随着高层建筑、大跨度结构需求量日渐增加，对混凝土性能要求进一步提高，**混凝土界提出关于钢纤维增强混凝土概念，也就是将钢纤维添加在水泥混凝土中，从而可将混凝土的承载力提高，钢纤维对混凝土强度提高作用显著，在工程中，钢纤维增强混凝土应用广泛。

在水泥基复合材料中，若加入高弹性模量的钢纤维，可对硬化材料开裂后的裂纹延伸加以抑制，从而使硬化材料开裂后，其还可维持**的抗拉能力，由于阻裂作用可将硬化材料的变形能力提高，在基体材料被损伤时，相应的扩展性也可维持，因此，钢纤维的阻裂作用与界面黏附能力、纤维弹性模量、本身抗拉能力等密切相关。

钢筋混凝土是在构筑物中植入**量钢筋，主要是使钢筋构件抗拉伸能力提高，以便增加钢筋抗弯强度、承载能力、抗折能力。

有限元模型建立

1.1材料性能

本研究试件属于三点弯曲构件，混凝土泊松比为0.16，密度为2395kg/m3，弹性模量为27.9GPa，试件尺寸为355mm×105mm×105mm；其中钢筋抗拉强度为3005MPa，弹模为202GPa，钢纤维直径大小为0.42mm，将钢纤维绞织为网格结构，并植于混凝土底部，混凝土梁具有较大自重以及混凝土间摩擦系数，根据实际工程，在计算模拟数值时需要对构件进行铰支座约束。

1.2有限元模拟计算

ANSYS软件属于一种显式非线性动力学分析有限元软件，通过数值运算可进行各种模压、高速碰撞、爆炸等大变形动力学问题的计算，经过几十年发展、扩充，ANSYS软件功能广泛应用于航天、汽车、电子等领域。

使用ANSYS软件求解步骤包括：首先进行前置处理，包括选项设置、单元类型选择、实常数和材料属性定义、定义接触面、建立实体模型、有限元网格划分等；其次是进行加载求解，包括对材料进行施加约束，进行载荷及边界条件的设置，对求解中的步长控制、求解时间等相关控制参数进行设置；**进行结果后处理，主要对运行结果进行应变、应力、时间、位移等后处理分析。

ABAQUS软件功能强大，适合工程模拟，其解决问题范围从简单线性分析到复杂非线性问题，可对钢筋混凝土等典型工程材料性能进行模拟，本研究是对钢筋混凝土、钢纤维混凝土进行模拟，在建立模型时，混凝土模型建立使用3D实体模型，实体采用Extrusion进行构建，在划分网格时，应力单元采用3Dstress；钢筋、钢纤维采用3Dstress应力单元，网格划分时使用实体单元，网格尺寸为10mm。

在ABAQUS中，可采用实体单元进行模拟，采用静态一般线性分析，即general、static来定义step1，本研究采用有限元方法计算分析三点弯钢筋混凝土、素混凝土、钢纤维混凝土受弯结构，建立钢筋混凝土、钢纤维混凝土试件A、钢纤维混凝土试件B、钢纤维混凝土试件C四个模型，表1为模型材料参数。

有限元主要针对处于弹性阶段未开裂混凝土进行仿真计算，拉应力是可以破坏混凝土构件的主要应力，混凝土抗拉强度为抗压强度的1/20~1/8，本研究混凝土试件极限承载能力约为10.5~16.5kN，在有限元计算中，对试件施加力控制为10.5kN内，在10.5kN载荷作用下，对构件各构件节点挠度、轴向应力进行对比分析，图1为构件在10.5kN作用下轴向应力云图。

可看出，在载荷作用下，试件钢筋、混凝土、钢纤维网格轴向应力分布图中，大部分区域的轴向受力为压应力，构件的底部中间区域受到拉应力，拉应力从两端向中间部位逐渐变大。

钢纤维混凝土与钢筋混凝土受弯构件力学性能有限元计算结果分析

在防护领域，高强混凝土材料应用前景非常广阔，弹丸对钢纤维高强混凝土板侵彻过程属于一个极短暂的高压力、大应变非线性问题，研究手段包括软件模拟、实际试验测试两种，随着有限元技术的进一步发展，用计算机相关软件进行侵彻过程的数值模拟，可获得弹丸侵彻速度变化规律、破坏过程、侵彻阻力等。

分析侵彻问题的重要方法是软件模拟，对于钢纤维混凝土抗侵彻分析主要集中在建立混凝土本构模型的、推导侵彻经验式，本研究采用ANSYS有限元软件，进行钢纤维高强混凝土勒板抗侵彻过程数值模拟。

2.1构件应力分析

通过图1的轴向应力分布图可知，混凝土大部分区域受压，混凝土底部中间附近区域为拉应力分布区域，本研究取试件底部混凝土中间位置在轴线方向节点、钢纤维混凝土中钢纤维在轴线方向节点、钢筋混凝土中钢筋在轴线方向节点，分析试件中间部分节点，相邻两节点间距离为1.1cm，选取结点为中间区域节点，方便直观观察试件受力情况，表2为10kN集中载荷作用下，试件各节点位置轴向应力。

