文摘
结构如工业人行道、公路、停车场、机场跑道往往slab-on-grade双钢筋可以替代传统的钢筋。由于加载的动态特性在服务时,这些结构暴露在冲击荷载的破坏性影响,强度和刚度退化等材料或结构元素。在这项研究中,混凝土slab-on-grade的行为,研究了钢纤维混凝土在冲击荷载考虑不同的参数。非线性有限元软件ABAQUS /显式是用来模拟系统。非线性有限元模型的准确性验证使用文献中出现的实验工作。共有108个标本模拟不同钢纤维的体积分数为0.5%,1%,和1.5%的耦合影响质量和速度控制标本和变化的加载位置、厚度、长宽比。分析结果显示,添加0.5%,1%,和1.5%体积分数的钢纤维混凝土能有效地容纳0%,10%,和26%减少厚度,分别。这些结果证实,适当的使用钢纤维混凝土可以是一个可行的解决方案来改善slab-on-grade的整体性能。此外,钢纤维的宽高比的增加提高了钢纤维混凝土的抗裂性slab-on-grade,但进一步增加比例减少了由于局部破碎的混凝土性能。
1。介绍
钢筋混凝土结构受到动态载荷,如工业人行道,道路、停车场、机场跑道,通常被称为slab-on-grade,设计需要考虑动载荷的影响。大多数研究进行了评估的动态加载车辆应对人行道。然而,人行道在机场、集装箱码头、物流终端,存储区域,工业领域、停车场、地区由对象或特殊机械、下降等遭受长期静态或冲击荷载1]。当地效应产生的冲击荷载会导致不同的耐药机制比激活在准静态条件下由于波传播,惯性力的动员,应变率的材料特性的变化。
混凝土是一种非均匀脆性材料,在材料出现裂纹的发展,导致动态加载下的退化。因此,跑道路面的结构退化引起的挠度和裂缝,和不良跑道路面的动态刚度降低指数与年龄的跑道路面由于重复的事件。此外,高速和权重飞机跑道上施加巨大的接触压力路面在飞机的起飞和着陆后频繁。因此,表面抑郁、车辙、坑槽是经常可见的严重酒店式跑道路面或严重损坏事故后(2- - - - - -6]。存在潜在的改善混凝土结构层面的动态负载性能随着钢纤维混凝土(配筋),这是一种复合材料,钢纤维均匀混合在普通混凝土,比传统的混凝土结构的成员。
钢纤维混凝土作为一种纤维强化系统。实验测试了在物质层面证明了钢纤维改善了裂纹扩展阻力,减少偏差,增加了普通混凝土的疲劳寿命和耐冲击在不同负载。将钢纤维混凝土可以大大提高静态弯曲强度、冲击强度、剪切和抗扭强度,直接抗拉强度、疲劳强度、抗冲击性、延性和韧性失败7- - - - - -9]。增加了纤维混凝土的最重要的优点是耐冲击的改善(10- - - - - -17]。与不同种类的纤维混凝土增强了炸药,体重下降,和动态弯曲、拉伸和压缩载荷三到十倍普通混凝土的动态强度(18]。根据ACI 544 4 r,钢纤维混凝土梁的总能量吸收能力不加固的梁的40到100倍。
一些研究人员已经研究了钢纤维混凝土的行为(普适slab-on-grade单调加载下(19- - - - - -31日]。然而,影响下的研究关注slab-on-grade是有限的。
因此,有必要评估传统的耐冲击跑道通过添加钢纤维混凝土路面和改善其性能。钢纤维混凝土是一种抗冲击材料,展示了良好的能量耗散和延性性能通过冲击韧性和抗拉强度的发展。由于缺乏足够的钢纤维混凝土的动态属性数据在之前的调查中,配筋的设计过程和分析并不发达。
在这项研究中,slab-on-grade冲击载荷下的行为已被调查。使用钢纤维混凝土在减少板坯的厚度检查,和负载位置的影响钢纤维混凝土slab-on-grade冲击荷载下探索。非线性有限元分析损伤塑性模型对普通混凝土和钢纤维混凝土有限元分析/显式是用来模拟板。非线性有限元模型的准确性验证使用其他研究人员进行的实验结果。然后,板截面和材料用于slab-on-grade选择控制验证标本的标本。共有一百零八个标本模拟采用钢纤维的体积分数为0.5%,1%,和1.5%的耦合控制样品的质量和速度和载荷的变化位置、厚度、长宽比。
