钢纤维增强混凝土的新型细观建模方法：研究纤维取向对弯曲性能的影响

《Structures》：A novel mesoscopic modelling approach for steel fibre-reinforced concrete: Investigating the effects of fibre alignment on flexural performance

　　

传统上，钢纤维增强混凝土（SFRC）的有限元建模依赖于均质化的宏观模型，这些模型忽略了纤维取向等局部效应。尽管已经开发了三维（3D）细观框架用于SFRC，但在EN 14651弯曲试验配置下与均质化宏观模型的直接比较仍然有限，特别是在纤维取向变化方面。因此，有必要进行一项比较评估以评估细观模型在EN 14651条件下的表现。为此，本研究提出了一种用于SFRC的三维张量控制细观建模方法，该方法显式模拟随机和优先取向的单个纤维，提供了纤维桥接和失效机制的更真实表示。研究人员开发了一个包含九种建模场景的综合模拟程序，以系统评估建模尺度（宏观与细观）、纤维掺量（0.5%和0.75%）和纤维取向（三种强度：随机、中等和强取向）对SFRC梁断裂响应的影响，符合EN 14651标准。研究表明，细观模型比宏观模型更准确地再现了裂缝后响应，将正常使用极限状态下的残余抗弯强度误差从33.6%降低到6.4%。在所研究的取向水平上，增加纵向纤维取向通常提高了峰值荷载和残余抗弯强度，其中强取向配置在承载力方面提供了最大的整体改善。这些发现强调了纤维取向在SFRC设计中的关键作用，并推动细观框架作为详细断裂分析的可靠工具。

**钢纤维增强混凝土细观建模方法研究：纤维取向对弯曲性能的影响——论文解读**

**1. 研究背景与问题**

钢纤维增强混凝土（Steel Fibre-Reinforced Concrete, SFRC）在预制构件和结构加固中应用日益广泛，但其异质性和非线性行为给准确预测力学性能带来挑战。传统有限元模型多采用均质化宏观方法，将纤维效应融入材料本构，忽略了纤维取向等局部效应，导致无法精确模拟裂缝后行为。尽管已有三维（3D）细观框架开发，但缺乏与宏观模型在EN 14651标准试验配置下的直接对比，尤其针对纤维取向变化的影响。因此，开展系统比较评估，量化细观模型在EN 14651条件下的优势，并明确纤维取向对弯曲性能的影响，具有重要工程意义。

**2. 研究内容与结论**

本研究由Ayman Mansour、Themelina Paraskeva和Nuha S. Mashaan（均来自澳大利亚埃迪斯科文大学工程学院）开展，旨在建立一种新型3D张量控制细观建模方法，并对比宏观模型在EN 14651三点弯曲试验下的表现。研究共设置九种模拟场景，系统评估了建模尺度（宏观 vs. 细观）、纤维掺量（0.5%和0.75%）和纤维取向（随机、中等取向、强取向）对SFRC梁断裂响应的影响。结论表明：细观模型在后裂缝响应模拟中更准确，将正常使用极限状态下的残余抗弯强度误差从33.6%降至6.4%；增加纵向纤维取向显著提升峰值荷载和残余强度，强取向配置（85%纵向）提供最大承载力提升。该研究强调了纤维取向在SFRC设计中的关键作用，并验证了细观框架作为详细断裂分析工具的有效性。论文发表于《Structures》。

**3. 关键技术与方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：①基于ABAQUS Explicit软件的3D有限元建模；②混凝土损伤塑性（Concrete Damaged Plasticity, CDP）模型，用于模拟混凝土的非线性行为，并针对膨胀角（ψ）进行了参数敏感性校准；③随机顺序添加（Random Sequential Addition, RSA）算法生成离散纤维；④使用二阶取向张量（second-order orientation tensor）控制纤维定向分布，实现随机、中等（60%纵向）和强取向（85%纵向）三种配置；⑤采用嵌入方法（embedded method）模拟纤维与基体相互作用，并通过塑性修正因子（plasticity modifier，取0.85）间接表征粘结-滑移效应。实验数据来源于已发表文献[70]（Mansour等人对SFRC梁的试验结果），用于模型校准与验证。

