采用塑性損傷模型分析鋼-混凝土組合構(gòu)件的靜力性能_百度.

1、第11卷第3期2009年6月建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展ProgressinSteelBuildingStructuresVol.11No.3Jun.2009收稿日期：2008-03-24;收到修改稿日期：2008-09-25作者簡介：堯國皇（1980-,男，博士，工程師，主要從事超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜動力彈塑性分析。E2mail:yaogh。黃用軍（1962-,男，碩士，總工程師，主要從事超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用塑性損傷模型分析鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能堯國皇1,黃用軍2,宋寶東2,譚偉2（1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳518029;2.中建國際（深

2、圳設(shè)計顧問有限公司，廣東深圳518033摘要：在大型通用有限元軟件ABAQUS中，為混凝土材料定義了一種材料模型：塑性損傷模型。它可以模擬混凝土材料的拉裂和壓碎等力學(xué)現(xiàn)象，而且使用也較為方便。在本文中，作者結(jié)合自己的研究工作，介紹了塑性損傷模型在鋼管混凝土柱、型鋼2鋼管混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱靜力性能分析中的應(yīng)用，詳細(xì)討論了混凝土塑性損傷模型中有關(guān)參數(shù)的設(shè)置方法。計算結(jié)果表明，在準(zhǔn)確合理建模和設(shè)置參數(shù)的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性損傷模型準(zhǔn)確地模擬鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能,從而減小實驗工作量，節(jié)約開支。本文的有關(guān)論述和方法可為同類研究提供參考。關(guān)鍵詞：塑性損傷模型；鋼2混凝土組合

3、構(gòu)件；靜力性能；有限元中圖分類號：TU398文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:-07AnalysisforStaticConcreteCompositestic2DamageModelYAOGuohuang1,HUANGYong2jun2,SONGBao2dong2,TANWei2(1.ShenzhenMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Shenzhen518029,China;2.ChinaConstruction(ShenZhenDesignInternational,Shenzhen518033,ChinaYAOGuo2

4、huang:yaoghAbstract:IntheFEAsoftwareofABAQUS,amaterialmodelof“plastic2damagemodelisdefinedforconcrete.Itcansimulatethetypicalmechanicsbehaviourofconcretesuchascrackandcrush,andcanbeusedconveniently.Inthispaper,accordingtotheresearchworkoftheauthors,theapplicationsofplastic2damagemodelinanalysisforst

5、aticbehaviourofsteelandconcretecompositemembers,includingconcretefilledsteeltubecolumn,hollowsteeltubefilledwithsteel2reinforcedconcretecolumnandsteeltube2reinforcedconcretecolumn,arepresented.Andthesetupofcorrelativeparametersarediscussedindetails.ThecalculatedresultsshowthatwithproperFEAmodelandpa

6、rameters,plastic2damagemodelcansimulatestaticbehaviourofsteelandconcretecompositemembersprecisely.Hence,itcanreducethetestworkandsavethecost.Theresearchinthispapermaybereferredforcorrelativeresearch.Keywords:plastic2damagemodel;steelandconcretecompositemembers;staticbehaviour;FEA鋼2混凝土組合構(gòu)件由于鋼和混凝土之間的相

7、互作用”能充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點，因此，這類構(gòu)件具有廣闊的應(yīng)用前景。鋼2混凝土組合構(gòu)件的力學(xué)性能和設(shè)計方法已經(jīng)成為研究者關(guān)注的熱點問題之一。為了了第3期采用塑性損傷模型分析鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能解這類構(gòu)件的力學(xué)性能和工作機(jī)理，往往需要利用三維實體單元進(jìn)行非線性有限元分析，而組合構(gòu)件中的混凝土材料本身具有開裂、壓碎等諸多復(fù)雜的力學(xué)行為，給進(jìn)行三維非線性有限元分析帶來了較大的困難。在大型通用有限元軟件ABAQUS中，為混凝土材料定義了一種材料模型：塑性損傷模型。它可以模擬混凝土材料的拉裂和壓碎等力學(xué)現(xiàn)象，而且使用也較為方便。文獻(xiàn)1采用塑性損傷模型對鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的

