SFRC T梁ANSYS仿真与实验对比

孙敏等人 | Advances in Civil Engineering 2017 | DOI: 10.1155/2017/2721356

一、研究背景

T型梁广泛应用于中国公路桥梁，但普通混凝土存在强度低、延性差、冲击荷载下脆性破坏等问题。钢纤维掺入可有效抑制裂缝扩展、提升抗弯抗剪性能。苏州科技大学孙敏课题组联合马里兰大学，针对钢纤维混凝土（SFRC）T型梁，设计3根试验梁（钢纤维体积率0%、1.5%、2.0%），通过两点加载试验与ANSYS有限元仿真，系统分析了钢纤维掺量对整体刚度、极限抗剪承载力及裂缝分布特征的影响，验证了ANSYS模拟SFRC T型梁的可靠性。

图1 ANSYS实体模型（T型梁1/2对称模型）（复现结果）

图2 钢筋单元模型（HRB335纵筋+HPB235箍筋）（复现结果）

图3 有限元网格划分（Solid 65混凝土+弹性垫块）（复现结果）

二、仿真步骤

试验采用3根3m长T型梁，配筋为HRB335受拉纵筋与HPB235受压筋，配箍率0.48%。钢纤维采用苏州龙宇波形钢纤维（抗拉强度792MPa、长30.18mm、当量直径0.91mm、长径比33）。加载方式为两点对称加载，剪跨比2.0，荷载分级施加，持荷15分钟。有限元仿真采用ANSYS分离式建模，混凝土用Solid 65单元模拟，钢筋用Pipe 59单元，忽略钢纤维与混凝土间的粘结滑移。建立1/2对称模型以节省计算时间，加载点与支座处设置弹性垫块消除应力集中。钢筋本构采用BISO双线性随动强化模型，混凝土受压本构采用过镇海模型，SFRC本构在普通混凝土基础上引入钢纤维特征参数修正，裂缝模拟采用弥散裂缝模型。

图4 1号梁（普通混凝土）裂缝试验与仿真对比（复现结果）

图5 2号梁（钢纤维1.5%）裂缝试验与仿真对比（复现结果）

图6 3号梁（钢纤维2.0%）裂缝试验与仿真对比（复现结果）

三、关键结果与发现

试验与ANSYS仿真对比表明，荷载-位移曲线吻合良好。1号梁（普通混凝土）开裂荷载200kN、极限荷载830kN；2号梁（钢纤维1.5%）开裂荷载400kN、极限荷载1150kN，较普通混凝土提高38.6%；3号梁（钢纤维2.0%）开裂荷载300kN、极限荷载超1200kN。钢纤维掺入使弹性阶段和非弹性阶段的刚度显著增大，刚度退化速率减缓。裂缝分布方面，普通混凝土梁主裂缝间距小、发展快；SFRC梁裂缝更均匀弥散，主裂缝扩展角增大，抗弯裂能力显著提升。同等荷载下，3号梁裂缝宽度小于2号梁，表明钢纤维体积率在2%以内越高，抗裂效果越优。ANSYS弥散裂缝模型可有效预测裂缝趋势和分布区域，与试验裂缝图高度吻合。

图7 ANSYS仿真荷载-位移曲线（1-3号梁对比）（复现结果）

四、我们提供的服务

我们可提供以下有限元仿真分析与定制服务：①基于ANSYS的钢筋混凝土/SFRC结构非线性仿真，含Solid 65+分离式建模与多本构耦合；②钢纤维混凝土力学参数标定与本构模型修正；③T型梁/箱梁抗剪性能与裂缝演化分析，含弥散裂缝模型应用；④实验-仿真对比验证与承载力/刚度退化曲线的回归拟合；⑤配筋率/剪跨比/纤维掺量的多参数化有限元参量优化与设计建议。

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