**4. 研究结果**

**4.1 基线素混凝土矩阵验证（Validation of the Baseline Plain Concrete Matrix）**
通过膨胀角参数敏感性分析发现，当ψ=15°时，宏观素混凝土模型（MAC-NPC）的荷载-裂缝口张开位移（Load-CMOD）曲线与实验数据上界吻合最佳，证实了CDP模型参数的有效性。

**4.2 纤维塑性修正因子敏感性分析（Sensitivity analysis of the fibre plasticity modifier）**
对0.5%纤维掺量模型进行塑性修正因子（0.70~1.0）敏感性分析，确定0.85为最优值，使模拟残余承载力与实验包络线一致，说明该参数可有效校准粘结滑移效应。

**4.3 细观与宏观模型对比（Comparison of mesoscopic and macroscopic models）**
对于0.5%和0.75%纤维掺量，细观模型（MES-SFRC50/75）比宏观模型（MAC-SFRC50/75）更准确地再现了后裂缝响应的波动特征，误差分析显示细观模型在峰值荷载、峰值CMOD、正常使用极限状态（SLS）和极限状态（ULS）残余强度上的误差均显著低于宏观模型。

**4.4 随机纤维实现的重复性分析（Repeatability Analysis for Random Fibre Realisations）**
对每种配置生成三次独立随机纤维实现，荷载-CMOD曲线高度一致，关键参数方差小于4%，证明随机生成算法引入的变异性可忽略。

**4.5 弯曲性能评估（Evaluation of flexural performance）**
**4.5.1 纤维掺量影响（Effect of Fibre Volume Fraction）**
0.75%纤维掺量相比0.5%，SLS残余强度（f_R1k）增加79%，ULS残余强度（f_R3k）增加84%，峰值荷载仅增加2.7%，表明纤维掺量主要提升残余强度和延性。

**4.5.2 纤维取向影响（Effect of fibre orientation）**
对于0.5%纤维掺量，中等取向（A1）使f_R1k提升123.1%，f_R3k提升110.4%；强取向（A2）使f_R1k提升214.5%，f_R3k提升174.9%；延性指数下降，但分类从1.5D提升至5C。对于0.75%纤维掺量，强取向使峰值荷载增加15.8%，f_R1k提升155.5%，f_R3k提升60.6%，延性指数下降37.1%，分类从2.5D升至7B。总体表明纵向纤维取向增强后裂缝抗力。

**4.6 计算成本与精度权衡（Computational cost vs accuracy）**
细观模型计算时间（约108小时）远高于宏观模型（约9小时），但精度更高，尤其在纤维层面交互作用分析中不可替代；宏观模型适用于初步设计或参数化分析。

**5. 讨论与结论总结**

讨论部分指出，细观模型能更真实反映局部纤维桥接与断裂机制，而宏观模型高估了后裂缝残余荷载。研究同时强调了纤维取向对残余抗弯响应的显著影响，但当前研究采用理想化取向张量，且嵌入纤维方法未显式解析局部脱粘与滑移，需通过塑性修正因子拟合。未来需扩展至其他材料、纤维几何和试验配置。结论部分翻译如下：

本研究建立了基于EN 14651试验条件的SFRC梁宏观与细观建模方法的基准3D模拟框架，主要贡献有三：第一，直接对比了细观与均质化宏观模型在相同实验荷载-CMOD数据下的表现，包括精度与计算成本的权衡；第二，在细观框架中引入二阶取向张量，评估预设纤维取向水平对弯曲和后裂缝行为的影响；第三，得出以下关键结论：细观模型准确再现了纤维掺量增加带来的残余强度和延性提升，而宏观模型普遍高估；细观模型计算时间可达宏观模型的6倍，但精度更高；纤维取向纵向增强可显著提升峰值荷载和残余强度（对于0.75%纤维掺量，强取向使峰值荷载增加15.8%，f_R1k增加155.5%，f_R3k增加60.6%），但延性指数下降；纤维取向对残余抗弯响应有显著影响，细观模型在取向依赖的后裂缝行为分析中能提供额外信息。本研究作为受控比较评估，采用理想化取向张量和嵌入纤维公式，局部交互通过案例特定塑性修正因子表示，0.75%纤维案例为同实验程序内的保留验证，重复性分析支持趋势一致性，但更广泛适用性需未来研究验证。