ABAQUS在土木工程的应用[共55页]

1、混凝土钢筋混凝土,ABAQUS China,Overview of ABAQUS Version 6.3,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,Overview of ABAQUS Version 6.3,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）,Over

2、view of ABAQUS Version 6.3,介绍,2：Modeling the behavior of unreinforced and reinforced concrete structures 高压 (equivalent pressure stress many times larger than uniaxial compression failure stress) 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,Overview of ABAQUS Version 6.3,介绍,典型应用 低压应用: 典型的结构构件, 如带加钢筋

3、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,Overview of ABAQUS Version 6.3,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,Overview of ABAQUS Version 6.3,介绍,混凝土容器构造,Overview of ABAQUS Version 6.3,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(bond slip) and 暗销作用(do

4、wel action)都可以通过引入拉伸硬化(tension stiffening)模拟,Overview of ABAQUS Version 6.3,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,Overview of ABAQUS Version 6.3,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

5、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,Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,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 Mazars and Pijaudier-Cabot (1989),单轴压缩 Karsan and Jirsa (1969),Overview of ABAQUS V

6、ersion 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,体积膨胀: Volume increase that results from the formation and growth of cracks parallel to the direction of the greatest compressive stress.,Typical plot of compressive stress vs. axial, lateral, and volumetric strain,Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechan

7、ical Behavior of Plain Concrete,双轴加载：混凝土失效应力大于单轴状态时的失效强度 Under biaxial compressive loading, concrete strength is greater than the one observed in uniaxial tests.,Compressive stress vs. strain components and volumetric strain under biaxial-compressive loading Kupfer et al. (1969),Overview of ABAQUS V

8、ersion 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,混凝土双轴强度包络图,Failure modes of biaxially loaded concrete,Biaxial strength envelope of concrete Kupfer et al. (1969),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,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。Under high confining pressure, cra

9、ck propagation is prevented. The brittle behavior disappears and is replaced by ductility with work hardening.,Triaxial concrete behavior Chen (1982),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mechanical Behavior of Plain Concrete,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-deformation curve under cyclic loading (sm

10、all compressive stress) Reinhardt and Cornelissen (1984),Stress-deformation curve under cyclic loading (large compressive stress) Reinhardt and Cornelissen (1984),ABAQUS中的混凝土本构模型,Overview of ABAQUS Version 6.3,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 Smear

11、ed cracking model (ABAQUS/Standard) Brittle cracking model (ABAQUS/Explicit) 混凝土损伤模型 (ABAQUS Version 6.3) 高压力混凝土的本构关系 Cap model,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model (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“crack detection surface”时 裂纹是影响材

12、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, *TENSION STIFFENING, *SHEAR RETENTION, and *FAILURE RATIOS 例题,Overview of ABAQUS Version 6.3,Cracking Model (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: *BRITT

13、LE CRACKING, *BRITTLE FAILURE, and *BRITTLE SHEAR,Overview of ABAQUS Version 6.3,Concrete Damaged Plasticity (ABAQUS Version 6.3),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: *CONCRETE DAMAGED PLASTICITY*CONCRETE TENSION S

14、TIFFENING*CONCRETE COMPRESSION HARDENING*CONCRETE TENSION DAMAGE*CONCRETE COMPRESSION DAMAGE,Overview of ABAQUS Version 6.3,Cap Model,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

15、压的混凝土. Keywords: *CAP PLASTICITY and *CAP HARDENING,加强筋(钢)在ABAQUS中的应用,Overview of ABAQUS Version 6.3,加强筋(钢)在ABAQUS中的应用,define rebar in beam elements: Isoparametric rebar in three-dimensional membrane/shell elements: Skew Rebar in three-dimensional shell/ membrane elements: Define rebar in axisymmetr

16、ic shell/ membrane elements: Define a layer of uniformly spaced rebar in continuum elements (skew/ ISOPARAMETRIC),Overview of ABAQUS Version 6.3,Reinforcement,We summarize here some of the new functionality in ABAQUS Version 6.3 for modeling reinforcement of structural and continuum elements. A numb

