钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真

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高强混凝土层裂数值仿真

高强混凝土层裂数值仿真焦楚杰;权长青;张国强;吕卫国;胡蝶【摘要】为军事防护工程的安全合理设计提供关键的材料特性参数,研究高强混凝土(HSC)在冲击作用下的动态性能响应,采用软件LS-DYNA对C80级HSC在霍普金森压杆(HPB)装置上的冲击层裂过程进行数值仿真分析.仿真表明:应力波在混凝土试块的传播过程中,波形基本保持不变,且峰值震荡不明显;随着冲击速度的增大,混凝土试块的破坏越来越严重;横截面内层裂裂缝由试块表面向内部扩展.数值仿真结果与试验结果有较好的相似性,基本能够反映出HSC试块在HPB冲击层裂试验过程中的受力与破坏特征,由试验结果修正后的HJC本构参数可为后续HSC层裂性能的进一步研究提供参考.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2016(042)010【总页数】6页(P34-39)【关键词】高强混凝土(HSC);层裂;数值仿真;应力波【作者】焦楚杰;权长青;张国强;吕卫国;胡蝶【作者单位】广州大学土木工程学院,广东广州510006;广东石油化工学院,广东茂名525000;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学土木工程学院,广东广州510006【正文语种】中文武器与防护是矛与盾的博奕关系，常规高新技术武器的更新换代，促进了防护工程材料的快速发展。

高强混凝土（high strength concrete，HSC）是指强度等级C60或以上的混凝土，21世纪以来，在军事防护工程中得到了推广应用［1］。

防护工程首要考虑的荷载是爆炸冲击，其最基本的受力模式是动态压缩与拉伸。

人们对混凝土的冲击压缩研究众多［2-4］，冲击劈裂拉伸亦不少［5-6］，但层裂拉伸相对较少［7］。

Ross和Tedesco等［8］利用φ75mm的SHPB装置对混凝土进行冲击压缩试验，获得了较为理想的应力-应变曲线；Y Hao和H Hao［9］对钢纤维混凝土进行冲击压缩试验，发现钢纤维对动态抗压强度的增强效应显著；李为民和许金余等［10］对玄武岩纤维混凝土进行冲击压缩试验，发现纤维体积率越大，混凝土的抗冲击性能越差；Cadoni E［11］通过试验分析了应变率对混凝土断裂特性的影响，发现试块的抗拉强度、破坏应变、断裂能都随应变率的增加而显著提高；Ožbolt J和Sharma A等［12］通过SHPB试验发现超过临界应变率后混凝土试块的抗拉强度随应变率的增加大幅提高；Brara A和Klepaczko J R等［13］采用霍普金森压杆对C35级混凝土进行层裂试验，获得了层裂强度和断裂能；赖建中和孙伟［14］对活性粉末混凝土进行冲击层裂试验，发现随冲击次数和应变率的提高，材料的损伤程度、压缩波和拉伸波衰减增加；王志亮和李洋等［15］对C75级混凝土进行层裂试验，发现应变率为9～24s-1内，随应变率的增大，混凝土层裂强度线性提高。