8、研究，為本文的研究提供了良好的參考，但是以往的研究采用塑性損傷模型對型鋼2鋼管混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱等組合柱的研究報道較少見，本文中作者結(jié)合自己的研究工作，詳細(xì)討論了混凝土塑性損傷模型中有關(guān)參數(shù)的設(shè)置方法，并介紹了塑性損傷模型在鋼管混凝土柱1、型鋼2鋼管混凝土柱2和鋼管混凝土疊合柱3靜力性能分析中的應(yīng)用(本文中的靜力性能”指構(gòu)件一次加載下力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，在準(zhǔn)確合理建模和設(shè)置參數(shù)的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性損傷模型準(zhǔn)確地模擬鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能。1塑性損傷模型介紹混凝土塑性損傷模型4適用于準(zhǔn)脆性材料、和其它脆性材料，例如，,壓碎，只要圍壓高到足夠防止裂紋擴(kuò)散，混凝土

9、的脆性便會消失，混凝土的宏觀響應(yīng)也就類似于硬化的延性材料，具損壞是在破壞面或屈服面上屈服和流動。ABAQUS中的塑性損傷模型是在Lubliner等5、Lee和Fenves6提出的模型的基礎(chǔ)上建立的。圖1給出了塑性損傷模型中混凝土在單軸拉伸和壓縮荷載作用下的響應(yīng)?；炷翉膽?yīng)力2應(yīng)變關(guān)系曲線軟化段某一點卸載，卸載響應(yīng)變?nèi)?，即材料的彈性剛度出現(xiàn)損傷。在拉伸和壓縮實驗中，彈性剛度的損傷顯著不同，不管哪種情況，隨著塑性應(yīng)變的增長，損傷效應(yīng)會越明顯?；炷恋膿p傷響應(yīng)由兩個單軸損傷系數(shù)dt、dc來衡量，它們是塑性應(yīng)變、溫度和場變量的函數(shù)4:dt=dt(£plt,9,fi(0<dt<1(

10、1adc=dc(£Pl9,fi(0<dc<1(1b上式中，ep睡拉伸等效塑性應(yīng)變,plc是壓縮等效塑性應(yīng)變,下標(biāo)t和c分別表示拉伸和壓縮,為溫度,fi(i=1,2,為其它的影響變量。若E0彈性模量，混凝土的壓應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系可以表4t=(1-dt?E0?(e弋eplt(2a(rc=d1c?E0?(£cplc(2b圖1單軸拉伸和壓縮荷載作用下混凝土的響應(yīng)4在單軸拉伸荷載作用下，裂縫沿垂直于應(yīng)力的方向擴(kuò)展，因此裂縫的結(jié)核和傳播導(dǎo)致承載面積減小，從而導(dǎo)致有效應(yīng)力的增加。在單軸壓縮荷載作用下，由于裂縫沿著加載方向開裂，損傷效應(yīng)沒有拉伸荷載作用下顯著，然而，當(dāng)受壓程度相當(dāng)高

11、時，有效承載面積也要大為減小。定義單軸有效拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，并以此作為屈服面和破壞面的確定依據(jù)4:(T-1=(Tt(1-d1=E0?(e-1e-pl1(TC(1-dc=E0?(&cPlc(3b要準(zhǔn)確定義塑性損傷模型中的混凝土受壓行為，還需要確定如下的一些參數(shù)4:(1p-q平面中高圍壓情況下的膨脹角巾其值在15°至56.3之間;(2塑性勢能力方程的流動偏角:,缺省值為0.1,表明材料在很大的圍壓范圍內(nèi)，膨脹角幾乎不變，增加：值,流動勢曲率更大，這意味著隨著圍壓的降低，膨脹角迅速增加，在低圍壓下，若:值小很多，可能導(dǎo)致計算收斂困難；(3雙軸等壓時混凝土的強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之比3建筑

