ABAQUS在土木工程的應(yīng)用4

混凝土

鋼筋混凝土ABAQUSChina內(nèi)容提綱介紹無(wú)鋼筋混凝土力學(xué)行為ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型加強(qiáng)筋(鋼)ABAQUS中的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例OverviewofABAQUSVersion6.3介紹介紹Motivation:

構(gòu)造兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的混凝土模型，預(yù)測(cè)混凝土和鋼筋混凝土的力學(xué)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(yīng)力)，占主導(dǎo)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(diào)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(dǎo)行為大荷載(非彈性)單調(diào)荷載、循環(huán)荷載都可以O(shè)verviewofABAQUSVersion6.3介紹典型應(yīng)用低壓應(yīng)用:典型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如帶加鋼筋混凝土梁、

板、柱、剪力墻核反應(yīng)堆容器高壓密封加壓失效模擬炮彈對(duì)混凝土容器的沖擊模擬冰對(duì)海岸建筑的沖擊模擬OverviewofABAQUSVersion6.3介紹高壓應(yīng)用:地下導(dǎo)彈發(fā)射井震動(dòng)響應(yīng)模擬水庫(kù)的混凝土大壩OverviewofABAQUSVersion6.3介紹混凝土容器構(gòu)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(gòu)和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

Concrete和rebar的相互作用，粘結(jié)滑動(dòng)(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(qiáng)筋（REBAR）選項(xiàng)提供非常全面的幾何設(shè)計(jì)：