钢纤维混凝土抗裂性能评价方法9篇

钢纤维混凝土抗裂性能评价方法9篇第1篇示例：钢纤维混凝土是一种新型的混凝土材料，其主要特点是在混凝土中掺入一定比例的钢纤维来增加混凝土的抗裂性能。

钢纤维混凝土相比传统混凝土具有更好的抗裂能力，可以有效控制混凝土在受力时的裂缝扩展，延长混凝土的使用寿命。

钢纤维混凝土的抗裂性能评价对于材料的研究和工程应用具有重要意义。

以下将介绍一种钢纤维混凝土抗裂性能评价方法：第一步：确定抗裂性能评价指标钢纤维混凝土的抗裂性能可以通过裂缝宽度、裂缝数量和裂缝分布等指标来评价。

根据具体的工程需求和混凝土的使用环境，可以确定评价指标的具体内容。

第二步：选择合适的试验方法常用的评价钢纤维混凝土抗裂性能的试验方法包括拉伸试验、弯曲试验和冲击试验等。

根据评价指标的不同，选择合适的试验方法来进行实验。

第三步：进行试验在进行试验时，首先需要准备试件，并严格按照相关标准和规范来进行试验。

在试验过程中要注意控制试验条件，确保试验结果的准确性和可靠性。

第四步：分析试验结果在试验完成后，需要对试验结果进行分析和评价。

根据评价指标的要求，对试验结果进行比对和统计，得出钢纤维混凝土的抗裂性能。

第五步：撰写评价报告根据试验结果撰写评价报告，对钢纤维混凝土的抗裂性能进行全面评价，并提出相关建议和改进措施。

钢纤维混凝土抗裂性能评价是一个复杂的过程，需要综合考虑材料的性能、试验方法的选择以及试验结果的分析等多个方面。

只有通过科学合理的评价方法，才能更好地发挥钢纤维混凝土的抗裂性能，提高混凝土结构的安全性和耐久性。

第2篇示例：钢纤维混凝土是一种利用钢纤维掺入混凝土中，以提高混凝土抗裂性能的新型材料。

它具有很高的韧性和抗拉强度，能够有效地抵抗混凝土开裂的问题，提高混凝土结构的耐久性和安全性。

为了评价钢纤维混凝土的抗裂性能，需要进行相应的测试和分析。

本文将介绍钢纤维混凝土抗裂性能的评价方法。

钢纤维混凝土的抗裂性能主要包括抗裂性能指标和评价方法。

抗裂性能指标包括静态抗裂性能、动态抗裂性能和疲劳抗裂性能等。

钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真

钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真焦楚杰;蒋国平;高乐【摘要】采用显式动力有限元软件LS-DYNA,对钢纤维高强混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程进行了数值仿真,混凝土和霍普金森压杆的本构关系分别采用弹塑性流体动力模型和虎克定律描述,钢纤维的增强与增韧作用则通过钢纤维高强混凝土强度与失效应变来体现.结果表明:试件内部应力趋近于均匀之前,经历了初始状态的应力震荡；试件的破坏稍微滞后于应力峰值；相同的冲击速度下,钢纤维高强混凝土试件各个时刻的破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件,当基体混凝土试件裂成多块时,钢纤维高强混凝土试件还基本保持整体.数值仿真结果与试验结果有较好的相似性,基本能够反映出试件受力与破坏的特征.%By explicit dynamic finite element software of LS -DYNA, the split hopkinson pressure bar (SHPB) impact experiment of steel fiber reinforced high strength concrete (SFRHSC) were numerically simulated. Elastic-plastic hydrodynamic model and Hooke's law were adopted to describe the constitutive relations of concrete and SHPB, respectively. The reinforcing and toughening effects of steel fiber on concrete were characterized by strength and failure strain of SFRHSC, respectively. The results show that internal stress of specimens oscillate initially before reaching stress equilibrium. Failure process of specimens are slightly delayed to their peak stress. The fracture of specimens matrix are more severe than that of SFRHSC specimens at any time. At the same impacting velocity, the cracks propagate in SFRHSC specimen with overall unchanged shape, while the specimens matrix are broken into many pieces. The numerical simulation results exhibite goodconsistency with those of experiment, and can basically reflect the characteristic of dynamic load and specimens failure during SHPB impact experiment.