高層建筑混合結(jié)構(gòu)梁墻節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論(5)可以部分代替試驗，進(jìn)行大量的參數(shù)分析，為制定設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。2.1.5有限元分析計算基本步驟有限元分析計算的基本步驟大致可以分為以下幾個部分:(1)結(jié)構(gòu)離散化:輸入或生成有限元網(wǎng)格把一個連續(xù)的實際結(jié)構(gòu)物變換成離散化的有限元模型，這個離散化的結(jié)構(gòu)計算模型由有限多個有限大小的構(gòu)件，在有限多個節(jié)點(diǎn)處相互聯(lián)系而構(gòu)成。結(jié)構(gòu)的離散化主要包括以下三個方面:①劃分網(wǎng)格，選擇合適的有限單元，劃分網(wǎng)格以后，對單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，單元與單元之間用節(jié)點(diǎn)相連;②引入位移邊界條件，確定支座形式和位置，在位移值為零的節(jié)點(diǎn)上安置鉸支座或連桿支座;③荷載的移置，為了便于分析計算，對受到荷載作用的單元，第1頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論將作用在結(jié)構(gòu)的實際荷載按靜力等效的原則移置到單元的節(jié)點(diǎn)上，成為等效集中荷載。(2)單元分析:單元分析的任務(wù)是確定以下幾組關(guān)系第2頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第3頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第4頁/共60頁2.1.6有限元非線性問題求解的基本方法非線性問題可以分為三大類，即:幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性。第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論幾何非線性問題是由于結(jié)構(gòu)的位移或應(yīng)變相當(dāng)大，必須按照變形后的幾何未知來建立平衡方程;材料非線性問題是由材料本身的非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系引起的;邊界條件非線性問題是邊界條件的變化所引起的非線性問題。非線性問題中的總體剛度矩陣中各個元素并不是常量，而是隨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移的變化而變化的。對于材料非線性問題，由于聯(lián)系應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的物理矩陣是隨應(yīng)力或者應(yīng)變的變化而變化的，而應(yīng)力或應(yīng)變的大小又與節(jié)點(diǎn)位移有關(guān)，于是直接求解非線性方程是困難的。人們采用數(shù)值法來求解非線性方程，求解方法大致可以歸納為三類:迭代法、增量法以及增量迭代混合法。常用的非線性方程組的數(shù)值求解方法是直接迭代法、牛頓一拉弗遜(Newton-Raphsofl)方法和等剛度迭代法。第5頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論本文采用的是牛頓一拉弗遜方法。牛頓一拉弗遜方法也稱為切線剛度迭代法，它是一種變剛度的迭代法，采用了變化的切線剛度，其迭代過程如圖2.1所示。該方法的基本思路簡述如下。第6頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第7頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論2.2

ANSYS簡介2.2.2ANSYS軟件主要特點(diǎn)ANSYS主要特點(diǎn)如下所述:①唯一能實現(xiàn)多場及多場禍合分析的軟件;②唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件;③唯一具有多物理場優(yōu)化功能的FEA軟件;④唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件;⑤強(qiáng)大的非線性分析功能;⑥多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置;第8頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論⑦支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容;⑧強(qiáng)大的并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行;⑨多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù);⑩良好的用戶開發(fā)環(huán)境。2.2.3ANSYS計算分析過程ANSYS計算分析過程主要分三部分完成，即建立模型、加載求解及結(jié)果評價。分別詳述如下:(l)創(chuàng)建有限元模型:①創(chuàng)建或者讀入幾何模型，在用ANSYS建立實體模型時，由于通過布爾運(yùn)算、拷貝、搭接、錨結(jié)等方法進(jìn)行，所以可對任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模且、耗時少，ANSYS也可通過數(shù)據(jù)接口直接讀取大多流行CAD軟件的圖形文件，然后再利用其強(qiáng)大的分析功能對結(jié)果進(jìn)行分析計算。