由表2知，在10.5kN集中载荷作用下，试件钢纤维、钢筋加入后，试件各节点位置轴向应力得到有效降低，混凝土试件**节点轴向应力以及底部平均节点轴向应力在加入钢筋和钢纤维之后明显降低，与素混凝土试件相比，钢筋混凝土底部平均拉应力降低8.34%，**拉应力处拉应力降低12.91%，**拉应力、平均拉应力得到**程度的降低。

对于配筋率为0.09%钢纤维混凝土试件，其底部平均拉应力降低了10.89%，混凝土试件居中段所受**拉应力降低9.65%，**拉应力、平均拉应力有小幅度降低，配筋率为0.09%的钢纤维网格混凝土与钢筋混凝土在降低混凝土试件底部拉应力方面作用效果相差无几，试件**拉应力降低作用比钢筋混凝土略微低。

对于配筋率为0.18%钢纤维混凝土试件来说，与素混凝土相比，中间位置**拉应力处拉应力降低9.78%，底部平均拉应力降低12.0%，**拉应力、平均拉应力降低效果要比钢筋混凝土优，与钢筋混凝土相比，**拉应力降低效果提升49.74%，平均拉应力降低效果提升49.46%。

对于配筋率为0.36%钢纤维混凝土试件来说，相比素混凝土，混凝土试件中间位置**拉应力处拉应力降低12.87%，底部平均拉应力降低了14.36%，混凝土拉应力降低效果在钢纤维掺量提高时随之提高。

与钢筋混凝土相比，平均拉应力降低效果提升了54.32%，**拉应力降低效果提升幅度为49.44%，在钢材截面积相同条件下，对混凝土拉应力的降低效果来说，钢纤维网格混凝土比钢筋混凝土拉应力降低效果要高，钢纤维网格的使用有效降低了混凝土结构的平均拉应力，结构承载力随钢纤维掺量增加而提高。

2.2构件挠度分析

从图1试件Y轴位移云图可知，在Y轴方向（挠度方向），构件变形从两端向中间表现出递增趋势，为观察试件变形能力更直观，本研究取试件底部混凝土中间位置在轴线方向的节点，表3为在载荷10.5kN时，混凝土底部各节点Y轴方向位移。

由表3知，在混凝土中加入钢纤维可增强混凝土抗弯性能，从而将混凝土试件挠度有效地降低，构件在Y轴方向上变形、不同载荷作用下不同试件挠度变化基本一致，图2为不同载荷下混凝土结构位移对比。

由图2可知，钢纤维混凝土试件挠度相较于钢筋混凝土、素混凝土较低，在混凝土中，配制钢筋可以有效降低应力或弯拉变形而产生的挠度，钢纤维抗挠度变形效果要优于钢筋，结合表3、图2可知，与素混凝土相比，钢筋混凝土**挠度降低12.57%，平均节点挠度降低13.53%；对于配筋率为0.09%的钢纤维混凝土而言，平均节点挠度降低16.31%。

与钢筋混凝土相比，对节点挠度降低性能提高17.66%；与素混凝土相比，配筋率为0.09%的钢纤维混凝土**挠度降低17.63%，与钢筋混凝土相比，对节点挠度的降低作用提高13.57%；对于配筋率为0.18%钢纤维混凝土而言，平均节点挠度降低19.34%；与钢筋混凝土相比，对节点挠度降低性能提高26.84%。

对于配筋率为0.36%钢纤维混凝土而言，平均节点挠度降低了24.25%，与5根钢筋混凝土相比，对节点挠度降低性能提高30.50%，因此可知，截面尺寸相同的条件下，钢纤维增强混凝土相较于钢筋混凝土具有更有优良的抗变形能力，能够有效改善混凝土构件的局部抗拉性能。

2.3钢筋和钢纤维轴向应力分析

在集中荷载作用下，试件的大部分区受力性质为压应力，而底部中间位置则受拉应力作用，试验中受拉应力区域的拉应力主要由钢筋、混凝土共同承受，在混凝土Y轴向变形、轴向应力的情形下，解析试验中钢纤维、钢筋所受轴向应力，表4为载荷为10.5kN时钢材各节点轴向应力。

2.4不同角度钢纤维网格增强混凝土受弯构件应力分析

从力学性能方面分析，如果钢纤维纵横向分布位置不同，其在纵横方向的受力状态不同，所以当钢纤维网格夹角大小发生变化时其曾庆效果会随着角度变化而改变，基于此，本研究将钢纤维网格交织夹角分别设置为35°、50°、65°、90°，取试件底部混凝土中间位置在轴线方向节点进行分析，节点间距离为1.1cm，表5为不同钢纤维网格混凝土底部节点轴向应力。

2.5不同角度钢纤维网格增强混凝土受弯构件挠度分析

取试件底部混凝土中间位置在轴线方向节点，在10.5kN作用下，对不同节点的位移进行分析，表6为钢纤维网格混凝土底部节点Y轴向位移，由表6知，在10.5kN载荷作用下，90°钢纤维网格混凝各节点在Y轴方向具有**变形；35°钢纤维网格混凝各节点具有**变形；65°钢纤维混凝土变形比50°钢纤维网格混凝土微高。

结论

在载荷作用下，钢纤维网格轴向应力分布图中，大部分区域所受轴向应力是压应力，在构件的底部中间区域集中有拉应力，拉应力从中间部位向两端逐渐降低。

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