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】4页(P350-353)【关键词】钢纤维;高强混凝土;霍普金森压杆;冲击;数值仿真【作者】焦楚杰;蒋国平;高乐【作者单位】广州大学土木工程学院,广东广州510006;广州大学工程抗震中心,广东广州510405;广州大学土木工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TU377钢纤维高强混凝土(steel fiber reinforced high strength concrete，SFRHSC)是优异的防护工程材料［1-3］，其推广应用对加强我国军事防御力量具有极其迫切的必要性.目前有关该材料的抗冲击性能研究已成为国内外军事研究的热点，研究内容主要从真实的武器冲击试验、实验室模型冲击试验和数值仿真试验等三方面着手.武器试验耗资巨大，模型试验则难以观测到冲击瞬态过程中的试件内部裂缝产生与扩展等现象，数值仿真试验则可详细地了解试验过程中试件内部各瞬时的受力、变形等实验室无法观察到的现象［4］，可为前两者实物试验提供重要的验证与分析.本研究拟采用有限元软件LS-DYNA，对钢纤维高强混凝土在分离式霍普金森压杆(split hopkinson press bar，SHPB)试验中的抗冲击性能进行数值仿真.1 模拟对象材料抗冲击性能试验常采用SHPB装置(见图1).子弹、入射杆及透射杆为钢质材料，长度分别为0.3，3.5，2.0 m，半导体应变片贴于入射杆及透射杆中部，与试件距离均为1 m.图1 SHPB装置示意图通过专业程序处理［5］，可得出试件在冲击过程中的应变率与应力-应变曲线.本研究采用LS-DYNA软件对3种子弹速度冲击下的SFRHSC破坏过程进行数值模拟，子弹速度分别为10，15，20 m·s-1.2 数值仿真方法2.1 混凝土和钢的物质性能描述正确模拟材料的抗冲击性能，必须有描述介质的本构方程.2.1.1 混凝土的物质性能混凝土的本构关系采用弹塑性流体动力模型［6］.应力-应变关系如图2所示.图2中β为硬化参数，当β=0时为随动硬化;当β=1时为等向硬化;当0＜β＜1时为混合硬化.图2 弹塑性流体动力模型屈服函数为式中:Sij为应力偏量，可为应力张量中扣除σm的静水应力部分;σm为3个正应力的平均值［7］.屈服强度为σy=σ0+f n(εpeff)+(a1+a2 p)max(0，p)，(2)式中:σ0为初始屈服强度;εpeff为等效塑性应变;a1，a2为相应参数;p为压力.硬化函数为塑性模量为等效塑性应变为2.1.2 钢的物质性能SHPB试验中，霍普金森压杆的正常工作状态是线弹性状态［8］，故钢杆本构关系符合虎克定律:式中E0为钢的弹性模量.2.2 建模与材料性能参数混凝土试件单元划分如图3所示.SHPB杆截面划分与混凝土试件相同，长度方向网格间距适当增大，试件附近的局部网格剖分如图4所示.试样和压杆之间的接触类型选择侵蚀面接触.采用最大应变破坏准则，混凝土单元达到失效应变时被清除.冲击试验表明，当混凝土应变处于应力-应变全曲线的下降段时，混凝土试件出现破坏.但考虑到混凝土应力-应变曲线下降段的离散性较大，本研究取每种材料平均的峰值应变作为失效应变.SHPB杆主要参数:弹性模量E0=200 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg·m-3;混凝土主要参数:密度ρ=2 500 kg·m-3，强度、弹性模量等参数如表1所示.表1中 C100V0，C100V2和 C100V3表示基体强度为C100，钢纤维体积分数分别为0，2%和3%.混凝土本构曲线采用实测的应力-应变曲线［9］.表1 钢纤维高强混凝土的主要参数试件立方抗压强度/MPa轴心抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比峰值应变C100V0118.2 93.4 45.1 0.239 8 0.001 5C100V2 138.2 122.1 48.9 0.227 2 0.003 1 C100V3154.3 132.7 51.1 0.220 4 0.004 03 SFRHSC抗冲击性能仿真结果图5为试件破坏后的实物图与模拟图，由图可知，模拟破坏结果与实际破坏结果有一定相似性.图5 C100V0试验与模拟破坏结果(v=15 m·s-1)图6是模拟子弹打击速度v=20 m·s-1时，C100V0和C100V2试件内部应力变化情况.由图6可知:对于C100V0试件，0.55 ms时刻应力首次达到峰值，但随即下降，在接下来的0.062 ms内，经历了3次起伏后，出现一个暂时稳定的应力平台;对于C100V2试件，在0.57 ms时达到应力峰值，在0.08 ms内经历了大约3次起伏后近似稳定.这反映出了试件内部应力趋近于均匀之前，经历了初始状态的应力震荡.初始状态的应力不均匀性是造成试验结果误差的原因之一.图6 试件内部应力变化过程子弹打击速度v=20 m·s-1时，C100V2和C100V0的破坏过程分别如图7，8所示.将图6的应力峰值时刻与图7，8的试件破坏现象对比，可看出试件的破坏与试件应力峰值并不同步.0.57～0.67 ms时，C100V0应力处于峰值或在峰值点附近波动，但0.65 ms时试件稍有破坏，0.75 ms时破坏加剧，0.85 ms时还有碎裂块飞溅.C100V2也有同样的破坏晚于应力峰值现象.