17、er of improvements have been made to simplify rebar definition and provide rebar visualization in ABAQUS/CAE. A new *REBAR LAYER option is introduced to define one or multiple layers of reinforcement in membrane, shell, or surface elements. This option must be used in conjunction with the *MEMBRANE

18、SECTION, the *SHELL SECTION, or the *SURFACE SECTION option.,Overview of ABAQUS Version 6.3,Reinforcement,使用 *REBAR LAYER 选项 简化了rebar在 (continuum) elements中的定义. 使用 *EMBEDDED ELEMENT 选项在主体continuum elements中埋入一组membrane 或者surface 单元作为夹层 Usage:*EMBEDDED ELEMENT, HOST ELSET=solid_set_name memb_set_name

19、 or surf_set_name,embedded surface elements with rebar,host continuum elements,Overview of ABAQUS Version 6.3,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 Surface elements 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 Surface elements 不可以嵌入热传导和质量扩散实体单元中,应用实例,Overview of ABAQUS Version

20、6.3,应用实例,ABAQUS/CAE 演示,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model,Jain and Kennedy Slab 二维平面应变模型 本构关系： Smeared Cracking Model,Overview of ABAQUS Version 6.3,Smeared Cracking Model,考虑拉伸硬化效应,Overview of ABAQUS Version 6.3,*REBAR 的参数,1. 有加强筋的单元 forrb 2. 加强筋的截面积 0.19332 3. 加强筋的间距 18 4. 加强筋的方向

21、 0 5. 加强筋在单元中的位置 .626667 6. 单元的哪条边上 3,Overview of ABAQUS Version 6.3,实验结果与计算结果比较,算例：分析地震载荷下的重力坝,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,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。Seismic analysis of Koyna dam (India), subjected to the December 11, 1

22、967, earthquake of magnitude 6.5 on the Richter scale. 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,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,有限元网格: 760 CPS4R 4节点平面应力单元，36个用户单元,Geometry of a typical nonoverflow

23、monolith,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Material properties for Koyna dam concrete,Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Concrete tensile properties: tension stiffening and tension damage,Overview of ABA

24、QUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,Transverse and vertical components of the ground accelerations (units of g =9.81 m sec-2),Transverse ground acceleration,Vertical ground acceleration,The dam undergoes severe damage but retains its overall structural stability.,Stru

25、ctural damage due to tensile cracking failure (t=10 sec),Overview of ABAQUS Version 6.3,Example: Seismic Analysis of a Concrete Gravity Dam,The tensile damage variable（拉伸损伤变量）, DAMAGET, is a nondecreasing quantity associated with tensile (cracking) failure of the material. The stiffness degradation

26、variable（刚度梯度变量）, SDEG, can increase or decrease, reflecting the stiffness recovery effects associated with the opening/closing of cracks.,水平位移峰值Horizontal crest displacement (relative to ground displacement),Contour plot of DAMAGET (left) and SDEG (right) at time t = 4.456 sec, corresponding to the

27、 largest excursion of the crest in the down-stream direction.,t = 4.456 sec,Rock used in concrete, jointed material) Plasticity models: Open surface, pressure independent (Mises) Open surface, pressure dependent (Drucker-Prager, Mohr-Coulomb) Closed surface (Cam-clay, Drucker-Prager with Cap) Multis

28、urface (jointed material),Overview of ABAQUS Version 6.3,Mohr-Coulomb Model,Mohr-Coulomb Model Mohr-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,Overview of ABA

29、QUS Version 6.3,Mohr-Coulomb Model,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”,Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Drucker-Prager Models,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

30、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。,Overview of ABAQUS Version 6.3,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,Modified Drucker-Prager Models,Overview of ABAQUS Version 6.3,Coupled Creep and Drucker-Prager Plasticity,Coupled Creep and D

31、rucker-Prager Plasticity 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。,Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Cam-Clay Model,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,Overview of ABAQUS Version 6.3,Modified Cam-Clay Model,非弹性行为通常伴