12、鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展第11卷b00/(rCW值為1.16;(4拉子午線q(TM、壓子午線q(CM上第二應(yīng)力不變量的比值Kc,實驗結(jié)果表明，對于混凝土Kc可以近似為一常數(shù)(Lubliner,等5,其缺省值為2/3;tjpfH*叫尸IIIfftqiuqiE|f|4|wl|«*r*口怙廿$2(5粘塑性系統(tǒng)松弛時間的粘性系數(shù)以在隱式分析程序中(ABAQUS/Standard,材料出現(xiàn)軟化和剛度弱化時計算將難以收斂，在本構(gòu)方程中采用粘塑性規(guī)則化可以部分解決這個問題。在ABAQUS/Standard中，粘性系數(shù)小的缺省值為0。本文的分析中，膨脹角取30；其余參數(shù)均取缺省值。在定義混凝土受拉軟化性能時，AB

13、AQUS軟件中提供三種定義混凝土受拉軟化性能的方法:(1采用混凝土受拉的應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系；(2采用混凝土應(yīng)力2裂縫寬度關(guān)系；(3采用混凝土破壞能量準(zhǔn)則來考慮混凝土受拉軟化性能即應(yīng)力2斷裂能關(guān)系。通常，采用能量破壞準(zhǔn)則定義混凝土受拉軟化性能具有較好的計算收斂性(Hillerborg等7。該準(zhǔn)則以脆性破壞概念定義開裂的單位面積作為材料參數(shù)，因此，混凝土脆性性能就是用應(yīng)力2斷裂能關(guān)系來描述，而不是用應(yīng)力2裂縫寬度關(guān)系來描述。該模型假定混凝土開裂后應(yīng)力線性減小，本文采用了該模型來模擬混凝土受拉軟化性能，如圖2所示，圖中，Gf和分別為混凝土的斷裂能(縫所需的能量值和破壞應(yīng)力，(Hibbitt4,它使用非關(guān)

14、聯(lián)多硬化塑性和各向同性損傷彈性相結(jié)合的方式來描述混凝土破碎過程中發(fā)生的不可恢復(fù)的損傷，這一特性使得塑性損傷模型具有更好的收斂性。圖2混凝土受拉軟化模型2 模型驗證為了驗證混凝土塑性損傷模型的準(zhǔn)確性，對著名的Kupfer等8不等雙軸受壓2應(yīng)變關(guān)系曲，20cm20cm>5cm,彈性模E0,0.24混凝土采用8節(jié)點減C3D8R來模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較如圖3所示，6方向為主受壓軸方向。可見，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。從圖3比較結(jié)果可見，混凝土的塑性損傷模型可以較好地模擬混凝土在單軸、雙軸等復(fù)雜受力狀態(tài)下的工作性能。1kBiQ14f=*>f""知0HMJO15O

15、GHW50UIDOO”002(KM)知01(MX)15002Wffl工即£卜£(他上)£(pc)mi一廝一排(C)一壓一1拉m一本ts圖3素混凝土”fc2e實驗曲線與計算曲線的比較41o第3期采用塑性損傷模型分析鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能3 實例分析3.1鋼管混凝土柱鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對其核心混凝土的約束作用，使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能得到了改善。同時，由于混凝土的存在，可以延緩或避免鋼管過早地發(fā)生局部屈曲，從而可以保證其材料性能的充分發(fā)揮1。如上所述，由于鋼管和混凝土兩