2。材料和方法
2.1。有限元离散化
所有的有限元模型与大型商业有限元软件ABAQUS发达。这个软件提供了一个优势的模型可以很容易地使用和定制的其他研究人员或路面工程师,这将有利于提议的方法的适用性不同边界条件下,路面几何和材料属性。
在这个研究中,模型的混凝土板,路基,和支承板,3 d eight-node减少集成增强沙漏控制砖元素(C3D8R)是用于建模。两节点线性三维桁架元素(T3D2)在每个节点有三个自由度用于塑钢增援。撞击器,使用离散的元素。有限元分析/显式元素库用于分析。
在这项研究中,嵌入的方法之间的相互作用采用混凝土和钢筋,这样完美的债券以及混凝土和钢之间实现位移的连续性。开裂后混凝土和钢筋之间的交互,如粘结滑移成立只有用一个简化的方法使用张力加劲混凝土模型,采用近似模拟负载转移到裂缝通过钢筋(32- - - - - -34]。
一般表面表面接触相互作用被用来定义落锤之间的联系和标本,标本和支持系统,混凝土板和路基。定义的压力行为为目的的接触相互作用在正常的方向,使用硬触点。硬接触关系不允许拉应力转移整个界面。摩擦在不同部位的接触模拟使用各向同性处罚摩擦配方。摩擦系数为0.30选择定义顶部支撑钢板和混凝土之间的摩擦试样(35选择,摩擦系数为0.60定义之间的摩擦支持钢板和混凝土试件底部。混凝土板与地基接触,摩擦系数0.5被选中。落锤建模是一个初始位置靠近试样表面(10毫米抵消)与一个预定义的速度等于取自实验数据。重力加速度应用于落锤和标本模拟重力的影响。
板是克制的x,y,z底部和方向y方向只有在顶部。模拟实验条件,避免过早的本地化失败,50 mm厚度的钢板底部和10毫米厚度的顶部添加了支持点。
路基是理想化的一个弹性固体。预测路面响应垂直冲击载荷,模型底部完全固定,滚筒的模型允许自由垂直变形。
2.1.1。材料模型
混凝土损伤塑性模型(CDPM)是本研究中使用的建模混凝土材料,因为它利用弹性各向同性损伤的概念,结合各向同性拉伸和压缩塑性表示混凝土弹性行为。此外,它可以使用普通混凝土和混凝土单调加载应用程序的设计,周期性,和/或在低围压动态。它包含一个复合的不相关的multihardening塑性和弹性各向同性损伤不可逆损伤,发生在断裂特征和允许用户控制刚度恢复效应在循环荷载的逆转。
混凝土的单轴压应力和拉应力-应变关系是由提出的模型(36为压缩行为和[]37]拉伸行为,因为他们给结果与实验值非常接近。具体的行为被假定为线性弹性接触应力等于0.4 fĆ。混凝土的泊松比和正常体重是取自实验和0.2和2400公斤/米3,分别。
在这个研究中,模型开发的(38)是用来表示prepeak和postpeak钢纤维混凝土的抗压行为(10)在其他研究者提出的不同的模型(39- - - - - -45]。确定配筋,在拉伸本构行为给出的应力-应变关系(46)是利用在模型(45- - - - - -51)因为模型(46]给出了结果与实验值非常接近。
路基维度是无限的;然而,整个路基有限元模型建模是不可能的。因此,无限的元素必须使用或者足够深度的土壤必须建模超过这个结果不会改变(52,53]。在这项研究中,泊松比为0.3的路基深度10米给理性的结果,作为模型超过10米的身高给了相同的结果,和减少建模的土壤深度进一步将产生大量板挠度的变化。
•冯•米塞斯屈服准则的弹塑性模型和各向同性硬化标准被用来模拟钢的塑性行为。弹塑性模型通过定义定义弹性属性,即弹性模量和泊松比,和塑料部分是使用应力-应变定义的值。在塑性变形区域,压力和紧张应该转化为真正的价值而不是名义(测量)值。
板在弹性材料杨氏模量的行为200 GPa和泊松比为0.3采用此时装货,避免应力集中在混凝土和过早失效或开裂的支持点,以避免过早失败的板。
