ABAQUS在土木工程的应用.ppt

混凝土钢筋混凝土 ABAQUSChina OverviewofABAQUSVersion6 3 内容提纲 介绍无钢筋混凝土力学行为ABAQUS中的混凝土本构模型加强筋 钢 ABAQUS中的应用应用实例 介绍 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 Motivation 构造两种不同应力状态的混凝土模型 预测混凝土和钢筋混凝土的力学行为1 低压混凝土 静水压力小于三倍单轴单轴压缩失效应力 占主导地位的是混凝土开裂 cracking 的行为大荷载 塑性阶段 次生裂缝行为明显单调荷载 可以包括小的反向加载 但是不能模拟循环加载 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 2 Modelingthebehaviorofunreinforcedandreinforcedconcretestructures高压 equivalentpressurestressmanytimeslargerthanuniaxialcompressionfailurestress 混凝土的压碎 crushing 是主导行为大荷载 非弹性 单调荷载 循环荷载都可以 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 典型应用低压应用 典型的结构构件 如带加钢筋混凝土梁 板 柱 剪力墙核反应堆容器高压密封加压失效模拟炮弹对混凝土容器的冲击模拟冰对海岸建筑的冲击模拟 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 高压应用 地下导弹发射井震动响应模拟水库的混凝土大坝 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 混凝土容器构造 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 钢筋混凝土建模 混凝土模型 钢筋模型 混凝土和钢筋的相互作用ABAQUS中分别定义混凝土本构和钢筋的本构关系 Concrete和rebar的相互作用 粘结滑动 bondslip and暗销作用 dowelaction 都可以通过引入拉伸硬化 tensionstiffening 模拟 OverviewofABAQUSVersion6 3 介绍 加强筋 REBAR 选项提供非常全面的几何设计 Rebar可以是单独的筋 也可以是夹层 加强筋和夹层的方向是任意的可以加载初始应力 初始应力可以为 pre tensioned 灌浆前后都可以 也可以为 post tensioned 通常无灌浆 无钢筋混凝土的力学行为 OverviewofABAQUSVersion6 3 无钢筋混凝土的力学行为 混凝土在高压下 三轴 表现出准脆性的行为不同于普通的脆性材料 混凝土可以有非弹性变形 非弹性变形可以比弹性变形大很多混凝土损伤机制 混凝土内部微裂纹和微孔洞的产生和发展在高压 静水压力 下材料的固化和多微孔的结构的坍塌 OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 单轴实验超过某应力水平 concrete表现非线性行为 表现出累积不可恢复的损伤直到发生破坏微裂纹导致应变软化 单轴拉伸MazarsandPijaudier Cabot 1989 单轴压缩KarsanandJirsa 1969 OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 体积膨胀 Volumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofcracksparalleltothedirectionofthegreatestcompressivestress Typicalplotofcompressivestressvs axial lateral andvolumetricstrain OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 双轴加载 混凝土失效应力大于单轴状态时的失效强度Underbiaxialcompressiveloading concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests Compressivestressvs straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial compressiveloadingKupferetal 1969 OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 混凝土双轴强度包络图 Failuremodesofbiaxiallyloadedconcrete BiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal 1969 OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 三轴加载 高压混凝土裂纹扩展被阻止 脆性的特性被柔性硬化的特性代替 Underhighconfiningpressure crackpropagationisprevented Thebrittlebehaviordisappearsandisreplacedbyductilitywithworkhardening TriaxialconcretebehaviorChen 1982 OverviewofABAQUSVersion6 3 MechanicalBehaviorofPlainConcrete 循环加载力学行为塑性和刚度的退化反向加载刚度恢复 单向 Stress deformationcurveundercyclicloading smallcompressivestress ReinhardtandCornelissen 1984 Stress deformationcurveundercyclicloading largecompressivestress ReinhardtandCornelissen 1984 ABAQUS中的混凝土本构模型 OverviewofABAQUSVersion6 3 ABAQUS中的混凝土本构模型 