可见冲击试验过程中，试件的破坏稍微滞后于应力峰值，这是因为数值模拟过程中，试件的破坏程度取决于其强度，破坏速度则取决于其失效应变.由图7，图8可知，在子弹打击速度v=20 m·s-1的冲击试验过程中，SFRHSC试件的破坏是从周边脱落开始，并逐步发展到试件中间.数值模拟也在一定程度上反映了SFRHSC优于基体混凝土的抗冲击性能.两图中，相同冲击速度下，C100V2各时刻破坏程度轻于C100V0，C100V0裂成多块时，C100V2还基本保持整体.4 结论1)数值仿真结果与试验结果有较好相似性，基本能反映试件受力与破坏特征，具有一定可信度.说明所选本构关系、接触类型与破坏准则等较合理.2)SHPB冲击试验仿真表明，SHPB冲击试验过程中，试件内部应力波经历了多次来回震荡后近似稳定，反映了试件内部应力趋近于均匀之前，经历了初始状态的应力震荡，初始状态应力不均匀性是造成试验结果误差原因之一.3)SHPB冲击试验中的试件破坏过程数值仿真表明:试件的破坏稍滞后于应力峰值;试件的破坏是从周边脱落开始，并逐步发展到试件中间;该数值仿真在一定程度上也反映了SFRHSC优异的抗冲击性能.相同冲击速度下，SFRHSC试件各个时刻破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件，当基体混凝土试件裂成多块时，SFRHSC试件还基本保持整体.参考文献(References)【相关文献】［1］焦楚杰，孙伟，高培正.钢纤维高强混凝土抗爆炸研究［J］. 工程力学，2008，25(3):158-166.Jiao Chujie，Sun Wei，Gao Peizheng.Study on steel fiber reinforced high strength concrete subject to blast loading［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):158-166.(in Chinese)［2］ Song PS，Wu JC，Hwang S，et al.Assessment of statistical variations in impact resistance of high-strength concrete and high-strength steel fiber-reinforced concrete ［J］.Cement and Concrete Research，2005，35(2):393-399.［3］ Khaled M，Özgür E，TahirÇ.Relationship between impact energy and compressiontoughness energy of high strength fiber-reinforced concrete［J］.Materials Letters，2001，47(4/5):297-304.［4］李楠，李建康.高强钢薄壁管梁结构轴向冲击性能的数值分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2010，31(2):174-178.Li Nan，Li Jiankang.Numerical analysis on axial crash performance of thin-walled high strength steel column structures［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2010，31(2):174-178.(in Chinese)［5］ Zhu Jue，Hu Shisheng，Wang Lili.An analysis of stress uniformity for concrete-like specimens during SHPB tests［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36(1):61-72.［6］ Teng Tso-Liang，Chu Yi-An，Chang Fwu-An，et al.Development and validation of numerical model of steel fiber reinforced concrete for high-velocity impact［J］.Computational Materials Science，2008，42(1):90-99.［7］夏志皋.塑性力学［M］.南京:河海大学出版社，1998.［8］ LiQ M，Lu Y B，Meng H.Further investigation on the dynamic compressive strength enhancement of concrete like materials based on split Hopkinson pressure bar tests，Part II:Numerical simulations［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36(12):1335-1345.［9］焦楚杰.高与超高性能钢纤维砼抗冲击与抗爆研究［D］.南京:东南大学材料科学与工程学院，2004.。

