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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產(chǎn)生影響，如果僅僅通過試驗(yàn)手段來分析各影響因素對結(jié)構(gòu)性能的影響需要花費(fèi)大量的人力物力及時(shí)問。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，對結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行全過程分析，然后對各影響因素進(jìn)行優(yōu)化，是對結(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，因此考慮鋼纖維對混凝土性能的影響及對裂縫的阻裂作用，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)。國內(nèi)外對鋼纖維混凝土結(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混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響來對結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析，本研究以鋼纖維對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響為基礎(chǔ)，對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。
目前國內(nèi)外對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)量來劃分單元，分析模型比較符合實(shí)際情況，還可以通過在鋼筋與混凝土之間嵌入彈簧的方法來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)均勻材料來求單元?jiǎng)偠染仃嚒Ｅc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)是建模簡單，單元?jiǎng)澐稚�，�?jì)算量小，特別對配筋比較復(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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