第9頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論②定義單元類型和實常數(shù)以及材料類型，ANSYS的單元庫非常豐富，有100多種不同的單元供選擇，完全可以滿足一般工程計算的需要;③劃分網(wǎng)絡(luò)。模型建立后，單元劃分更是方便，只須在相關(guān)的線或面上定出單元長度或要劃分的比例，程序?qū)詣有纬蓡卧肮?jié)點(diǎn)。也可以用自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)劃分自動生成單元。施加荷載并求解:①施加荷載及定義荷載選項、設(shè)定約束條件，對于復(fù)雜的或多種荷載并存的情況，可通過建立多荷載步完成;②求解。結(jié)果查看:后處理可對計算過程中的任一步，整個過程或沿某個路徑的結(jié)果進(jìn)行打印顯示，還可以顯示變形圖及響應(yīng)幅值隨時間或頻率的變化曲線。第10頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論2.2.4ANSYS用來校正計算結(jié)果的方法ANSYS用來校正計算結(jié)果的方法有:牛頓一拉弗遜法:ANSYS程序通過使用牛頓一拉弗遜平衡迭代來克服純粹增量式求解引入的誤差，它迫使在每一個荷載增量的末端在某個容限范圍內(nèi)的解達(dá)到平衡收斂。在每次求解前，NR方法估算出殘差矢量，這個矢量是回復(fù)力(對應(yīng)于單元應(yīng)力的荷載)和所加荷載的差值。程序然后使用非平衡荷載進(jìn)行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估算非平衡荷載，修改剛度矩陣，獲得新解。持續(xù)這種迭代過程直到問題收斂?；￠L法:針對某些物理意義上不穩(wěn)定的系統(tǒng)(如獨(dú)立實體從固定表面的分離，結(jié)構(gòu)完全崩潰或者突變成另一個穩(wěn)定形狀等)進(jìn)行非線性分析時，如果僅僅使用NR方法正切剛度矩陣可能變?yōu)槠娈惥仃?，?dǎo)致嚴(yán)重的收斂問題。這時需要激活另外一種迭代法—弧長法來幫助穩(wěn)定求解。第11頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論弧長法使NR平衡迭代沿一段弧收斂，從而即便當(dāng)正剛度矩陣的切線模量為零或負(fù)值時，也能阻止結(jié)果的發(fā)散(如圖2.2所示)。ANSYS收斂判別建立在力、力矩、位移及其組合上，當(dāng)誤差小于第12頁/共60頁2.2.5ANSYS收斂判別第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論收斂限值時，可以認(rèn)為計算結(jié)果是收斂的。以力為基礎(chǔ)的收斂準(zhǔn)則提供了收斂的絕對量度，但以位移為基礎(chǔ)的收斂僅提供了收斂的相對量度。因為在迭代過程中計算出的位移很小，在收斂限值之內(nèi)時，可能會被程序認(rèn)為是收斂的解，但有可能此時問題仍遠(yuǎn)離準(zhǔn)確解。完全依賴位移收斂檢查有時可能產(chǎn)生錯誤。因此，盡可能使用以力為基礎(chǔ)(或以力矩為基礎(chǔ)的)收斂準(zhǔn)則，以位移為基礎(chǔ)(或以轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ))的收斂檢查通常不單獨(dú)使用，僅用于輔助判斷。2.2.6

ANSYS中荷載步和子步非線性分析、動力學(xué)分析中經(jīng)常用到荷載步(Load

SteP)、子步(Substeps)的概念。子步又被稱作時間步。圖2.3描述了非線性分析過程中的加載歷史以及荷載步、子步之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)加載通過在一定“時間”范圍內(nèi)定義的荷載步實現(xiàn)。圖2.3的加載過程共分為兩個荷載步。0~0.5時間段對應(yīng)第一個荷載步，0.5~2.0時間段對應(yīng)第第13頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論二個荷載步。假定荷載在荷載步內(nèi)是線性變化的。在每一個荷載步內(nèi)，可通過子步(即時間步)來實現(xiàn)逐步加載。圖2.3中，第一個荷載步分為兩個子步，第二個荷載步分為三個子步。在每個子步內(nèi)，ANSYS程序在求解時將進(jìn)行一系列的平衡迭代以獲得收斂解。第14頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論塑性理論本小節(jié)介紹了塑性理論的三個準(zhǔn)則，以及MISeS模式和ANSYS軟件中對塑性的處理方式。塑性的三個準(zhǔn)則塑性理論包括三個主要方面:屈服準(zhǔn)則，流動準(zhǔn)則，強(qiáng)化準(zhǔn)則。(1)屈服準(zhǔn)則:對單向受拉試件，我們可以通過簡單的比較軸向應(yīng)力與材料的屈服應(yīng)力來決定是否有塑性變形發(fā)生，然而，對于一般的應(yīng)力狀態(tài)，是否到達(dá)屈服點(diǎn)并不是明顯的。屈服準(zhǔn)則是一個可以用來與單軸測試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量表示。因此，知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則，程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。屈服準(zhǔn)則的值有時候也叫作等效應(yīng)力，一個通用的屈服準(zhǔn)則是Von