钢纤维混凝土板抗爆数值模拟

维普资讯
第８第５卷期２０年ｌ０７０月
解放军理工大学学报（然科学版）自
ＪｕｎｌｏＬＡｎｖｒｉｙｏｃｅｃｎｃｎｌｇｏｒａｆＰＵｉｅｓｔｆＳｉｎｅａｄＴｅｈｏｏｙ
折合距离、板厚均对板中心的位移有较大的影响。研究成果可以对防护结构的设计提供理论参考。
关键词：钢纤维混凝土；炸荷载；合距离；伤；变率效应爆折损应
中图分类号：Ｕ３５２Ｔ７．文献标识码：Ａ
Ｖｏ．．１８Ｎｏ５Ｏｃ．０７ｔ２０
文章编号：１０ —０ — ５００
钢纤维混凝土板抗爆数值模拟
杨青顺，魏雪英，赵均海，贾萍
（安大学建筑工程学院，西西安７０６）长陕１０１
ｎｓｆｈＳＣｌｂｎｔｅｄｎｍｉｅｐｎｅｆｓａｗｅｅｉｖｓｉａｅｎｉｃｓｅ．ＴｈｏｎｅｓｏｔｅＦｓａｏｈｙａｃｓｏｓｓｏｌｂｒｒｎｅｔｔｄａｄｄｓｕｓｄｇｅＪｈ－
Ｎｍｅｉａｓｍｕａｉｎｏｔｅ－ｉｅｏｃｅｅｓａｕｊｃｅｏｂａｔｇｌａｕｒｌｉｌｔｆｅｌｂｒｎｒｔｌｂｓｂｅｔｄｔｌｓｉｄｃｏｓｆｃｎｏ
ＹＡＮＧｎ —ｈｎ，ｗｕ — ｉｇ，ＺＨＡＯｕ — ａ，ＪＩＰｉｇＱｉｇｓｕＥＩＸｅｙｎＪｎｈｉＡｎ

钢纤维混凝土冲击性能的有限元研究

第39卷第2期2021年3月佛山科学技术学院学报（自然科学版）Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition）Vol.39No.2Mar.2021文章编号：1008-0171（2021）02-0069-07钢纤维混凝土冲击性能的有限元研究徐佳兴，王英涛笃鲁志雄，雷元新(佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000)摘要：为研究钢纤维混凝土在不同应变率冲击作用下的力学性能，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构对SHPB实验进行模拟研究，通过与实验研究结果对比得出，数值模拟得出的应力波图和应力-应变曲线图与实验结果吻合度较好，且峰值应力误差不超过3.68%。

同时对试件承载过程分析表明：当应变率为64s-1和114s-1时，试件单元的剥离是由外圈过度至芯部，并且114s-1条件下达到同等损伤程度要比前者快0.1ms左右。

关键词：钢纤维混凝土;数值模拟；峰值应力中图分类号:TU528.572汀U377文献标志码:A钢纤维混凝土凭借其良好的力学性能成为当下研究的热点课题。

在静力学方面，牛龙龙皿、陈从春2〕和FANG［3］等对多种体积参量的钢纤维混凝土进行了实验研究，结果表明钢纤维的掺入对强度均有增强作用的结论，而且能改变混凝土的失效模式。

在对钢纤维混凝土冲击动力性能的研究上也有较多探索。

巫绪涛等⑷利用大直径SHPB装置对不同体积分数的钢纤维高强混凝土进行了4种应变率下的冲击压缩实验，发现随着应变率增大,应变率效应逐渐减弱。

杨惠贤等冈对纤维总体积参量为2%的PVA/钢混合纤维水泥基复合材料进行了冲击实验,发现本构曲线的应变硬化现象随钢纤维含量增加而更加突显。

焦楚杰等固对钢纤维混凝土进行了冲击劈裂实验，发现钢纤维混凝土韧性和耗能能力随钢纤维含量的提高而增强。

实验研究虽然能得出确信的实验数据，但需耗费大量资源且无法穷尽各种可能。

弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟

C AM E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n文章编号:1009-3443(2005)05-0459-05弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟纪　冲,　龙　源,　万文乾(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)摘　要:为了对弹丸侵彻钢纤维混凝土问题进行数值模拟研究,在有限元计算中引入了Holmquist-Johnson-Co ok 累积损伤材料模型以描述钢纤维混凝土的非线性变形及断裂特性,弹丸作为刚体处理。