许多研究表明,结构材料的力学行为是加载速率的影响。实验研究表明,材料表现出更高的抗压测试时高应变率。已经提出的一系列方程模型材料强度的增加,通常被称为动态增加的因素(DIF)。
有很多的模型提出了计算strain-rate-related dif对普通混凝土、钢纤维混凝土和钢筋。规定fib代码(54)(fib MC 2010)被用来计算混凝土dif,而提出的模型(55用于钢筋,提出的模型(56对钢纤维混凝土)是用于计算dif。最初的选择这些模型主要是基于大多数调查人员认为这些应变率关系和相关的建模方法用于RC梁的分析,列和在不同的动态加载条件下帧。
在应用rate-dependent修改,应变速率,10 s−1,是由57]计算的三个主应力方向的混凝土和钢钢筋的每个组件的方向。
2.2。有限元的验证
本文开发的有限元模型进行验证实验完成的工作(57在配筋的冲击载荷的行为。
在实验研究中,1800毫米×1800毫米×130毫米板只是支持四个顶边。混凝土的强度测量50 MPa。8毫米直径的钢筋被安排在两个方向间距为130毫米。混凝土覆盖的净厚度15毫米。钢筋被放置在底部和顶部的楼板。钢筋的实验最终产量和优势是414和475 MPa,分别。总结了材料属性表1。在模拟中,这些细节和那些在实验中保持一致。图1显示了试样的几何,啮合。
R / FRC板构造使用end-hooked钢纤维名义带有以下属性:纤维长度为30毫米(1.18英寸)的直径0.37毫米(0.015英寸),80年的长宽比,和极限抗拉强度2300 MPa的Hrynyk &维(57]。
锤的引人注目的表面由25毫米(1)厚300毫米(11.8英寸)广场钢板平面接触表面。落锤的接触表面直接影响底板,生产硬冲击荷载条件。在持续提高质量,影响板是影响速度常数的影响。影响质量下降高度3.26米(10.7英尺)的板的上表面,产生名义冲击速度为8.0米/秒(26.2英尺/秒),验证了高速摄影。共同加载协议忍受了板,包括连续影响事件与质量水平变化从150年到300公斤(331 - 660磅)57]。
使用本构模型上面所讨论的,一组分析进行选择和调整最适合配筋本构模型采用在随后的参数研究。因此,输入参数,如网格大小的影响,扩张角,和粘度参数损伤塑性模型的本构方程的评估。
2.2.1。网格敏感性
为了进行有限元模型的网格大小的敏感性,与不同大小的网格建模样本,比较结果如图2。注意M70/30代表一个板与筛孔尺寸70毫米的细化网格大小30 mm的支持和装货区域。发现的50 mm筛孔尺寸30毫米的板精制网在支持和装货区域提供可靠的结果与试验结果进行比较。
2.2.2。扩张角
CDP, quasibrittle材料的体积变化下压缩(即。膨胀)被分配一个扩张角值建模 。混凝土材料的膨胀特征的存在时体积膨胀材料暴露在三轴应力和随之产生的非弹性变形58]。默认值的扩张角是31°。扩张角之间的容许值0°和56°(58]。在目前的研究中,不同的值的扩张角被检查。
我们可以看到在图3模型响应深受扩张角的值,和一个扩张角的价值49°可以合理地捕获响应。因此,扩张角被选为设置为49°TH21(钢筋混凝土板)模拟。其它模型与纤维的百分比为0.5%,1%,和1.5%,校准为每个模型需要扩张角的值赋予一个封闭为每个模型结果与实验结果相比。
2.2.3。屈服曲面的形状系数( )和应力比
的参数必须定义屈服曲面的形状和范围在0.5和1之间,和它的默认值是0.667 (34]。双轴应力比范围从1.1到1.16,和它的默认值是1.16。在目前的研究中,不同的价值观不同的价值观流化床燃烧器/反馈被检查。我们可以看到在图4的影响和流化床燃烧器/反馈在模型的结果是显著的。可以看到它的价值= 0.64,流化床燃烧器/反馈= 1.12给密切与实验的结果。因此,对于0%钢纤维体积模型,参数= 0.64,流化床燃烧器/反馈= 1.12采用。其它模型与纤维比例的0.5%,1%,和1.5%,校准是为每个模型的值和流化床燃烧器/反馈这使近为每个模型结果与实验结果相比。
