ABAQUS在土木工程的應用5

混凝土

鋼筋混凝土ABAQUSChina內容提綱介紹無鋼筋混凝土力學行為ABAQUS中的混凝土本構模型加強筋(鋼)ABAQUS中的應用應用實例OverviewofABAQUSVersion6.3介紹介紹Motivation:

構造兩種不同應力狀態(tài)的混凝土模型，預測混凝土和鋼筋混凝土的力學行為

1：低壓混凝土(靜水壓力小于三倍單軸單軸壓縮失效應力)，占主導地位的是混凝土開裂（cracking）的行為大荷載(塑性階段)，次生裂縫行為明顯單調荷載（可以包括小的反向加載，但是不能模擬循環(huán)加載）OverviewofABAQUSVersion6.3介紹2：Modelingthebehaviorofunreinforcedandreinforcedconcretestructures高壓(equivalentpressurestressmanytimeslargerthanuniaxialcompressionfailurestress)混凝土的壓碎(crushing)是主導行為大荷載(非彈性)單調荷載、循環(huán)荷載都可以OverviewofABAQUSVersion6.3介紹典型應用低壓應用:典型的結構構件,如帶加鋼筋混凝土梁、

板、柱、剪力墻核反應堆容器高壓密封加壓失效模擬炮彈對混凝土容器的沖擊模擬冰對海岸建筑的沖擊模擬OverviewofABAQUSVersion6.3介紹高壓應用:地下導彈發(fā)射井震動響應模擬水庫的混凝土大壩OverviewofABAQUSVersion6.3介紹混凝土容器構造OverviewofABAQUSVersion6.3介紹鋼筋混凝土建模：混凝土模型＋鋼筋模型＋混凝土和鋼筋的相互作用

ABAQUS中分別定義混凝土本構和鋼筋的本構關系。

Concrete和rebar的相互作用，粘結滑動(bondslip)and暗銷作用(dowelaction)都可以通過引入拉伸硬化(tensionstiffening)模擬OverviewofABAQUSVersion6.3介紹加強筋（REBAR）選項提供非常全面的幾何設計：

Rebar可以是單獨的筋，也可以是夾層，加強筋和夾層的方向是任意的可以加載初始應力，初始應力可以為“pre-tensioned”(灌漿前后都可以)也可以為“post-tensioned”(通常無灌漿).