ABAQUS用连续介质的方法建立描述混凝土模型不采用宏观离散裂纹的方法描述裂纹的水平的在每一个积分点上单独计算低压力混凝土的本构关系Smearedcrackingmodel ABAQUS Standard Brittlecrackingmodel ABAQUS Explicit 混凝土损伤模型 ABAQUSVersion6 3 高压力混凝土的本构关系Capmodel OverviewofABAQUSVersion6 3 SmearedCrackingModel ABAQUS Standard 用于描述单调应变在材料中表现出拉伸裂纹或者压缩时破碎的行为压缩塑性应变由 塑性压缩屈服面 控制裂纹出现在当应力达到裂纹产生面 crackdetectionsurface 时裂纹是影响材料行为的最关键因素 它将导致开裂以及开裂后的材料的各向异性Keywords CONCRETE TENSIONSTIFFENING SHEARRETENTION and FAILURERATIOS例题 OverviewofABAQUSVersion6 3 CrackingModel ABAQUS Explicit ABAQUS Explicit中脆性破裂模型适用于拉伸裂纹控制材料行为的应用压缩失效不重要此模型考虑了由于裂纹引起的材料各向异性性质材料压缩的行为假定为线弹性 脆性断裂准则可以使得材料在拉伸应力过大时失效Keywords BRITTLECRACKING BRITTLEFAILURE and BRITTLESHEAR OverviewofABAQUSVersion6 3 ConcreteDamagedPlasticity ABAQUSVersion6 3 适用于混凝土的各种荷载分析单调应变 循环荷载 动力载荷 标量损伤模型 各向同性 包含拉伸开裂 cracking 和压缩破碎 crushing 此模型可以模拟硬度退化机制以及反向加载刚度恢复的混凝土力学特性Keywords CONCRETEDAMAGEDPLASTICITY CONCRETETENSIONSTIFFENING CONCRETECOMPRESSIONHARDENING CONCRETETENSIONDAMAGE CONCRETECOMPRESSIONDAMAGE OverviewofABAQUSVersion6 3 CapModel 此模型最初于黏土材料在Drucker Prager剪切失效模型加了一个 cap Cap的作用约束模型的静水压力当材料剪切屈服时帮助控制体积膨胀这些特性使得 cap 模型适用于受到高压的混凝土静水压力别单轴压缩强度大很多这不包括任何表示拉伸裂纹 cracking 和压缩破碎 Crushing 的行为因此只适用于收到高压的混凝土 Keywords CAPPLASTICITYand CAPHARDENING 加强筋 钢 在ABAQUS中的应用 OverviewofABAQUSVersion6 3 加强筋 钢 在ABAQUS中的应用 definerebarinbeamelements Isoparametricrebarinthree dimensionalmembrane shellelements SkewRebarinthree dimensionalshell membraneelements Definerebarinaxisymmetricshell membraneelements Definealayerofuniformlyspacedrebarincontinuumelements skew ISOPARAMETRIC OverviewofABAQUSVersion6 3 Reinforcement WesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUSVersion6 3formodelingreinforcementofstructuralandcontinuumelements AnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS CAE Anew REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinforcementinmembrane shell orsurfaceelements Thisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe MEMBRANESECTION the SHELLSECTION orthe SURFACESECTIONoption OverviewofABAQUSVersion6 3 Reinforcement 使用 REBARLAYER选项简化了rebar在 continuum elements中的定义 使用 EMBEDDEDELEMENT选项在主体continuumelements中埋入一组membrane或者surface单元作为夹层Usage EMBEDDEDELEMENT HOSTELSET solid set namememb set nameorsurf set name embeddedsurfaceelementswithrebar hostcontinuumelements OverviewofABAQUSVersion6 3 Reinforcement Membrane单元不必与实体单元网格划分一致Membrane单元的节点自动约束到主体的实体单元的节点上Surfaceelements可以嵌入温度 位移耦合的实体单元中 但是不能模拟出隔热 传热的行为Surfaceelements不可以嵌入热传导和质量扩散实体单元中 应用实例 OverviewofABAQUSVersion6 3 应用实例 ABAQUS CAE演示 OverviewofABAQUSVersion6 3 SmearedCrackingModel JainandKennedySlab二维平面应变模型本构关系 SmearedCrackingModel OverviewofABAQUSVersion6 3 SmearedCrackingModel 考虑拉伸硬化效应 OverviewofABAQUSVersion6 3 REBAR的参数 1 有加强筋的单元forrb2 加强筋的截面积0 193323 加强筋的间距184 加强筋的方向05 加强筋在单元中的位置 6266676 单元的哪条边上3 OverviewofABAQUSVersion6 3 实验结果与计算结果比较 算例 