16、種材料之間的相互作用，使得鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性能較好和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，因而越來越廣泛地應(yīng)用于各類工程應(yīng)用并已取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果1。鋼管混凝土構(gòu)件的工作機(jī)理已經(jīng)是研究者關(guān)注的熱點問題，文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)9采用有限元軟件ABAQUS對鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下的工作性能進(jìn)行了研究，取得了較好的進(jìn)展，有限元建模時，混凝土材料采用塑性損傷模型和三維實體單元C3D8R模擬,鋼材采用等向強(qiáng)化模型和S4R單元,以下鋼和混凝土采用相同的單元類型，不再重復(fù)。圖4和圖5分別是鋼管混凝土在軸心受力下和受彎扭復(fù)合受力情況下的計算曲線和實驗曲線比較，圖4中N0為鋼管混凝土短柱

17、的名義軸壓強(qiáng)度9,圖6給出了圓鋼管混凝土構(gòu)件在純扭受力狀態(tài)下的截面剪應(yīng)力分布情況。文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)9將計算結(jié)果與各類受力狀態(tài)情況下的實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，吻合較好，并分析了各受力狀態(tài)情況下截面應(yīng)力狀態(tài)和鋼管與混凝土之間的相互作用，使人們更深入地了解了鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)實質(zhì)。H4JE&J_在地心曼刀下的甘）1百也看要也比班-aim»i«tftwinift«flTKsit»a5ttBB«tr«建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展第11卷-jj*4(jlfinVEM|KiiikCfr|«aaaKLUfnuKypuj*mm)TAM-SOMp口b:*V

18、£圖6圓鋼管混凝土在純扭受力狀態(tài)下的截面剪應(yīng)力分布93.2型鋼2鋼管混凝土柱(a)鋼管tpwi|dAWYl1iifepuTAM-30M薩隨著建筑物高度和跨度的不斷增加，柱子承擔(dān)的軸力將越來越大，而建筑物承重柱的設(shè)計是關(guān)系到建筑物在大震下能否倒塌的關(guān)鍵，這就要求在重載條件下，柱子不但要有足夠的強(qiáng)度而且要有較好的延性。文獻(xiàn)2提出了一種新型的鋼2混凝土組合結(jié)構(gòu)柱，即型鋼2鋼管混凝土柱。型鋼2鋼管混凝土柱具有鋼骨混凝土和鋼管混凝土兩種組合柱的優(yōu)點，它具有較高的承載能力和良好的延性，尤其適合用作重載柱2。因此,型鋼2具有廣闊的工程應(yīng)用前景,研究型鋼2學(xué)性能十分有必要。有限元建模時，采用軟件中C

19、ontact一定義鋼管和混凝土各自接觸面(鋼管為主控表面，混凝土為從屬表面，并設(shè)置具有交互作用(交互作用的性質(zhì)按上述描述進(jìn)行設(shè)置,來模擬接觸面分離及摩擦行為,且定義為SmallSliding現(xiàn)象。型鋼采用ABAQUS軟件中的EmbeddedRegion令將其嵌入混凝土中，不考慮型鋼與核心7混凝土之間的滑移圖7給出了典型的型鋼2方鋼管混凝土組合柱中鋼管、型鋼和核心混凝土單元劃分的示意圖。文獻(xiàn)1011采用該有限元模型對收集到的型鋼2鋼管混凝土軸心受力的實驗結(jié)果進(jìn)行了驗算，結(jié)果表明，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，圖8給出了部分計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較情況，10110圖7典型的型鋼2方鋼管混凝土組合柱中

20、鋼管、型鋼和核心混凝土單元劃分示意圖圖8型鋼2鋼管混凝土軸壓短柱計算曲線和實驗曲線比較61第3期采用塑性損傷模型分析鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能173.3鋼管混凝土疊合柱鋼管混凝土疊合柱是由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土疊合而成的3。這類組合構(gòu)件不僅具有鋼管混凝土構(gòu)件的優(yōu)點，而且鋼管外的混凝土還可以起到抗火的作用，已經(jīng)有不少鋼管疊合柱應(yīng)用的工程實例，如23層的遼寧郵政樞紐大樓，22層的沈陽和泰大廈和33層的沈陽電力花園雙塔。鋼管混凝土疊合柱適用于我國非抗震和抗震地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)，尤其適用于抗震設(shè)防地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)。有限元建模時，鋼管內(nèi)和鋼管外的混凝土材料同樣采用了混凝土塑性損傷模型，