侵彻深度计算结果与在 14.5m m 弹道炮上所获得的试验结果相吻合,并很好地模拟了在侵彻过程中钢纤维混凝土靶的成坑、层裂现象。

在此基础上分析了钢纤维混凝土这种新型复合材料抗侵彻性能的影响因素。

计算结果表明,HJC 本构模型用来描述钢纤维混凝土的侵彻问题是可行和有效的。

关键词:钢纤维混凝土;侵彻;数值模拟;侵彻深度;韧度中图分类号:O 385;E 932.2文献标识码:ANumerical simu lation of projectile penetrating intosteel fiber reinforced concreteJ I Chong ,　LON G Yuan ,　W AN Wen -qian(Enginee ring Institute o f Co rps of Engineers,P L A U niv.of Sci.&T ech.,N anjing 210007,China)Abstract :Kinetic energ y projectile penetra ting into steel fiber reinfo rced co ncrete (SFRC )target w as simulated by the finite element metho d,w here the pro jectile w as considered to be rigid.To describe nonlinear deforma tio n and fracture cha racteristics o f SFRC ,Holmquist -Johnso n -Cook constitutiv e rela tions and damage model w ere incorporated into com putatio ns.The num erical results o f penetration depth w ere in goo d ag reem ent w ith recent ex perimental results obtained fro m 14.5mm gun.The crater fo rm atio n ,spall o f SFRC target in the process o f penetra tion w ere simula ted v ery w ell .The influence facto rs of anti -penetra tio n properties o f SFRC w ere studied .The feasibility and v alidity of applying the H JC concrete model to simulating such pro blem as penetratio n in SFRC w ere co nfirmed.Key words :SFRC (steel fiber reinfo rced concrete);penetration;numerical simulatio n;penetratio n depth;toughness index 收稿日期:2005-01-26.基金项目:北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金资助项目(KFJJ 03-5).作者简介:纪　冲(1981-),男,博士生.联系人:龙　源,教授,博士生导师;研究方向:爆破器材及爆炸作用;E-mail :Long -yuan @s oh . 钢纤维混凝土SFRC (steel fiber reinfo rced concrete)是在素混凝土中掺入乱向分布的钢纤维后所形成的一种新型多相复合材料。

钢纤维混凝土桥墩抗震性能数值模拟与试验

加，桥墩试件的抗震性能增强；在桥墩局部采用钢纤维混凝土，可达到与整体采用钢纤维混凝土相近的抗震能力．关键词：钢纤维；桥墩；抗震能力；拟静力试验；数值模拟
中图分类号：Ｕ４４８．３８文献标志码：Ａ
桥墩作为将桥梁上部结构传来的各种荷载可靠地传递给基础的重要构件，其抗震设计的优劣关系到整个桥梁结构的抗震性能．在以往桥梁地震震害
峡桥Ｌ２］，以及２００８年汶川地震中的百花大桥＿３等．
Ｊｕｎ．２０１３
文章编号：０２５３．３７４Ｘ（２０１３）Ｏ６ — ０８１３ — ０８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３ — ３７４ｘ．２０１３．０６．００３
中，有很多震害是由于墩柱抗震设计不足引起的，如１９８９年ＬｏｍａＰｒｉｅｔａ地震中的Ｃｙｐｒｅｓｓ高架桥ｊ，１９９４年Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ地震中的ＢｕｌｌＣｒｅｅｋＣａｎｙｏｎ海
第４１卷第６期２０１３年６月
同济大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＡＩＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖｏ１．４１Ｎｏ．６

地下超高性能钢纤维混凝土隧道衬砌抗爆性能模拟研究

地下超高性能钢纤维混凝土隧道衬砌抗爆性能模拟研究*0 引言近些年来，随着国内外恐袭形势的不断加剧及生产生活中意外爆炸事故频发，工程结构抗爆防护已逐渐成为国内外学术界研究热点之一[1-4]。

地下隧道结构是生命线工程及防护工程的重要结构之一，因此国内外众多学者对隧道结构抗爆开展了广泛研究。

国内，张小勇等采用AUTODYN 软件研究了不同炸药量、衬砌配筋率及地质条件等对隧道衬砌结构抗爆性能的影响[5]；李忠献等应用有限元与无穷元相耦合的方法分析了爆炸超压、隧道埋深、间距以及土质条件对隧道衬砌应力场的影响[6]；刘沐宇等以武汉长江隧道为依托，运用LS-DYNA 软件对盾构隧道行车道板上不同孔径炸药的爆炸工况进行模拟[7]，探明了隧道衬砌结构的动力响应规律，并给出了其最易破坏的位置。