分析地震载荷下的重力坝 OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam 给出一个使ABAQUS分析在任意荷载下混凝土结构的稳定性 地震荷载分析 印度一个水坝 6 5级地震 SeismicanalysisofKoynadam India subjectedtotheDecember11 1967 earthquakeofmagnitude6 5ontheRichterscale 计算说明 忽略坝基作用 刚性基础 水动力效应使用Westergaard附加质量技术 通过两节点用户单元实现 材料阻尼为坝体一阶振动临界阻尼的3 拉伸失效数据通过断裂能给出 OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam 有限元网格 760CPS4R4节点平面应力单元 36个用户单元 Geometryofatypicalnonoverflowmonolith OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam MaterialpropertiesforKoynadamconcrete OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam Concretetensileproperties tensionstiffeningandtensiondamage OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam Transverseandverticalcomponentsofthegroundaccelerations unitsofg 9 81msec 2 Transversegroundacceleration Verticalgroundacceleration Thedamundergoesseveredamagebutretainsitsoverallstructuralstability Structuraldamageduetotensilecrackingfailure t 10sec OverviewofABAQUSVersion6 3 Example SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam Thetensiledamagevariable 拉伸损伤变量 DAMAGET isanondecreasingquantityassociatedwithtensile cracking failureofthematerial Thestiffnessdegradationvariable 刚度梯度变量 SDEG canincreaseordecrease reflectingthestiffnessrecoveryeffectsassociatedwiththeopening closingofcracks 水平位移峰值Horizontalcrestdisplacement relativetogrounddisplacement ContourplotofDAMAGET left andSDEG right attimet 4 456sec correspondingtothelargestexcursionofthecrestinthedown streamdirection t 4 456sec Rock Soil OverviewofABAQUSVersion6 3 OverviewofConstitutiveModels Elasticitymodels 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 3 Mohr CoulombModel Mohr CoulombModelMohr Coulomb塑性模型是一种构造粒状材料比如土壤 一般只考虑单调荷载 并且是 率无关 材料在ABAQUS中Mohr Coulomb塑性模型有一下特征 小载荷情况下存在一个线弹性的阶段 随载荷的变大 材料的变形中包括不可恢复成分 认为材料进入塑性阶段 材料初始各向同性屈服行为与静水压力有关 材料随着约束力的变大而变得更强屈服行为受中间主应力的最大值的影响 OverviewofABAQUSVersion6 3 Mohr CoulombModel 包括各向同性的硬化的软化随体积变化材料表现出非弹性行为 在非弹性膨胀和非弹性剪切变形中中引入流动法则可以考虑温度的影响假设材料 率无关 OverviewofABAQUSVersion6 3 ModifiedDrucker PragerModels 修正的Drucker Prager模型这种模型用于模拟单调荷载下材料的响应 比如分析地基下土壤的极限荷载 这是最简单的一种模拟摩擦材料的本构模型 此模型基本特性如下 存在完全弹性响应部分 材料的变形中包括一部分不可恢复成分 认为材料进入塑性阶段 材料初始各向同性屈服行为与静水压力有关 材料随着约束力的变大而变得更强 材料会有各向同性的硬化或者软化 OverviewofABAQUSVersion6 3 非弹性行为通常伴随着体积改变 在非弹性膨胀和非弹性剪切变形中引入流动法则 ABAQUS中提供两种流动法则 屈服行为会受中间主应力的影响材料可以是 率相关 材料可以引入温度效应 ModifiedDrucker PragerModels OverviewofABAQUSVersion6 3 CoupledCreepandDrucker PragerPlasticity CoupledCreepandDrucker PragerPlasticity地质材料在一定条件下在一定的条件下会有蠕变 当加载时间与材料蠕变的时间特征时间相当 材料塑性和蠕变的方程需要一起考虑 ABAQUS提供可以用于增强Drucker Prager的蠕变模型 OverviewofABAQUSVersion6 3 ModifiedCam ClayModel 修正Cam Clay模型这个模型用于描述无粘性材料的本构模型 这是经典剑桥黏土模型的扩展 基本特征 非线性弹性响应 接下来材料进入塑性阶段初始各向同性屈服行为与静水压力有关 临界状态分为两个区域 在 干 面上材料软化 在 湿 面上材料硬化 硬化和软化行为湿体积塑性应变的函数 OverviewofABAQUSVersion6 3 ModifiedCam ClayModel 非弹性行为通常伴随着体积改变 在