钢纤维混凝土力学性能及本构模型分析 本文关键词：混凝土，模型，力学性能，分析，钢纤维
钢纤维混凝土力学性能及本构模型分析 本文简介：摘要:钢纤维混凝土作为一种新型多相复合材料，在面抗弯抗剪承载、防水、抗疲劳、抗冻融等方面具有普通混凝土不可比拟之优势。文章通过不同掺量纤维混凝土三点梁试验，分析了钢纤维混凝土抗弯力学特性和设计计算本构模型。关键词:钢纤维；混凝土；力学性能；本构模型在地铁修建中，盾构或TBM是区间隧道施工的主流方法。
钢纤维混凝土力学性能及本构模型分析 本文内容：
摘要:钢纤维混凝土作为一种新型多相复合材料，在面抗弯抗剪承载、防水、抗疲劳、抗冻融等方面具有普通混凝土不可比拟之优势。文章通过不同掺量纤维混凝土三点梁试验，分析了钢纤维混凝土抗弯力学特性和设计计算本构模型。
关键词:钢纤维；混凝土；力学性能；本构模型
在地铁修建中，盾构或TBM是区间隧道施工的主流方法。普通钢筋混凝土管片具有强度高、刚度大、抗弯拉能力强、耐腐蚀、造价相对较低等特点，因此目前盾构或TBM区间隧道衬砌管片也主要采用普通钢筋混凝土管片。该管片在使用过程中也暴露出一些问题，如运输、安装施工中局部破损率高，缺角、掉边时有发生等，这就需要强度高、耐久性能优良、抗局压及耐碰撞的新型管片材料。
1钢纤维混凝土的发展历程
钢纤维混凝土（SFRC）系统性理论研究始于20世纪70年代，作为一种多相性增强复合材料，是以普通混凝土为基材，以金属纤维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料，具有较好的抗压、抗拉、抗裂、防水和耐久性能。国内研究起步较晚，但进入20世纪80年代后，这一领域的试验研究有了迅速发展，特别是《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS38:2004)等的颁布施行，极大地推动了钢纤维混凝土在我国的应用研究与发展。目前我国的钢纤维混凝土计算的总体思路是以修改后的混凝土计算参数替代原普通钢筋混凝土计算参数，计算理论与国外普遍采用的容许应立法比较还有不足。
2钢纤维混凝土的抗弯性能试验及结果
2.1抗弯性能试验加载设备
本次钢纤维混凝土抗弯性能测试采用三点梁加载形式。加载试验机采用深圳万测试验设备有限公司生产的万测ETM105D电子万能试验机，具体参数为:最大试验力200kN，试验力示值相对误差±0.5%，数据采集频率1000Hz，位移示值相对误差±0.50%以内，位移分辨力0.05μm；开口位移测量采用北钢院的YYU-10/50电子引伸计，试验机如图1、2所示。2.2抗弯性能试验准备1）首先在成型试件的下侧面做割缝处理（如图1所示），割缝深度以不超过保护层厚度为准，一般为25±1mm，割缝宽度一般为2mm。2）然后在试件割缝处粘贴引伸计固定钢片，预留宽度为2～3cm（如图2所示）。3）将试件安放在支座上，支座跨径为500mm，偏差为±2mm，加载压头务必对准割缝中心，试件安装务必稳定、不得晃动。4）然后安装测量割缝开口位移的夹式引伸计传感器。2.3抗弯性能试验结果图表本次试件根据钢纤维掺量分为7个批次，每批次间掺量相差5kg/m3，每测试批次包括12个试件，所有测试试件裂缝的起裂点预设在割缝处，如测试结果起裂点不在割缝处则被视为无效数据。试验加载采用CMOD控制加载，分两段加载:在位移量达到0.1mm之前，加载速率为0.05mm/min；在位移量达到0.1mm之后，加载速率变为0.2mm/min，加载至位移量达到4mm时试验停止。试验按连续、分级、均匀要求加载。