Mises屈服準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時，將會發(fā)生塑性變形。本文采用的就是Von

Mises模式。第15頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論流動準(zhǔn)則:流動準(zhǔn)則也稱正交定律。流動準(zhǔn)則描述了發(fā)生屈服時，塑性應(yīng)變的方向，也就是說，流動準(zhǔn)則定義了單個塑性應(yīng)變分量隨著屈服是怎樣發(fā)展的。它是確定塑性應(yīng)變增量方向的一條規(guī)定。在主應(yīng)力空間中可以將塑性應(yīng)變能相同的點(diǎn)連接起來形成的曲面，稱之為塑性勢面。流動準(zhǔn)則規(guī)定任意點(diǎn)處的塑性應(yīng)變增量，其方向總是與塑性勢面正交。流動準(zhǔn)則是為了計算而作的一種假定，其塑性勢面可以假設(shè)為各種不同的形式。在塑性理論中，如果塑性勢面與屈服面相重和，那么這個流動準(zhǔn)則就成為相關(guān)流動準(zhǔn)則，反之則叫不相關(guān)的流動準(zhǔn)則。相關(guān)流動準(zhǔn)則比較適用于金屬材料，而對于混凝土，很多學(xué)者認(rèn)為應(yīng)該采用不相關(guān)的流動準(zhǔn)則，但是，為了簡便，在現(xiàn)在的實際結(jié)構(gòu)分析中，仍然是采用相關(guān)流動準(zhǔn)則。強(qiáng)化準(zhǔn)則:強(qiáng)化準(zhǔn)則描述了初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增加是怎樣發(fā)展的。一般來說，屈服面的變化是以前應(yīng)變歷史的函數(shù)，在ANSYS程序中，使用了兩種強(qiáng)化準(zhǔn)則。第16頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論一是等向強(qiáng)化，是指屈服面以材料中所作塑性功的大小為基礎(chǔ)在尺寸上擴(kuò)張。對于MISeS屈服準(zhǔn)則來說，屈服面在所有方向均勻擴(kuò)張，如圖2.4所示，由于等向強(qiáng)化，在受壓方向的屈服應(yīng)力等于受拉過程中所達(dá)到的最高應(yīng)力;第17頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論一是隨動強(qiáng)化，假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動，當(dāng)某個方向的屈服應(yīng)力升高時，其相反方向的屈服應(yīng)力降低，如圖2.5，由于拉伸方向屈服應(yīng)力的增加導(dǎo)致壓縮方向屈服應(yīng)力的降低，所以在對應(yīng)的兩個屈服應(yīng)力之間總存一個的差值，初始各向同性的材料在屈服后將不再是向同性的。2.3.2

Mises模式簡介第18頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第19頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第20頁/共60頁第2章鋼筋混凝土非線性有限元理論第21頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型本章應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對鋼梁一型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維實體建模，建模的過程主要包括:單元類型的選取、本構(gòu)模型的選取、幾何模型的建立和計算收斂問題及處理方法。型鋼混凝土模型單元類型的選取在ANSYS中包括很多種單元，對于鋼筋混凝土一般采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid65，這是專門為混凝土等材料開發(fā)的單元。本文用

solid65單元來模擬鋼筋混凝土，采用由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型。型鋼單元采用了ANSYS單元庫中的非常適合擬非線性性薄殼結(jié)構(gòu)的4節(jié)點(diǎn)塑性小應(yīng)變單元shell143。鋼筋混凝土單元為了詳細(xì)了解混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力機(jī)理與破壞過程，一般都需要建立三維實體有限元模型進(jìn)行非線性分析。而混凝土本身具有開裂、壓碎、塑性等許多復(fù)雜的力學(xué)行為，在三維受力條件下的第22頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型力學(xué)行為更加難以確定。ANSYS單元庫中的8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid65是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋(或玻璃纖維，型鋼等)，以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。它是在三維8節(jié)點(diǎn)等參元Solid45的基礎(chǔ)上，增加了針對于混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型。