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钢纤维混凝土力学性能和抗侵彻机理研究

刘永胜  
【摘要】:钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforce Concrete简称SFRC)是由细骨料、粗骨料、水泥以及乱向分布的钢纤维组成的一种多相非均质复合材料。由于钢纤维的阻裂、增强效应,使得钢纤维混凝土具有非常优越的力学性能和抗侵彻性能,从而在防护工程中得到了日益广泛的应用。本文采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法对钢纤维混凝土的力学性能和抗侵彻机理进行了研究。 本文首先介绍了钢纤维对混凝土的增强机理。根据钢纤维混凝土实验应力应变曲线的基本特性,从微裂纹、微孔隙的生成和发展的角度出发,将混凝土的损伤演化过程分为预存微裂纹阶段、微裂纹的起裂阶段、微裂纹的稳定扩展阶段和不稳定扩展阶段,针对不同的阶段分析了钢纤维对混凝土的增强原理。并从复合材料力学、断裂力学、界面力学的观点出发,阐述了钢纤维混凝土的增强、增韧机理。 接着我们对钢纤维混凝土开展了动静态力学性能实验。实验表明钢纤维混凝土是一种应变率敏感材料,具有明显的应变率增强和纤维增强增韧效应。在实验应力应变曲线的基础上,分析了钢纤维含量和应变率对材料强度及材料力学行为的影响,并提出了一种包含材料纤维增强效应和应变率增强效应在内的含损伤本构关系。 侵彻实验是研究材料抗侵彻性能最基本的手段之一。本文利用口径为37mm的滑膛炮对钢纤维体积含量为0.0%、3.0%、6.0%的钢纤维混凝土靶板开展了侵彻实验。实验测得了侵彻弹的剩余速度,观察到不同钢纤维含量靶板的破坏形态。侵彻实验表明钢纤维混凝土具有很好的抗侵彻性能,其抗侵彻能随着钢纤维含量的提高而提高。 基于空腔膨胀理论,对球头杆弹侵彻钢纤维混凝土靶板进行了工程近似分析。通过土盘模型和浮动锁应变假定,采用HJC(Holmquist-Johnson-cook)本构模型,求解了刚性杆弹侵彻混凝土靶的动力学方程,由于HJC的强度模型中考虑了钢纤维体积含量、静水压效应和应变率效应,状态方程采用了分段式体积压缩关系,因此计算结果与实验结果吻合较好,同时还讨论了初始弹速、钢纤维含量等参数对侵彻深度的影响。


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