OverviewofABAQUSVersion6.3無鋼筋混凝土土

的力學行行為無鋼筋混凝土土的力學行為為混凝土在高壓壓下（三軸））表現出準脆脆性的行為不同于普通的的脆性材料,混凝土可以有有非彈性變形形，非彈性變變形可以比彈彈性變形大很很多混凝土損傷機機制:混凝土內部微微裂紋和微孔孔洞的產生和和發(fā)展在高壓（靜水水壓力）下材材料的固化和和多微孔的結結構的坍塌OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete單軸實驗超過某應力水水平,concrete表現非線性行行為,表現出累積積不可恢復的的損傷直到到發(fā)生破壞微裂紋導致應應變軟化單軸拉伸MazarsandPijaudier-Cabot(1989)單軸壓縮KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete體積膨脹:Volumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofcracksparalleltothedirectionofthegreatestcompressivestress.Typicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete雙軸加載：混混凝土失效應應力大于單軸軸狀態(tài)時的失失效強度Underbiaxialcompressiveloading,concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests.Compressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土雙軸強強度包絡圖FailuremodesofbiaxiallyloadedconcreteBiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete三軸加載：高壓混凝土裂裂紋擴展被阻阻止。脆性的的特性被柔性性硬化的特性性代替。Underhighconfiningpressure,crackpropagationisprevented.Thebrittlebehaviordisappearsandisreplacedbyductilitywithworkhardening.TriaxialconcretebehaviorChen(1982)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete循環(huán)加載力力學行為塑性和剛度度的退化反向加載剛剛度恢復(單向)Stress-deformationcurveundercyclicloading(smallcompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)Stress-deformationcurveundercyclicloading(largecompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)OverviewofABAQUSVersion6.3ABAQUS中的混凝土土本構模型型ABAQUS中的混凝土土本構模型型ABAQUS用連續(xù)介質的的方法建立立描述混凝凝土模型不不采用宏宏觀離散裂裂紋的方法法描述裂裂紋的水平平的在每一一個積分點點上單獨計計算低壓力混凝凝土的本構構關系Smearedcrackingmodel(ABAQUS/Standard)Brittlecrackingmodel(ABAQUS/Explicit)混凝土損傷傷模型(ABAQUSVersion6.3)高壓力混凝凝土的本構構關系CapmodelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel(ABAQUS/Standard)用于描述單調應變在材料中表表現出拉伸伸裂紋或者者壓縮時破破碎的行為為壓縮塑性應應變由“塑塑性壓縮屈屈服面”控控制裂紋出現在在當應力達達到裂紋紋產生面“crackdetectionsurface”時裂紋是影響響材料行為為的最關鍵鍵因素，它它將導致開開裂以及開開裂后的材材料的各向向異性Keywords:*CONCRETE,*TENSIONSTIFFENING,*SHEARRETENTION,and*FAILURERATIOS例題OverviewofABAQUSVersion6.3CrackingModel(ABAQUS/Explicit)ABAQUS/Explicit中脆性破裂裂模型適用于拉伸伸裂紋控制制材料行為為的應用壓縮失效不不重要此模型考慮了了由于裂紋紋引起的材材料各向異異性性質材料壓縮的的行為假定定為線彈性性.脆性斷裂準準則可以使使得材料在在拉伸應力力過大時失失效Keywords:*BRITTLECRACKING,*BRITTLEFAILURE,and*BRITTLESHEAROverviewofABAQUSVersion6.3ConcreteDamagedPlasticity(ABAQUSVersion6.3)適用于混凝凝土的各種種荷載分析析單調應變,循環(huán)荷載,動力載荷.標量損傷模模型(各向同性)，包含拉伸開開裂(cracking)和壓縮破碎碎(crushing).此模型可以模模擬硬度退退化機制以以及反向加加載剛度恢恢復的混凝凝土力學特特性Keywords:*CONCRETEDAMAGEDPLASTICITY*CONCRETETENSIONSTIFFENING*CONCRETECOMPRESSIONHARDENING*CONCRETETENSIONDAMAGE*CONCRETECOMPRESSIONDAMAGEOverviewofABAQUSVersion6.3CapModel此模型最初初于黏土材材料在Drucker-Prager剪切失效模模型加了一一個“cap”Cap的作用約束模型的的靜水壓力力當材料剪切切屈服時幫幫助控制體體積膨脹這些特性使使得“cap”模型適用于于受到高壓壓的混凝土土靜水壓力別別單軸壓縮縮強度大很很多這不包括任任何表示拉拉伸裂紋（（cracking）和壓縮破碎(Crushing)的行為因此只適用用于收到高高壓的混凝凝土.Keywords:*CAPPLASTICITYand*CAPHARDENINGOverviewofABAQUSVersion6.3加強筋(鋼)在ABAQUS中的應用加強筋(鋼)在ABAQUS中的應用definerebarinbeamelements:Isoparametricrebarinthree-dimensionalmembrane/shellelements:SkewRebarinthree-dimensionalshell/membraneelements:Definerebarinaxisymmetricshell/membraneelements:Definealayerofuniformlyspacedrebarincontinuumelements(skew/ISOPARAMETRIC)OverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementWesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUS

Version6.3formodelingreinforcementofstructuralandcontinuumelements.AnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS/CAE.Anew*REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinforcementinmembrane,shell,orsurfaceelements.Thisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe*MEMBRANESECTION,the*SHELLSECTION,orthe*SURFACESECTIONoption.OverviewofABAQUSVersion6.3Reinforcement使用*REBARLAYER選項簡化化了rebar在(continuum)elements中的定義.使用*EMBEDDEDELEMENT選項在主體體continuumelements中埋入一組組membrane或者surface單元作為夾夾層Usage:*EMBEDDEDELEMENT,HOSTELSET=solid_set_namememb_set_nameorsurf_set_nameembeddedsurfaceelementswithrebarhostcontinuumelementsOverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementMembrane單元不必與與實體單元元網格劃分分一致Membrane單元的節(jié)點點自動約束束到主體的的實體單元元的節(jié)點上上Surfaceelements可以嵌入溫溫度－位位移耦合合的實體單單元中。但但是不能能模擬出隔隔熱/傳熱的行為為Surfaceelements不可以嵌入入熱傳導和和質量擴散散實體單元元中OverviewofABAQUSVersion6.3應用用實實例例應用用實實例例ABAQUS/CAE演示示OverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModelJainandKennedySlab二維維平平面面應應變變模模型型本構構關關系系：：SmearedCrackingModelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel考慮慮拉拉伸伸硬硬化化效效應應OverviewofABAQUSVersion6.3*REBAR的參參數數1.有加加強強筋筋的的單單元元forrb2.加強強筋筋的的截截面面積積0.193323.加強強筋筋的的間間距距184.加強強筋筋的的方方向向05.加強強筋筋在在單單元元中中的的位位置置.6266676.單元元的的哪哪條條邊邊上上3OverviewofABAQUSVersion6.3實驗驗結結果果與與計計算算結結果果比比較較OverviewofABAQUSVersion6.3算例例：：分分析析地地震震載載荷荷下下的的重重力力壩壩Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam給出出一一個個使使ABAQUS分析析在在任任意意荷荷載載下下混混凝凝土土結結構構的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性。。地震震荷荷載載分分析析：：印印度度一一個個水水壩壩，，6.5級地地震震。。SeismicanalysisofKoynadam(India),subjectedtotheDecember11,1967,earthquakeofmagnitude6.5ontheRichterscale.計算說明:忽略壩基作作用，剛性性基礎。水動力效應應使用Westergaard附加質量技技術,通過兩節(jié)點點用戶單元元實現。材料阻尼為為壩體一階階振動臨界界阻尼的3%拉伸失效數數據通過斷斷裂能給出出OverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam有限元網格格:760CPS4R4節(jié)點平面應應力單元，，36個用戶單元元GeometryofatypicalnonoverflowmonolithOverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDamMaterialpropertiesforKoynadamconcreteYoung’smodulusE=31027MPaPoisson’sration=0.15Densityr=2643Kg/m3Dilationangley=36.31oCompressiveinitialyieldstresssc0=13.4MPaCompressiveultimatestressscu=24.1MPaTensilefailurestressst0=2.9MPaOverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDamConcretetensileproperties:tensionstiffeningandtensiondamageOverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDamTransverseandverticalcomponentsofthegroundaccelerations(unitsofg=9.81msec-2)TransversegroundaccelerationVerticalgroundaccelerationThedamundergoesseveredamagebutretainsitsoverallstructuralstability.Structuraldamageduetotensilecrackingfailure(t=10sec)OverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDamThetensiledamagevariable（拉伸損傷傷變量）,DAMAGET,isanondecreasingquantityassociatedwithtensile(cracking)failureofthematerial.Thestiffnessdegradationvariable（剛度梯度度變量）,SDEG,canincreaseordecrease,reflectingthestiffnessrecoveryeffectsassociatedwiththeopening/closingofcracks.CompressionSDEG