Solid65單元有以下幾點(diǎn)假設(shè):①只允許在每個積分點(diǎn)正交的方向開裂;②積分點(diǎn)上出現(xiàn)裂縫之后，將通過調(diào)整材料屬性來模擬開裂，裂縫的處理方式采用分布模型而非離散模型;③混凝土材料初始時是各向同性的;④除了開裂和壓碎之外，混凝土也會塑性變形，常采用Drucker-Prager屈服面模型模擬其塑性行為的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在這種情況下，一般在假設(shè)開裂和壓碎之前，塑性變形己經(jīng)完成。單元的幾何形狀第23頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型和節(jié)點(diǎn)位置見圖3.1。如圖所示，每個節(jié)點(diǎn)有三個自由度UX、UY、UZ。它在程序內(nèi)部考慮了混凝土材料的很多非線性性質(zhì)，如混凝土在三個正交方向的開裂、混凝土的壓碎、混凝土的塑性變形和徐變等，因此，能夠在三個正交方向上較好的模擬混凝土開裂以及壓碎，第24頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型很形象地描述混凝土的帶裂縫工作性能，與實際情況較接近，為使用者提供了很大的方便。3.1.2型鋼單元由于剪力墻內(nèi)暗柱和鋼梁的型鋼都是由鋼板焊接而成的，鋼板的第25頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型厚度遠(yuǎn)小于鋼板的平面尺寸，建立有限元模型時可以使用殼單元來模擬。ANSYS單元庫中的4節(jié)點(diǎn)塑性小應(yīng)變單元Shell143非常適合模擬非線性薄殼結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示，該單元每個節(jié)點(diǎn)有六個自由度，包括沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸x、y、z方向的三個平動自由度和繞x、y、z軸的三個轉(zhuǎn)動自由度。3.2型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型

通常構(gòu)成鋼筋混凝土有限元分析的模型主要有三種形式:分離式、組合式和整體式。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)可以看作是由型鋼和鋼筋混凝土兩部分構(gòu)成，因此型鋼混凝土中的鋼筋混凝土部分可以采用上述的三種有限元分析模型，目前在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的是分離式和整體式模型。(l)分離式模型分離式模型是按照混凝土和鋼筋不同的力學(xué)性能，把鋼筋和混第26頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型凝土分別選用不同的單元，即鋼筋和混凝土各自被劃分為足夠小的單元，兩者的剛度矩陣是分開來求解的。分離式模型考慮了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移，在鋼筋和混凝土之間插入了粘結(jié)單元來模擬。在平面問題中混凝土可劃分為三角形單元、四邊形單元等，鋼筋可以劃分為三角形單元或四邊形單元。因鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋是一種細(xì)長材料，通?？珊雎云錂M向抗剪作用，這樣，可以將鋼筋作為線形單元來處理。這樣處理可以大大減少單元數(shù)目。當(dāng)受到外力作用后，構(gòu)件中的鋼筋和混凝土之間在相互約束的同時會產(chǎn)生相對滑移，為了模擬兩者這種粘結(jié)約束和相對滑移，可在鋼筋與混凝土粘結(jié)界面設(shè)置粘結(jié)單元，來模擬鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)和滑移，鋼筋和混凝土的聯(lián)結(jié)單元有兩種形式:雙彈簧聯(lián)結(jié)單元、四邊形單元、斜彈簧單元等。第27頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型一是隨動強(qiáng)化，假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動，當(dāng)某個方向的屈服應(yīng)力升高時，其相反方向的屈服應(yīng)力降低，如圖2.5，由于拉伸方向屈服應(yīng)力的增加導(dǎo)致壓縮方向屈服應(yīng)力的降低，所以在對應(yīng)的兩個屈服應(yīng)力之間總存一個的差值，初始各向同性的材料在屈服后將不再是向同性的。(2)整體式模型在整體式有限元模型中，認(rèn)為鋼筋與混凝土之間粘結(jié)很好，不會有相對滑移，兩者之間可視為剛性聯(lián)結(jié)，即不采用聯(lián)結(jié)單元。該模型將鋼筋彌散于整個單元中，并把單元視為連續(xù)均勻的材料，用虛功原理得出的關(guān)系式來求單元剛度矩陣。它求出了綜合混凝土和鋼筋為一個單元的剛度矩陣。它是一次求得綜合的單元剛度矩陣，其中的彈性矩陣[D]由兩第28頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型部分組成，即第29頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第30頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型當(dāng)分析區(qū)域較大，又受計算機(jī)軟件和硬件的限制，無法將鋼筋和混凝土分別劃分單元，同時研究人員所關(guān)心的計算結(jié)果是結(jié)構(gòu)物在外荷載作用下的宏觀反映(如結(jié)構(gòu)的總體位移和應(yīng)力分布情況等)，這種情況下采用整體式模型比較合適。