(一)
(b)
一般来说,所有的参数,研究网格大小,扩张角 ,和屈服曲面的形状系数( ),发现是至关重要的准确建模使用混凝土破坏时塑性(CDP)模型。具体地说,使用更大的网格大小可以显著减少计算时间,但有限元结果的准确性有很大的影响。本研究中采用的值在表中做了总结2。
反应力与时间历史曲线获得的有限元计算与得到的实验结果进行的(57),如图5。
(一)
(b)
(c)
(d)
NLFEA预测的误差和整体模型精度的四个标本与试验结果进行比较,提出了表3。为了描述整体模型的准确性,和相关的平均低估或高估的NLFEA误差(%)和平均模型的准确性(米(%))进行评估基于关系给出Behnam et al。59),定义为
模拟和测试之间的对比反应强迫时间曲线和中点的位移曲线板如图6。尽管存在细微差异,但一般仿真结果与实验结果吻合良好。换句话说,数值模型能够合理反映钢筋混凝土和筋板的负载性能的影响。
(一)
(b)
(c)
3所示。结果与讨论
验证有限元模型被使用在此进行一个全面的参数研究,以调查不同的负载和组织的影响参数对普通混凝土和钢纤维混凝土的反应slab-on-grade冲击荷载下。研究中的主要参数研究了钢纤维的体积分数是添加到混凝土,钢纤维的长宽比,板厚,影响质量和速度,负载的位置(即。),边缘、内部和角落。行为评估通过监测位移和破坏模式。共有108个模型模拟。
3.1。纤维长宽比的影响
配筋承载力和位移的影响标本包含不同的纤维体积分数,每个分数不同纵横比的纤维,分析了加载的三个位置(即。室内,边缘和角落),结果如图6- - - - - -8。的最大增加了具体的长宽比为80的纤维体积分数为1.5%所有加载位置。可以观察到一般的数据为一个特定的纤维混合比例,位移的最佳性能,以及钢纤维混凝土的抗冲击性,失败是由含有纤维混凝土体积的0.5%,1%,1.5%,80年的长宽比。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
耐冲击的增加可以从减少板偏转板上的冲击载荷应用后峰值位移为每个纤维比例和长宽比不同。观察最大提高纤维混凝土长宽比80 fispec的具体含1.5%体积分数。
从图可以看出945岁的长宽比板挠度几乎是一样的普通混凝土板挠度对所有加载位置。这意味着小纤维有效地逮捕冲击荷载引起的裂缝,这可能是由于混凝土粘结应力小,因此很容易得到的矩阵。相对较长的纤维最有效的阻止裂缝由于耐冲击荷载,因为他们更高的债券。
(一)
(b)
(c)
一般来说,它可以得出的结论是,在增加纵横比和纤维含量的增加,电阻增加的影响。此外,它也可以得出结论,钢纤维的掺入普通混凝土有显著提高混凝土的抗冲击性。
从赔偿三个观察加载数据10- - - - - -12,伤害减少的发展随着宽高比的增加。最大减少破坏的强度在80年获得了具体的长宽比纤维体积分数为1.5%。从结果可以得出结论,随着长宽比下降,有一个减少加载在纤维混凝土的性能影响。看来小纤维是最有效的逮捕由于冲击荷载产生的裂缝,小长度提供债券阻力更少,和较小的纤维拔出的矩阵。长纤维最有效的阻止裂缝由于耐冲击荷载,因为他们更高的债券。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
3.2。影响质量的影响
影响质量的下降头撞击器被选为150公斤,300公斤,450公斤,600公斤,所以它可以开发足够偏转的顶面混凝土板。8 m / s的速度常数的影响选择的影响研究发现质量对挠度的影响因为合理的偏转冲击试验的标本类似于有限元模型在这个速度,这被认为是影响速度。数据13- - - - - -15显示挠度的变化与不同的影响质量的三个加载位置。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