=0水平位移峰峰值Horizontalcrestdisplacement(relativetogrounddisplacement)ContourplotofDAMAGET(left)andSDEG(right)attimet=4.456sec,correspondingtothelargestexcursionofthecrestinthedown-streamdirection.t=4.456secOverviewofABAQUSVersion6.3Rock&SoilOverviewofConstitutiveModelsElasticitymodels:Linear,isotropicPorous,isotropic(nonlinear)Damaged,orthotropic(nonlinear;usedinconcrete,jointedmaterial)Plasticitymodels:Opensurface,pressureindependent(Mises)Opensurface,pressuredependent(Drucker-Prager,Mohr-Coulomb)Closedsurface(Cam-clay,Drucker-PragerwithCap)Multisurface(jointedmaterial)OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModelMohr-CoulombModelMohr-Coulomb塑性模型是一一種構造粒狀狀材料比如如土壤，一般般只考慮單調調荷載，并且且是“率無關關”材料在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模型有一一下特征:小載荷情況下下存在一個線線彈性的階段段，隨載荷的的變大，材料料的變形中包包括不可恢復復成分。認為為材料進入塑塑性階段。材料初始各各向同性屈服行為與與靜水壓力力有關，材材料隨著約約束力的變變大而變得得更強屈服行為受受中間主應力力的最大值的影影響OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModel包括各向同同性的硬化化的軟化隨體積變化化材料表現現出非彈性性行為，在在非彈性膨膨脹和非彈彈性剪切變變形中中引引入流動法法則可以考慮溫溫度的影響響假設材料““率無關””O(jiān)verviewofABAQUSVersion6.3ModifiedDrucker-PragerModels修正的Drucker-Prager模型這種模型用用于模擬單單調荷載下下材料的響響應，比如如分析地基基下土壤的的極限荷載載，這是最最簡單的一一種模擬摩摩擦材料的的本構模型型。此模型基本本特性如下下：存在完全彈彈性響應部部分，材料料的變形中中包括一部部分不可恢恢復成分。。認為材料料進入塑性性階段。材料初始各各向同性屈服行為與與靜水壓力力有關，材材料隨著約約束力的變變大而變得得更強。材料會有各各向同性的的硬化或者者軟化。OverviewofABAQUSVersion6.3非彈性行為為通常伴隨隨著體積改改變：在非非彈性膨脹脹和非彈性性剪切變形形中引入流流動法則。。ABAQUS中提供兩種種流動法則則。屈服行為會會受中間主主應力的影影響材料可以是是“率相關關”材料可以引入溫溫度效應ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地質材料在在一定條件件下在一定定的條件下下會有蠕變變。當加載時間間與材料蠕蠕變的時間間特征時間間相當，材材料塑性和和蠕變的方方程需要一一起考慮。。ABAQUS提供可以用用于增強Drucker-Prager的蠕變模型型。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正Cam-Clay模型這個模型用用于描述無粘性材料的本構構模型。這是經典劍劍橋黏土模模型的擴展展?；咎卣鳎海悍蔷€性彈性性響應，接接下來材料料進入塑性性階段初始各向同同性屈服行為與與靜水壓力力有關，臨臨界狀態(tài)分分為兩個區(qū)區(qū)域：在在“干”面面上材料軟軟化，在在“濕”面面上材料硬硬化。硬化化和軟化行行為濕體積積塑性應變變的函數OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel非彈性行為為通常伴隨隨著體積改改變：在““干”面上上材料膨脹脹，在“濕濕”面上材材料被壓緊緊，在非彈彈性膨脹和和非彈性剪剪切變形中中引入流動動法則。屈服服行行為為會會受受中中間間主主應應力力的的影影響響假設設無無粘粘性性可以以包包括括溫溫度度效效應應Underlargestressreversalsthemodelprovidesareasonablematerialresponseonthe““wet””(cap)sideofcriticalstate;however,onthe““dry””sidethemodelisacceptableonlyforessentiallymonotonicloading.OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCapModel修正正的的帽帽蓋蓋模模型型此模模型型用用來來描描述述粘粘性性地地質質材材料料的的本本構構關關系系。。它它在在線線性性的的Drucker-Pragermode