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

OverviewofABAQUSVersion6.3無(wú)鋼筋筋混凝凝土的的力力學(xué)行行為無(wú)鋼筋筋混凝凝土的的力學(xué)學(xué)行為為混凝土土在高高壓下下（三三軸））表現(xiàn)現(xiàn)出準(zhǔn)準(zhǔn)脆性性的行行為不同于于普通通的脆脆性材材料,混凝土土可以以有非非彈性性變形形，非非彈性性變形形可以以比彈彈性變變形大大很多多混凝土土損傷傷機(jī)制制:混凝土土內(nèi)部部微裂裂紋和和微孔孔洞在高壓（靜水壓力）下材料的固化和多微孔的結(jié)構(gòu)的坍塌OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete單軸實(shí)實(shí)驗(yàn)超過某某應(yīng)力力水平平,concrete表現(xiàn)非非線性性行微裂紋導(dǎo)致應(yīng)變軟化單軸拉拉伸MazarsandPijau單軸壓壓縮KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete體積膨膨脹:VolumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofTypicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete雙軸加加載Underbiaxialcompressiveloading,concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests.Compressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土土雙軸軸強(qiáng)度度包絡(luò)絡(luò)圖FailuremodesofbiaxiallyloadedconcreteBiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete三軸加加載：：高壓混混凝土土裂紋紋擴(kuò)展展被阻阻止。。脆性性的特特性被被柔性性硬化化的特特性代代替。。Underhighconfiningpressure,crackpropagationisprevented.Thebrittlebehaviordisappearsandisreplacedbyductilitywithworkhardening.TriaxialconcretebehaviorChen(1982)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete循環(huán)加載力力學(xué)行為塑性和剛度度的退化反向加載剛剛度恢復(fù)(單向)Stress-deformationcurveundercyclicloading(smallcompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)Stress-deformationcurveundercyclicloading(largecompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)OverviewofABAQUSVersion6.3ABAQUS中的混凝土土本構(gòu)模型型ABAQUS中的混凝土土本構(gòu)模型型ABAQUS用連續(xù)介質(zhì)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(gè)積分點(diǎn)點(diǎn)上單獨(dú)計(jì)計(jì)算低壓力混凝凝土的本構(gòu)構(gòu)關(guān)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(gòu)構(gòu)關(guān)系CapmodelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel(ABAQUS/Standard)用于描述單調(diào)應(yīng)變?cè)诓牧现斜肀憩F(xiàn)出拉伸伸裂紋或者者壓縮時(shí)破破碎的行為為壓縮塑性應(yīng)應(yīng)變由“塑塑性壓縮屈屈服面”控控制裂紋出現(xiàn)在在當(dāng)應(yīng)力達(dá)達(dá)到裂紋紋產(chǎn)生面“crackdetectionsurface”時(shí)裂紋是影響響材料行為為的最關(guān)鍵鍵因素，它它將導(dǎo)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(yīng)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(zhì)材料壓縮的的行為假定定為線彈性性.脆性斷裂準(zhǔn)準(zhǔn)則可以使使得材料在在拉伸應(yīng)力力過大時(shí)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(diào)應(yīng)變,循環(huán)荷載,動(dòng)力載荷.標(biāo)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(jī)制以以及反向加加載剛度恢恢復(fù)的混凝凝土力學(xué)特特性Keywords:*CONCRETEDAMAGEDPLASTICITY*CONCRETETENSIONSTIFFENING*CONCRETECOMPRESSIONHARDENING*CONCRETETENSIONDAMAGE*CONCRETECOMPRESSIONDAMAGEOverviewofABAQUSVersion6.3CapModel此模型最最初于黏黏土材料料在Drucker-Prager剪切失效效模型加加了一個(gè)個(gè)“cap””Cap的作用約束模型型的靜水水壓力當(dāng)材料剪剪切屈服服時(shí)幫助助控制體體積膨脹脹這些特性性使得““cap””模型適用用于受到到高壓的的混凝土土靜水壓力力別單軸軸壓縮強(qiáng)強(qiáng)度大很很多這不包括括任何表表示拉伸伸裂紋（（cracking）和壓縮破碎碎(Crushing)的行為因此只適適用于收收到高壓壓的混凝凝土.Keywords:*CAPPLASTICITYand*CAPHARDENINGOverviewofABAQUSVersion6.3加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)用用加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)用用definerebarinbeamelements:Isoparametricrebarinthree-dimensionalmembrane/shellelements:SkewRebarinthree-dimensionalshell/membraneelements:Definerebarinaxisymmetricshell/membraneelements:Definealayerofuniformlyspacedrebarincontinuumelements(skew/ISOPARAMETRIC)OverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementWesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUSVersion6.3formodelingreinforcementofstructuralandcontinuumelements.AnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS/CAE.Anew*REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinfoThisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe*MEMBRANESECTION,the*SHELLSECTION,orthe*SURFACESECTIONoption.OverviewofABAQUSVersion6.3Reinforcement使用*REBARLAYER選項(xiàng)簡(jiǎn)簡(jiǎn)化了rebar在(continuum)elements中的定義.