螺旋纤维FRC动力特性与构件抗爆快速评估系统研究

Capabilities of structural element, such as beam and slab, against blast load, and their fast damage assessment after blast loading are the main problems which should be solved before analysis for whole structure. Meanwhile, application of fibre reinforced concrete (FRC) in structural element may lead to new failure mode. Since FRC’s distinctive dynamic material properties, structural element design and relative calculation become more complicated and desire for high accuracy of calculation results becomes much stronger. The present research program will start with dynamic material properties of spiral fibre reinforced concrete, provide direct insight into mechanisms of FRC structural element failure and its properties of dynamic response by experiments, numerical simulations and theoretical solutions. Combined with improved failure mode approximation method, a fast damage assessment system for structural element will be designed, to provide theoretical support of relative research and workable solution for engineering applications. Improvement for numerical experiment will provide an economical and reliable solution for further research on dynamic properties of other types of materials.

梁、板等构件的抗爆能力计算及其受到爆炸荷载后的快速损伤评估，是建筑结构抗爆分析中首先需要解决的重要问题。而纤维增强混凝土在构件中的使用造成构件破坏可能引发新的模式。同时由于材料力学特性的改变，相关构件设计与计算的复杂程度增大，计算精度要求也有较大提升。本项目拟由螺旋纤维增强混凝土的动态力学特性入手，运用试验观测结合数值模拟、理论分析等手段，深入研究螺旋纤维增强混凝土构件的破坏机理和动力响应特征，结合改进的破坏模式拟合方法，打造构件抗爆快速评估系统，为构件抗爆快速分析提供必要的理论支持和工程实用方法。研究过程中对数值试验方法的改进也将对其他材料动力特性研究提供经济、可靠的解决方案。

添加纤维是解决混凝土开裂的有效手段，纤维增强混凝土能够改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点。目前用于改善混凝土抗裂性能的纤维种类主要有钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、纤维素纤维、聚丙烯纤维、PVA 纤维等。钢纤维由于其造价低、易成型等特点，使得钢纤维混凝土是目前工程界应用最为广泛的一种纤维水泥基增强复合材料。不同的纤维几何特性会造成材料和构件层次的不同响应。因此深入研究钢纤维混凝土的力学性能，尤其是其在爆炸荷载下的响应特性，可以为这种建筑材料开拓更广泛的使用前景。.结构抗爆设计与灾后损伤评估中，构件抗爆能力和损伤的快速计算是目前需要解决的重要问题。纤维增强混凝土制成的构件可能在爆炸荷载下引发特有的破坏模式，同时由于材料力学特性的改变，相关构件设计与计算的复杂程度增大，计算精度要求也有较大提升。以上这些问题都需要进行深入研究后才能为工程实践提出有意义的指导意见。.本项目由钢制螺旋纤维增强混凝土的动态力学特性入手，首先研究了不同速率下螺旋纤维从混凝土材料中拔出的力学行为，接着采用实验和数值模拟相结合的方法深入研究螺旋纤维增强混凝土材料动态抗拉特性，最后结合改进的破坏模式拟合方法完成了螺旋纤维增强混凝土构件抗爆快速评估系统，为构件抗爆快速分析提供必要的理论支持和工程实用方法。.研究过程中发现：1. 螺旋纤维拔出过程中混凝土强度的影响并非主要因素，选取合适的螺距和绕径能够一定程度上增加拔出力；2. 螺旋纤维混凝土抗拉试件强度随应变率提升有所增加，并且纤维掺入量并非越大越好；3. 螺旋纤维混凝土梁、板构件在爆炸荷载作用下理论上有多种破坏模式，但实际情况中可进一步精简模式数目以提高计算和评估效率。