数据显示,板的挠度的增加而非线性增加撞击器的质量。质量增加了冲击能量的增加,从而增加了混凝土板的挠度。总之,影响质量被发现作为重要参数在增加混凝土板的挠度。
对钢纤维混凝土抗冲击更高质量的影响大,因为损失增加,并影响抗性增加更高比例的钢纤维混凝土。
3.3。冲击速度的影响
的冲击速度撞击器被选为5米/秒,8米/秒,15米/秒,20 m / s, 25米/秒的混凝土板与一个常数影响质量600公斤调查冲击速度的影响在冲击载荷下的混凝土板的挠度。一个常数影响质量600公斤意味着不同冲击速度的撞击器,撞击器的质量是一样的。撞击器是一个25毫米的高度300毫米的长方形。两边的撞击器是300毫米,厚度是25毫米。撞击器的质量是600公斤。数据16- - - - - -18显示速度挠度的变化有不同的影响。
(一)
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(一)
(b)
(一)
(b)
上述数据显示,混凝土板的挠度是略微增加非线性随着冲击速度的增加选择的范围内。影响速度的五个值被选为被发现适合产生重大偏差范围。发现一个值小于最小值的选择范围不能发展重要的偏转而价值大于最高价值的范围可能会损害所选的标本。的初始斜率偏转与冲击速度图第二坡陡相比,这意味着冲击速度控制挠度的影响减少了冲击速度的进一步提高。
随着冲击速度的增加,挠度增加。入射粒子质量的动能增加,这就增加了穿透深度,但增加率在一定程度降低。因此,尽管冲击速度和弹丸质量增加冲击能量,损伤的混凝土的影响比目标更容易受到高速影响较大质量的影响。大量弹丸直径增加了抵抗混凝土目标的面积,降低了穿透深度。
3.4。板厚
选择不同厚度的混凝土板在130,200,250,300,350毫米研究平板厚度的重要性在不同加载下混凝土板的挠度的影响。数据19- - - - - -21表明混凝土板的挠度的变化与不同的混凝土板的厚度。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
所有加载的混凝土板的偏转位置情况下随平板厚度的增加在如图中显示选择的值。因此板厚度也将影响冲击载荷下的挠度明显。
4所示。结论
在这项研究中,普通混凝土和钢纤维混凝土地面施工的行为slab-on-grade已被调查。一个广泛的参数研究进行了探讨钢纤维体积分数的有效性的内容添加到混凝土增加slab-on-grade的耐冲击和纤维不同纵横比的影响以及不同纤维体积百分比迭合slab-on-grade冲击荷载下的响应。位移随时间的变化,模式的失败,和能量耗散能力响应监控。可以得出以下结论。(我)从损害赔偿和裂缝模式,钢纤维有助于降低强度的损伤和裂缝发展。的有效使用钢纤维混凝土和大体积比例显著提高的耐冲击slab-on-grade通过减少偏差,减少损伤和裂纹的强度。结果表明,添加0.5%、1%、和1.5%体积分数的钢纤维混凝土可以降低5%,8%,和25%的偏转板,分别。的最大增加11%、26%和11%的观察纤维长宽比80混凝土包含1.5%的纤维体积分数加载中心,角落里,分别和边缘。(2)从结果可以得出结论,随着长宽比下降,有一个减少加载在纤维混凝土的性能影响。这表明小纤维在逮捕至少有效裂缝诱导由于冲击荷载,可能是由于他们的小长度,提供更少的债券和退出了矩阵容易。(3)使用钢纤维混凝土的抗弯抗拉强度增加,穿透深度的降低。钢纤维体积比为1.5%的使用减少约25%的具体目标厚度。
数据可用性
通讯作者的数据要求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究支持的部分亚的斯亚贝巴科技大学理学硕士学位(土木工程的部分实现。