国外，Drake 等利用简化弹簧支撑衬砌结构模拟分析了地下结构物在内部爆炸荷载下的动力特性[8]；Saiang等对浅埋隧道中爆炸受损围岩的影响进行了数值模拟，指出爆炸受损区域不影响隧道的边界应力和地面变形[9]；Liu等以纽约地铁系统为背景，采用ABAQUS软件研究了炸药当量、土体刚度及强度等因素对爆炸作用下地铁隧道结构动力响应的影响[10]；Li 等利用LS-DYNA 模拟爆炸作用下邻近隧道的动力响应，分析了隧道墙壁的应力分布，研究得到了考虑质点峰值速度(PPV)预测地下隧道应力分布的理论方法[11]。

上述研究主要针对普通钢筋混凝土隧道衬砌，而目前针对超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRC)衬砌隧道抗爆性能的研究十分有限。

本课题组研发了一种超高性能钢纤维混凝土[12]，其具有很高的抗拉、抗压强度及韧性。

在此基础上，本文利用LS-DYNA软件，对超高性能钢纤维混凝土地下隧道衬砌的抗爆性能进行数值模拟，并开展了参数分析，以期能够为此类结构抗爆设计提供理论参考。

1 计算模型与参数1.1 计算模型建立了地下UHPSFRC隧道衬砌在内部爆炸荷载作用下的三维有限元模型，主要由炸药、空气、衬砌和土体四部分组成，其中炸药、土体和空气采用Euler网格，衬砌采用拉格朗日网格，衬砌、空气和土体之间的相互作用采用流固耦合算法进行处理[13],有限元单元使用多物质ALE算法，TNT炸药采用中心起爆方式。

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（ＨＢ）ｉｐｃｅｐｒｅｔｆｓｅｆｅｉｏｃｄｈｇｔｎｔｏｃｅ（ＦＨＣ）ｗｒｎｍｅｃｌＳＰｍａｔｘｅｉｎｅｌｂｒｒｎｒｅｉｓｅｇｃｎｒｔＳＲＳｍｏｔｉｅｆｈｒｈｅｅｅｕｒａｙｉｌ１＿＿Ｊ
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的相似性，基本能够反映出试件受力与破坏的特征．
关键词：钢纤维；高强混凝土；霍普金森压杆；冲击；数值仿真
中图分类号：Ｕ７Ｔ３７文献标志码：Ａ文章编号：６１７７（０２００５０１７ — ７５２１）３— ３０— ４
ＪａｈｊＪａｇＧｏｉａｅｉｏＣｕｅ，ｉｎｕｐｎ，ＧｏＬｉｇ
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Ｃｎｅ，ＧａｇｈｕＵｉｅｓｙｕｎｚｏ，ｕｎｄｎ１４５ｈｎ）ｅｔｒｕｎｚｏｎｖｒｉ，ＧａｇｈｕＧａｇｏｇ００，Ｃｉａｔ５
～第．～３３期
Ａｂｓｒｃｔａｔ：ＢｙｅｐｉｉｄｎｍｉｎｔｌｍｅｔｓｆｒｆＬＳ — ＤＹＮＡ，ｔｅｓｌｏｉｏｒｓｕｅｂａｘｌｔｙａｃｆｉｅｅｅｎｏｔｅｏｃｉｗａｈｐｉｈｐｋｎｓｎｐｅｓｒｒｔ
钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真
焦楚杰，蒋国平，高乐
（广州大学土木工程学院１０６；．广东广州５００）１４５
摘要：采用显式动力有限元软件ＬＳ—ＤＮ对钢纤维高强混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程ＹＡ，进行了数值仿真，混凝土和霍普金森压杆的本构关系分别采用弹塑性流体动力模型和虎克定律描
述，纤维的增强与增韧作用则通过钢纤维高强混凝土强度与失效应变来体现．果表明：件内钢结试
部应力趋近于均匀之前，经历了初始状态的应力震荡；试件的破坏稍微滞后于应力峰值；同的冲相
击速度下，纤维高强混凝土试件各个时刻的破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件，钢当基体混凝土试件裂成多块时，纤维高强混凝土试件还基本保持整体．钢数值仿真结果与试验结果有较好
Ｉ—
Ｉ３第３卷
ＬＶ１３ｌｏ３．
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