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在鋼筋混凝土牛腿構(gòu)件中摻入鋼纖維不但可以明顯改善牛腿鋼筋的擁擠狀況，降低施工難度，而且還能夠顯著增強(qiáng)鋼筋混凝土牛腿的抗裂和阻裂性能。牛腿在荷載的作用下，首先會(huì)在牛腿與柱交接處出現(xiàn)垂直裂縫，因此有必要對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土牛腿的正截面抗裂性能進(jìn)行研究。鑒于國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土牛腿抗裂性能的研究側(cè)重于試驗(yàn)，鮮見(jiàn)有限元分析相關(guān)的內(nèi)容，故筆者在鋼筋鋼纖維混凝土牛腿試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用非線性有限元方法探討鋼纖維體積率、剪跨比和混凝土強(qiáng)度等對(duì)鋼筋鋼纖維混凝土牛腿正截面抗裂性能的影響，以便為實(shí)際應(yīng)用提供參考。
以鋼纖維體積率、混凝土強(qiáng)度、剪跨比等作為主要試驗(yàn)參數(shù)，相應(yīng)地設(shè)計(jì)了3個(gè)試驗(yàn)系列共計(jì)17個(gè)鋼筋鋼纖維混凝土牛腿試件，截面尺寸為：寬度是200 m飛牛腿懸臂部分外側(cè)高度是150 mm、內(nèi)側(cè)高度是300 m。長(zhǎng)度為800 m飛SCP系列的長(zhǎng)度為500 m。FP系列和SCP系列試件的縱向鋼筋配筋率分別為0.510和1.010，不配箍筋，鋼纖維體積率Pr。同時(shí)，SCP系列混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別取為C30，C40，C50。SK系列剪跨比分別取為0.18，0.36，0.54，0.71和0.7，鋼纖維體積率取為1.00。每種試件還預(yù)留有6個(gè)150 mmX150 mmX150 mm的立方體試塊，以便在試驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)測(cè)試每個(gè)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。另外，為了防止在試驗(yàn)過(guò)程中柱子先于牛腿破壞的情況，根據(jù)計(jì)算在柱子中配置了超量的受壓鋼筋和箍筋。
試驗(yàn)采用AMI04-32-600鋼纖維，長(zhǎng)徑比為40抗拉強(qiáng)度，700 MPa水泥為P42.5，火山灰質(zhì)硅酸鹽高強(qiáng)水泥。
試驗(yàn)在2000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用直接對(duì)柱施加集中荷載的反向加載方法。試驗(yàn)中，主要測(cè)試牛腿的縱向鋼筋應(yīng)變、牛腿懸臂部分與柱子交接面處混凝土應(yīng)變、各級(jí)荷載下最大裂縫寬度及出現(xiàn)位置、正截面開(kāi)裂荷載和極限荷載等。
混凝土的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線方程采用文獻(xiàn)，建議的表達(dá)式，其中混凝土軸心抗壓強(qiáng)度按照條文說(shuō)明中的公式，由試驗(yàn)所測(cè)得的立方體抗壓強(qiáng)度推算。
混凝土的單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線假定混凝土從開(kāi)始直至拉裂均為直線，即應(yīng)力達(dá)到混凝土最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土開(kāi)裂，開(kāi)裂前混凝土的彈性模量與受壓時(shí)的初始彈性模量相同。開(kāi)裂后的混凝土按非脆性材料考慮，即裂縫面上的混凝土抗拉強(qiáng)度并不立即下降到零，而是隨著裂縫的加寬而逐漸下降。混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度軍按照文獻(xiàn)中的有關(guān)規(guī)定，由試驗(yàn)所得的立方體抗壓強(qiáng)度推算確定。
鋼筋和鋼纖維均采用雙折線的理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，不考慮屈服硬化，屈服準(zhǔn)則采用Mises準(zhǔn)則。鋼筋和鋼纖維的幾何、物理性質(zhì)基本取與試驗(yàn)試件一致，只是由于鋼纖維混凝土的破壞主要是因?yàn)殇摾w維拔出，故取鋼纖維拔出時(shí)的拉應(yīng)力作為鋼纖維的抗拉強(qiáng)度。
根據(jù)牛腿裂縫分布的特點(diǎn)，在有限元分析時(shí)采用彌散裂縫模型分析其開(kāi)裂過(guò)程.彌散裂縫以“連續(xù)的”裂縫形式分布于單元中，開(kāi)裂的混凝土仍保持“連續(xù)性”程序通過(guò)修正混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行調(diào)整。當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，后繼荷載的作用會(huì)在裂縫表面產(chǎn)生滑動(dòng)或剪切，程序引入裂縫張開(kāi)時(shí)的裂面剪力傳遞系數(shù)俘，和閉合時(shí)的裂面剪力傳遞系數(shù)俘。來(lái)模擬開(kāi)裂引起的混凝土抗剪能力的損失，一般取0.05-0.2。由于收斂性問(wèn)題，本文取俘t = 0.2。一般取0.9-1.0其值變化不大，本文取0.9。采用鋼纖維混凝土和鋼筋的分離式模型建模，不考慮鋼筋與鋼纖維混凝土的滑移。
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