II混合型断裂韧性。氧化石墨烯纳米片层对水泥砂浆具有明显的增强作用，添加掺量为 0.03wt%氧化石墨烯水泥砂浆抗压强度提高了 34.12%，间接抗拉强度提高了18.96%，纯I型断裂韧性提高了20.09%，纯II型断裂韧性提高了12.07%，对I-II混合型断裂韧性提高了12.27%。 制备含体积率为1%的预制缺口钢纤维混凝土梁试件，利用DHR-9401落锤冲击试验机对混凝土梁试件进行三点弯试验，并结合DIC全场应变测量系统，分析了五种不同冲击速度下试件的变形模式和断裂形态。结果表明：冲击力峰值和断裂能均随着冲击速度的增大而增大；落锤冲击高度为10~40mm时，所有试件均未完全断裂，裂缝面的纤维均为拉拔破坏，并无单个纤维断裂现象；落锤冲击高度达到 80mm 时，裂缝沿着预制缺口方向快速向上扩展，直接劈断为两部分；落锤冲击下，裂缝开裂速度量级为百米/秒。相同的冲击速度下，开裂速度逐渐减小，而在不同冲击速度下，试件主裂纹的扩展速度并无明显的变化。 采用数值模拟的方法，对跨中添加定向钢纤维的混凝土梁试件在不同冲击速度下的动态响应进行数值模拟分析，通过与落锤冲击试验结果进行比对，验证有限元模型的合理性，在此基础上研究了混凝土的强度，钢纤维的含量对钢纤维混凝土梁断裂性能的影响，同时与传统素混凝土的断裂性能进行了对比分析。结果表明：相同的冲击速度下，混凝土梁冲击力峰值的大小与混凝土强度等级有关，混凝土强度越高，冲击力峰值越大；钢纤维体积率（含量分别为1%、2%和4%）对混凝土梁的冲击力峰值影响较小；在相同的冲击速度下，含钢纤维混凝土梁的冲击力峰值和断裂能均大于素混凝土梁，表明在混凝土梁中添加钢纤维可以明显改善混凝土梁试件的断裂性能，对试件的裂缝扩展具有一定的抑制作用。

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