根据加载荷载及割缝处开裂宽度绘制L-C曲线（即荷载load与开裂宽度COMD关系曲线），在此选取各批次有代表性测试结果关系曲线列于图3（SF25表示纤维掺量为25kg/m3）。2.4抗弯性能试验结果分析从试验测试结果曲线看:①与普通混凝土基本没有残余强度不同，钢纤维混凝土的残余荷载及残余强度明显，分析认为:这对预防混凝土的脆性破坏和增强混凝土延性性能具有积极正面作用；②从试验结果曲线看，钢纤维混凝土开裂后，随着持续加载，当开口位移CMOD达到1.5～2.5mm时，出现不同程度的强度硬化现象；③钢纤维混凝土的残余荷载及残余强度测试值分布比较离散，其离散系数基本都在15%上下，分析认为:钢纤维的空间分布特性对试件测试结果影响较大；④随着纤维含量的增加，强度硬化更趋明显，分析认为:梁开口后随着纤维含量增加，纤维抗拉性能得以发挥；⑤钢纤维混凝土受弯开裂、强化后，其卸载曲线平缓，表现出较好的材料韧性和延性特点（如图3所示）。
3钢纤维混凝土本构关系
3.1SFRC本构模型
钢纤维混凝土不同于普通混凝土的主要地方在于其具有一定裂后残余强度，韧性也明显强于普通混凝土。但不同纤维种类和含量的SFRC，其残余强度也明显不同。为确定SFRC残余强度，课题组依据欧洲规范EN14651:2005《金属纤维混凝土测试方法-弯拉强度测量[比例限度（LOP），残余]规定》，在开口梁上进行了三点弯曲试验（如图4所示）。
3.2SFRC抗拉强度
1）刚塑性模型承载力极限抗拉强度标准值。对刚塑性模型，MODEcode标准取试验残余弯拉强度值的1/3来确定钢纤维混凝土的承载力极限抗拉强度标准值（相当于相应安全系数3），即:2）线性裂后模型承载力极限抗拉强度标准值。线性裂后模型由于存在塑性硬化/软化的过程，故在正常使用极限状态（尚未发生塑性硬化/软化）和承载力极限状态（塑性硬化/软化过程中）下，其标准值分别为fFtsk和fFtuk。根据结构裂缝宽度的线性几何关系,其承载力极限状态时的抗拉强度标准值为:wu———极限裂缝宽度，按设计的延性要求取值或按下式计算:wu=εFulcs式中:εFu———钢纤维混凝土极限拉应变，取为2%；lcs———构件特征长度，值为min（平均裂缝间距，中性轴到受拉侧表面的距离）。理论上讲，SFRC结构裂缝间距均小于钢纤维长度，设计时为安全起见，lcs可取为所使用钢纤维的长度。3）承载力极限抗拉强度设计值。由于钢纤维的性能参数受其空间分布的影响，其离散系数比普通混凝土略大，因此本课题钢纤维混凝土材料分项系数取为1.5（高于GB50010—2010中的1.4），其强度设计值按下式计算:
3.3SFRC抗压强度
从定性角度分析，虽然SFRC中钢纤维对混凝土受压时横向裂缝开展有延缓和抑制作用，但由于按弹性设计，因此塑后强度未予考虑；同时国外研究文献表明，钢纤维对混凝土弹性阶段的抗压强度影响有限，因此其受压力学响应采用和普通混凝土相同的本构关系模型，抗压强度值也采用同标号普通混凝土强度值。
4结语
钢纤维混凝土与普通混凝土相比，有以下物理优点:①强度和重量比值增大；②抗裂、抗弯、抗剪和防水性能提高，具有比普通混凝土更好的裂后强度和抗裂、抗疲劳性能；③具有卓越的抗冻融和抗疲劳性能，可在不同方向上约束冻融、碱胀引起的裂缝扩展和应力扩张；④具有较强的经济优势，可部分或全部取代普通钢筋混凝土管片中的钢筋，节约材料及人工费用。
参考文献:
[1]李悦.钢纤维长度与掺量对混凝土力学性能影响[J].混凝土,2017(7).
[2]于宁.盾构隧道预应力管片接头模型试验[J].地下工程学报,2010(6).
作者：李健 栗全旺 李德明 陈代秉 单位：青岛地铁一号线有限公司
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