鋼筋對整個結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，可以通過調(diào)整單元的材料力學(xué)性能參數(shù)來體現(xiàn)，例如提高材料的屈服強(qiáng)度口，材料的彈性模量E等。可以直接利用solid65單元提供的實參數(shù)建模，其優(yōu)點(diǎn)是建模方便，分析效率高，但是缺點(diǎn)是不適應(yīng)于鋼筋分布不均勻的區(qū)域，且得到鋼筋內(nèi)力比較困難，無法揭示鋼筋和混凝土之間相互作用的微觀機(jī)理。主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構(gòu)件中，譬如剪力墻或樓板結(jié)構(gòu)。因此，本論文采用整體式模型。一般情況下，由于型鋼截面尺寸大，截面上剪力很大，且型鋼界面一般較光滑，型鋼和混凝土之間會有位移不協(xié)調(diào)的情況。但在本論文中，由于型鋼在剪力墻中，墻體下端完全固結(jié)，因此不會第31頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型出現(xiàn)明顯的相對滑移。鋼梁與型鋼暗柱在節(jié)點(diǎn)處相互連成一體，從而約束了鋼梁在縱向的位移，因此與混凝土也不會出現(xiàn)明顯的相對滑移。所以在建模過程中把型鋼與混凝土完全固結(jié)，不考慮粘結(jié)滑移的影響。用4節(jié)點(diǎn)Shell143單元建立型鋼模型，并且和鋼筋混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)。(3)組合式模型組合式模型介于整體式和分離式模型之間。組合式模型假定鋼筋和混凝土兩者之間的相互粘結(jié)良好，位移完全協(xié)調(diào)，不會有相對滑移。組合式模型又分為兩種:一種是分層組合式，在橫截面上分成許多混凝土層和若干鋼筋層，并對截面的應(yīng)變作出某些假設(shè)，這種租者方式在鋼筋混凝土板，殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣;另一種組合方法是采用帶鋼筋膜的等參單元。其優(yōu)點(diǎn)是建模比較方便，可任意布置鋼筋并可直觀地獲得鋼筋的內(nèi)力。缺點(diǎn)是建模比整體式模型復(fù)雜，需要考慮共用節(jié)點(diǎn)的位置，且容易出現(xiàn)應(yīng)力集中拉壞混凝土的問題。第32頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型一是隨動強(qiáng)化，假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動，當(dāng)某個方向的屈服應(yīng)力升高時，其相反方向的屈服應(yīng)力降低，如圖2.5，由于拉伸方向屈服應(yīng)力的增加導(dǎo)致壓縮方向屈服應(yīng)力的降低，所以在對應(yīng)的兩個屈服應(yīng)力之間總存一個的差值，初始各向同性的材料在屈服后將不再是向同性的。3.3混凝土的裂縫模型

裂縫的處理方式有離散裂縫模型、分布裂縫模型和斷裂力學(xué)模型。對裂縫的處理，ANSYS可以采用離散、分布或斷裂的裂縫模型。在部分的裂縫模型中，考慮到骨料的聯(lián)鎖作用，認(rèn)為裂縫和還可以傳遞剪力，故而引入殘留抗剪系數(shù)。它是和裂縫的開合有密切關(guān)系的，所以根據(jù)裂縫的開合選擇不同的殘留抗剪系統(tǒng)。在離散裂縫模型中，一般都采用單元重劃分技術(shù)，若發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超過斷裂應(yīng)力，手第33頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型工修改結(jié)構(gòu)或殺死單元來模擬裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展。在裂縫可能出現(xiàn)和擴(kuò)展的位置建立專門的單元(不是特殊類型的單元，而是必較容易選擇單元，如在裂縫可能區(qū)建立專門的幾何面或體等)。然后對專門區(qū)域的單元采用單元生死技術(shù)來處理。這種方法需要復(fù)雜的判斷和循環(huán)語句。最重要的是若有接觸等非線性問題，收斂常常會很困難(因為非線性可能太大)。如果通過斷裂力學(xué)模型模擬裂縫的擴(kuò)展過程，需要采用動態(tài)網(wǎng)格劃分，通過ANSYS的宏命令流可以實現(xiàn)。故ANSYS一般采用分布裂縫模型來處理作為裂縫處理方式。3.4材料破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系A(chǔ)NSYS中混凝土的本構(gòu)模型主要有三種，本文選擇的是各向同性的非線性彈性本構(gòu)關(guān)系。在ANSYS程序中混凝土的破壞準(zhǔn)則選用的是Wi11am-Warnke五參數(shù)模型。鋼筋和型鋼采用的是理想彈塑性第34頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型本構(gòu)關(guān)系，破壞條件采用Von

