玄武岩纤维和聚丙烯纤维混凝土抗冲击性能研究与数值分析

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人防工程作为城市中重要的防护结构,对于提升城市保障能力具有重要意义。人防工程主要为地下工程,除了承受土压力等静荷载作用外,主要用于抵抗战时受到的冲击、爆炸等动态荷载。目前,修建人防工程的主要材料为混凝土,具有抗压性能优越、抗拉性能差、易开裂等特点,在一定程度上影响了人防工程的整体抗力。纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete,简称FRC)作为近年来新出现的一种材料,纤维依靠自身优异的力学性能掺入到混凝土基体中,在混凝土基体中发挥填充效应,使混凝土的抗拉性能得到了明显改善,有效抑制了混凝土的开裂。因此,为了提高人防工程抗冲击、抗爆炸能力,开展在人防工程中研究应用纤维混凝土,开展纤维混凝土的静力和动态冲击荷载研究对人防工程的进一步发展具有促进作用。本文以人防工程为背景,采用试验方法开展了玄武岩纤维(Basalt Fiber,简称BF)和聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber,简称PPF)对城市结建人防工程防空地下室中的一般人防工程所用混凝土(C40)和重要人防工程所用混凝土(C60)在静力和动态荷载作用下的力学性能进行研究,并采用ANSYS有限元进行两种不同强度的纤维混凝土剪力墙与素混凝土墙进行摆锤有限元模拟对比分析。主要研究内容如下:(1)对青岛市人防工程的服役环境进行了调研。青岛市地处黄海之滨,受海洋环境影响较大,鉴于海洋环境中氯离子对钢纤维(Steel Fiber,简称SF)具有强烈的腐蚀性,因此,本文选择耐腐蚀性能好的玄武岩纤维和聚丙烯纤维作为加强材料,并针对两种不同强度的混凝土选择合适掺量的纤维,使混凝土的力学性能达到最优。(2)开展了BFRC和PPFRC的力学性能试验研究,试验结果表明:BF和PPF的掺量对C40混凝土与C60混凝土的力学性能具有较大影响。对C40混凝土,在玄武岩纤维的掺量为0.1%(简称BFRC-0.1%)时,抗压强度损失率为8.37%,PPFRC-0.3%时,抗压强度增加了7.49%;劈裂抗拉强度最佳掺量是在BFRC-0.1%或PPFRC-0.3%时,抗折强度最优掺量为BFRC-0.3%或者PPFRC-0.5%时。对C60混凝土,BF和PPF的掺量为0.3%时,抗压强度最高。BFRC-0.1%和PPFRC-0.3%的劈裂抗拉强度提高最突出。两种纤维掺量在0.5时,对C60混凝土的抗折强度提高最多。(3)采用霍普金森压杆装置对BFRC试件和PPFRC试件进行冲击压缩试验,确定试件在不同冲击气压下的应变率范围。试验结果表明:纤维混凝土试件破坏后的碎块直径尺寸大于素混凝土,掺量为0.5%的玄武岩纤维混凝土更适用于在人防工程防空地下室取代一般人防工程中混凝土(C40)以抵御冲击动荷载,掺量为0.5%的聚丙烯纤维混凝土更适用于在人防工程防空地下室取代重要人防工程中混凝土(C60)以抵御冲击动荷载。(4)利用有限元ANSYS/LS-DYNA软件,对纤维混凝土剪力墙和素混凝土墙进行摆锤冲击有限元模拟。选用掺入0.5%的玄武岩纤维的C40混凝土墙、掺入0.5%的聚丙烯纤维的C60混凝土墙。通过与素混凝土墙对比损伤图、冲击力、冲击能量以及位移变化,验证了纤维作为增强材料可应用于实际人防工程中的可靠性。
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