21、鋼筋采用TRUSS單元來模擬，采用ABAQUS軟件中的EmbeddedRegio命令將其嵌入混凝土中，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。采用以上建模方法對文獻(xiàn)12進(jìn)行的鋼管混凝土疊合軸壓短柱的實驗曲線進(jìn)行了驗算，試件具體參數(shù)詳見文獻(xiàn)12。圖9給出了鋼管混凝土疊合柱在軸壓荷載2變形關(guān)系曲線計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較，可見，計算曲線與實驗曲線基本吻合。圖10給出了典型的極限承載力時鋼管混凝土疊合柱中鋼筋、鋼管和混凝土的應(yīng)力分布情況。通過這些分析計算，讓我們更加清楚地認(rèn)識了鋼管混凝土疊合柱在受力各階段的工作性能和應(yīng)力狀態(tài)。作者參與設(shè)計的深圳卓越？皇崗世紀(jì)中心項目的2號塔樓：地下3層，地上57層，結(jié)構(gòu)總高度

22、260米，地上第1層至27層采用鋼管混凝土疊合柱。由于本結(jié)構(gòu)屬于超限結(jié)構(gòu)，就更有必要了解鋼管混凝土疊合柱在中震和罕遇地震下的工作性能。采用以上的建模方法，對該項目的鋼管混凝土疊合柱進(jìn)行了受力全過程分析，對設(shè)計起到很好的指導(dǎo)作用13。圖9鋼管混凝土疊合柱軸壓計算曲線和實驗曲線比較凝土疊合柱靜力性能分析中的應(yīng)用，詳細(xì)討論了混凝土塑性損傷模型中有關(guān)參數(shù)的設(shè)置方法。計算結(jié)果表明，在準(zhǔn)確合理建模和設(shè)置參數(shù)的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性損傷模型準(zhǔn)確地模擬鋼2混凝土組合構(gòu)件的靜力性能。4結(jié)論本文結(jié)合作者的科研工作，介紹了ABAQUS軟件中塑性損傷模型在鋼管混凝土柱、型鋼2鋼管混凝土柱和鋼管混18建筑

23、鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展第11卷圖10鋼管混凝土疊合柱中鋼筋、鋼管和混凝土的應(yīng)力分布7HillerborgA,ModeerM,PeterssonPE.Analysisofcrack參考文獻(xiàn)：1韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)2理論與實踐M.北京：科學(xué)出版formationandcrackgrowthinconcretebymeansoffracturemechanicsandfiniteelementsJ.CementandConcrete8KupferHB,HilsdorfHK,RuschH.Behaviorofconcrete9堯國皇.鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下的工作機(jī)理研究D.福州：福州大學(xué)，2006.10

24、堯國皇，等.軸心受壓時型鋼2鋼管混凝土柱力學(xué)性能的研究11堯國皇，黃用軍，譚偉.型鋼2方鋼管混凝土荷載2變形關(guān)系曲12陳周熠.鋼管高強(qiáng)混凝土核心柱設(shè)計計算方法研究D.大J.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2007,9(6:26232.underbiaxialstressJ.ACIJournal,1969,66(8:6562666.Research,1976,6(6:7732782tt,2007.2王濤湘，趙大洲，關(guān)萍.鋼骨2鋼管高強(qiáng)混凝土軸壓組合柱受3鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS188:2005S.4Hibbitt,Karlson,Sorenson.ABAQUSVersion6.4:Theorymanual,users'manual,verificationmanualandexampleproblemsmanual.Hibbitt