Mises屈服準(zhǔn)則。3.4.1混凝土的本構(gòu)模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和有限元分析中須引入混凝土的多軸本構(gòu)關(guān)系，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗和理論研究，提出了多種多樣的混凝土本構(gòu)模型。根據(jù)這些模型對混凝土材料力學(xué)性能特征的概括，可分成4大類:①線彈性類模型，這是最簡單、最基本的材料本構(gòu)模型，是迄今發(fā)展最成熟的材料本構(gòu)模型，也是其它類本構(gòu)模型的基礎(chǔ)和特例;②非線(性)彈性類模型，這類本構(gòu)模型的明顯特點(diǎn)是，能夠反映混凝土受力變形的主要特點(diǎn)，計算式和參數(shù)值都來自試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，在單調(diào)比例加載情況下有較高的計算精度，模型表達(dá)式簡明、直觀，易于理解和應(yīng)用;③塑性理論類模型，這類本構(gòu)模型主要適用于金屬材料;④其它力學(xué)理論類模型。第35頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型目前，線彈性類本構(gòu)模型主要有各向異性本構(gòu)模型、正交異性本構(gòu)模型、各向同性本構(gòu)模型;非線(性)彈性類本構(gòu)模型主要Ottosen的三維、各向同性全量模型，Darwin-Pecknold的二維、正交異性、增量模型，過一徐的正交異性模型;塑性理論類模型包括彈性-全塑性模型、硬化塑性模型、基于應(yīng)變空間松弛面(相應(yīng)于應(yīng)力空間的破壞包絡(luò)面)的塑性模型、逐漸斷裂模型、塑性一斷裂模型等;還有基于粘彈一塑性理論的模型，基于內(nèi)時理論的模型，基于斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的模型，以及塑性損傷模型，內(nèi)時損傷模型，塑性一斷裂模型，具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的材料模型等。在ANSYS本構(gòu)關(guān)系模型選擇中，本論文采用各向同性的非線性彈性本構(gòu)關(guān)系。(l)各向同性本構(gòu)矩陣混凝土的初始應(yīng)力應(yīng)變矩陣為式(3-8)，式中E為混凝土的彈性模量，v為混凝的泊松比。第36頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第37頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第38頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第39頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第40頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第41頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第42頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第43頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第44頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第45頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第46頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第47頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第48頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第49頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第50頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第51頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第52頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第53頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型第54頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型3.5.2模型建立及單元劃分有限元模型的建立有直接法和實體建模法兩種。直接法是直接根據(jù)模型的幾何外形建立節(jié)點(diǎn)和單元，只適用于簡單的結(jié)構(gòu)。實體建模法首先根據(jù)模型的幾何形狀建立幾何模型，然后利用網(wǎng)格劃分技術(shù)從幾何模型得到有限元模型。實體建模法在建模過程中可以適用布爾運(yùn)算，因此可以建立復(fù)雜的模型。本論文中的模型是型鋼和混凝土的組合，模型比較復(fù)雜，因此采用了實體建模法。首先根據(jù)模型的外形幾何尺寸建模，然后適用工作平面分割體，分割可按照垂直三個坐標(biāo)軸的方向分別進(jìn)行，具體的分割位置要考慮混凝土中型鋼的位置以及單元網(wǎng)格密度變化處。單元網(wǎng)格的劃分是建模過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，它將幾何模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算進(jìn)度，甚至?xí)驗榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計算不收斂。在ANSYS中，單元的劃分有多種形式，第55頁/共60頁第3章型鋼混凝土非線性有限元模型單元形狀可以是規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的。為獲得足夠的計算