使用*EMBEDDEDELEMENT選項(xiàng)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(shí)體單元元網(wǎng)格劃分分一致Membrane單元的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)自動(dòng)約束束到主體的的實(shí)體單元元的節(jié)點(diǎn)上上Surfaceelements可以嵌入溫溫度－位位移耦合合的實(shí)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(dǎo)和和質(zhì)量擴(kuò)散散實(shí)體單元元中OverviewofABAQUSVersion6.3應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例ABAQUS/CAE演示OverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModelJainandKennedySlab二維平面應(yīng)應(yīng)變模型本構(gòu)關(guān)系：：SmearedCrackingModelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel考慮拉伸硬硬化效應(yīng)OverviewofABAQUSVersion6.3*REBAR的參數(shù)1.有加強(qiáng)筋的的單元forrb2.加強(qiáng)筋的截截面積0.193323.加強(qiáng)筋的間間距184.加強(qiáng)筋的方方向05.加強(qiáng)筋在單單元中的位位置.6266676.單元的哪條條邊上3OverviewofABAQUSVersion6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與與計(jì)算結(jié)果果比較OverviewofABAQUSVersion6.3算例：分析析地震載荷荷下的重力力壩Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam給出一個(gè)使使ABAQUS分析在任意意荷載下混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)的穩(wěn)定性性。地震荷載分分析：印度度一個(gè)水壩壩，6.5級(jí)地震。SeismicanalysisofKoynadam(India),subjectedtotheDecember11,1967,earthquakeofmagnitude6.5ontheRichterscale.計(jì)算說明:忽略壩基作作用，剛性性基礎(chǔ)。水動(dòng)力效應(yīng)應(yīng)使用Westergaard附加質(zhì)量技技術(shù),通過兩節(jié)點(diǎn)點(diǎn)用戶單元元實(shí)現(xiàn)。材料阻尼為為壩體一階階振動(dòng)臨界界阻尼的3%拉伸失效數(shù)數(shù)據(jù)通過斷斷裂能給出出OverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam有限元網(wǎng)格格:760CPS4R4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)應(yīng)力單元，，36個(gè)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;usedinconcretPlasticitymodels:Opensurface,pressureindependent(Mises)Opensurface,pressuredependent(Drucker-Prager,Mohr-Coulomb)Closedsurface(Cam-clay,Drucker-PragerwithCap)Multisurface(jointedmaterial)OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModelMohr-CoulombModelMohr-Coulomb塑性模型是是一種構(gòu)造造粒狀材料料比如土土壤，一般般只考慮單單調(diào)荷載，，并且是““率無(wú)關(guān)””材料在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模型有有一下特征征:小載荷情況況下存在一一個(gè)線彈性性的階段，，隨載荷的的變大，材材料的變形形中包括不不可恢復(fù)成成分。認(rèn)為為材料進(jìn)入入塑性階段段。材料初始各各向同性屈服行為與與靜水壓力力有關(guān)，材材料隨著約約束力的變變大而變得得更強(qiáng)屈服行為受受中間主應(yīng)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(xiàn)現(xiàn)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(dòng)法法則可以考慮溫溫度的影響響假設(shè)材料““率無(wú)關(guān)””O(jiān)verviewofABAQUSVersion6.3ModifiedDrucker-PragerModels修正的Drucker-Prager模型這種模型用用于模擬單單調(diào)荷載下下材料的響響應(yīng)，比如如分析地基基下土壤的的極限荷載載，這是最最簡(jiǎn)單的一一種模擬摩摩擦材料的的本構(gòu)模型型。此模型型基本本特性性如下下：存在完完全彈彈性響響應(yīng)部部分，，材料料的變變形中中包括括一部部分不不可恢恢復(fù)成成分。。認(rèn)為為材料料進(jìn)入入塑性性階段段。材料初初始各各向同同性屈服行行為與與靜水水壓力力有關(guān)關(guān)，材材料隨隨著約約束力力的變變大而而變得得更強(qiáng)強(qiáng)。材料會(huì)會(huì)有各各向同同性的的硬化化或者者軟化化。OverviewofABAQUSVersion6.3非彈性性行為為通常常伴隨隨著體體積改改變：：在非非彈性性膨脹脹和非非彈性性剪切切變形形中引引入流流動(dòng)法法則。。ABAQUS中提供供兩種種流動(dòng)動(dòng)法則則。屈服行行為會(huì)會(huì)受中中間主主應(yīng)力力的影影響材料可可以是是“率率相關(guān)關(guān)”材材料可以引引入溫溫度效效應(yīng)ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地質(zhì)質(zhì)材材料料在在一一定定條條件件下下在在一一定定的的條條件件下下會(huì)會(huì)有有蠕蠕變變。。當(dāng)加加載載時(shí)時(shí)間間與與材材料料蠕蠕變變的的時(shí)時(shí)間間特特征征時(shí)時(shí)間間相相當(dāng)當(dāng)，，材材料料塑塑性性和和蠕蠕變變的的方方程程需需要要一一起起考考慮慮。。ABAQUS提供供可可以以用用于于增增強(qiáng)強(qiáng)Drucker-Prager的蠕蠕變變模模型型。。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正正Cam-Clay模型型這個(gè)個(gè)模模型型用用于于描描述述無(wú)粘粘性性材料料的的本本構(gòu)構(gòu)模模型型。。這是是經(jīng)經(jīng)典典劍劍橋橋黏黏土土模模型型的的擴(kuò)擴(kuò)展展。?；颈咎靥卣髡鳎海悍蔷€線性性彈彈性性響響應(yīng)應(yīng)，，接接下下來(lái)來(lái)材材料料進(jìn)進(jìn)入入塑塑性性階階段段初始始各各向向同同性性屈服服行行為為與與靜靜水水壓壓力力有有關(guān)關(guān)，，臨臨界界狀狀態(tài)態(tài)分分為為兩兩個(gè)個(gè)區(qū)區(qū)域域：：在在““干干””面面上上材材料料軟軟化化，，在在““濕濕””面面上上材材料料硬硬化化。。硬硬化化和和軟軟化化行行為為濕濕體體積積塑塑性性應(yīng)應(yīng)變變的的函函數(shù)數(shù)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(dòng)動(dòng)法則。屈服行為會(huì)會(huì)受中間主主應(yīng)力的影影響假設(shè)無(wú)粘性性可以包括溫溫度效應(yīng)Underlargestressrevers