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在混凝土中添加鋼纖維可以明顯提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、阻比裂紋出現(xiàn)和開(kāi)展從而提高混凝土的承載力及延性和韌性，因此在實(shí)際工程中鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)在材料方面包括混凝土、普通鋼筋、鋼纖維，有時(shí)還包括預(yù)應(yīng)力鋼筋。鋼纖維的類(lèi)型與含量、預(yù)應(yīng)力度、混凝土的強(qiáng)度及普通鋼筋的含量等因素對(duì)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、破壞型態(tài)、延性及抗震性能都會(huì)產(chǎn)生影響，如果僅僅通過(guò)試驗(yàn)手段來(lái)分析各影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響需要花費(fèi)大量的人力物力及時(shí)問(wèn)。用有限元分析的方法可以有效地分析各影響因素的影響大小，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行全過(guò)程分析，然后對(duì)各影響因素進(jìn)行優(yōu)化，是對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)有效的補(bǔ)充。
鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析要解決兩個(gè)方面的主要問(wèn)題：一方面是鋼纖維混凝土密肋復(fù)合樓蓋體系涉及的材料包括混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼纖維等，確定各材料的本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則等是有限元分析的基礎(chǔ)；另一方面由于鋼纖維在混凝土中是亂向分布的，要想精確地建立鋼纖維混凝土的模型是不可能的，因此考慮鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響及對(duì)裂縫的阻裂作用，建立適宜的鋼纖維混凝土精細(xì)化有限元分析模型，既能反映鋼纖維的作用又兼顧計(jì)算成本是解決本分析的關(guān)鍵難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析進(jìn)行了一些研究，這些研究主要是考慮鋼纖維對(duì)混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析，本研究以鋼纖維對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響為基礎(chǔ)，對(duì)鋼纖維混凝土有限元分析中的材料模型、有限元模型及鋼纖維的處理方法等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。此外，將采用本研究方法所得的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較以驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)受力性能的研究提供一定的參考。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了大量研究，也提出了一些本構(gòu)關(guān)系。但是由于鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系與混凝土的強(qiáng)度及鋼纖維的類(lèi)型都有關(guān)系，而且限于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)水平，目前還沒(méi)有一個(gè)比較統(tǒng)一的鋼纖維混凝土本構(gòu)關(guān)系模型，本研究介紹兩種普通強(qiáng)度的鋼纖維混凝土和高強(qiáng)度的鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系式。
用有限元對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，其模型主要有分離式模型、整體式模型和組合式模型3種。分離式模型是將鋼筋和混凝土作為兩種不同的材料和單元分別處理。在分析過(guò)程中混凝土單元?jiǎng)偠染仃嘯K]和鋼筋單元?jiǎng)偠染仃嘯K]分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣為這兩個(gè)剛度矩陣之和。這種分析方法的優(yōu)點(diǎn)是可按照實(shí)際配置鋼筋的位置和數(shù)量來(lái)劃分單元，分析模型比較符合實(shí)際情況，還可以通過(guò)在鋼筋與混凝土之間嵌入彈簧的方法來(lái)考慮鋼筋與混凝土之間的薪結(jié)與滑移，也能分析各處鋼筋實(shí)際應(yīng)力。缺點(diǎn)是當(dāng)配筋量比較大并且復(fù)雜時(shí)，建模的工作量較大。
整體式模型不把混凝土和鋼筋當(dāng)做兩種材料來(lái)分析，而是把鋼筋離散到混凝土單元中，并把單元作為連續(xù)均勻材料來(lái)求單元?jiǎng)偠染仃�。與分離式不同，其剛度矩陣[K]·是綜合了混凝土和鋼筋的單元矩陣，不再分別計(jì)算[K]和[K]。此模型的優(yōu)點(diǎn)是建模簡(jiǎn)單，單元?jiǎng)澐稚�，�?jì)算量小，特別對(duì)配筋比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)較適合，所以目前在土木工程結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用較廣泛。但其缺點(diǎn)是只能求得鋼筋所在單元中的平均應(yīng)力，不能精確確定各鋼筋的實(shí)際應(yīng)力，也不能考慮鋼筋與混凝土問(wèn)的薪結(jié)和滑移的影響，因此其適用于鋼筋與混凝土薪結(jié)較好的情況。
當(dāng)鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)較好，不考慮滑移時(shí)，也可采用組合式模型。這一單元模型中已經(jīng)包含了鋼筋與混凝土兩種材料，在推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚂r(shí)采用統(tǒng)一的位移函數(shù)，但考慮了不同的材料特性。在組合式模型中，最常用的有兩種方式，即分層組合式和帶鋼筋膜式。分層組合式即在結(jié)構(gòu)的橫截面上分成許多混凝土層和鋼筋層，并對(duì)截面的應(yīng)變做某些假定(如平截面假定)。單元的剛度矩陣表達(dá)式可由材料的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和平衡條件導(dǎo)出。該分析模型在桿件系統(tǒng)，特別是鋼筋混凝土殼和板結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。該模型的優(yōu)點(diǎn)是單元數(shù)量減少，但精度也能得到一定提高。缺點(diǎn)是對(duì)每一個(gè)單元?jiǎng)偠鹊挠?jì)算比較麻煩，當(dāng)單元鋼筋布置復(fù)雜且不規(guī)則時(shí)，公式需要自己推導(dǎo)，尤其是配筋類(lèi)型比較多時(shí)，單元?jiǎng)偠鹊挠?jì)算非常麻煩。因此，該模型在實(shí)際應(yīng)用中是較少的一種。
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