采用塑性损伤模型分析钢-混凝土组合构件的静力性能百度

1、第11卷第3期2009年6月建筑钢结构进展ProgressinSteelBuildingStructuresVol.11No.3Jun.2009收稿日期：2008-03-24;收到修改稿日期：2008-09-25作者简介：尧国皇（1980-,男，博士，工程师，主要从事超高层建筑结构设计、大跨度结构设计、复杂结构的静动力弹塑性分析。E2mail:yaogh。黄用军（1962-,男，硕士，总工程师，主要从事超高层建筑结构设计、大跨度结构设计。采用塑性损伤模型分析钢2混凝土组合构件的静力性能尧国皇1,黄用军2,宋宝东2,谭伟2（1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029;2.中建国际（深

2、圳设计顾问有限公司，广东深圳518033摘要：在大型通用有限元软件ABAQUS中，为混凝土材料定义了一种材料模型：塑性损伤模型。它可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力学现象，而且使用也较为方便。在本文中，作者结合自己的研究工作，介绍了塑性损伤模型在钢管混凝土柱、型钢2钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱静力性能分析中的应用，详细讨论了混凝土塑性损伤模型中有关参数的设置方法。计算结果表明，在准确合理建模和设置参数的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性损伤模型准确地模拟钢2混凝土组合构件的静力性能,从而减小实验工作量，节约开支。本文的有关论述和方法可为同类研究提供参考。关键词：塑性损伤模型；钢2混凝土组合

3、构件；静力性能；有限元中图分类号：TU398文献标识码:A文章编号:-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钢2混凝土组合构件由于钢和混凝土之间的相

7、互作用”能充分发挥钢材和混凝土的优点，因此，这类构件具有广阔的应用前景。钢2混凝土组合构件的力学性能和设计方法已经成为研究者关注的热点问题之一。为了了第3期采用塑性损伤模型分析钢2混凝土组合构件的静力性能解这类构件的力学性能和工作机理，往往需要利用三维实体单元进行非线性有限元分析，而组合构件中的混凝土材料本身具有开裂、压碎等诸多复杂的力学行为，给进行三维非线性有限元分析带来了较大的困难。在大型通用有限元软件ABAQUS中，为混凝土材料定义了一种材料模型：塑性损伤模型。它可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力学现象，而且使用也较为方便。文献1采用塑性损伤模型对钢管混凝土构件的力学性能进行了较为深入的

8、研究，为本文的研究提供了良好的参考，但是以往的研究采用塑性损伤模型对型钢2钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱等组合柱的研究报道较少见，本文中作者结合自己的研究工作，详细讨论了混凝土塑性损伤模型中有关参数的设置方法，并介绍了塑性损伤模型在钢管混凝土柱1、型钢2钢管混凝土柱2和钢管混凝土叠合柱3静力性能分析中的应用(本文中的静力性能”指构件一次加载下力学性能。研究结果表明，在准确合理建模和设置参数的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性损伤模型准确地模拟钢2混凝土组合构件的静力性能。1塑性损伤模型介绍混凝土塑性损伤模型4适用于准脆性材料、和其它脆性材料，例如，,压碎，只要围压高到足够防止裂纹扩散，混凝土

9、的脆性便会消失，混凝土的宏观响应也就类似于硬化的延性材料，具损坏是在破坏面或屈服面上屈服和流动。ABAQUS中的塑性损伤模型是在Lubliner等5、Lee和Fenves6提出的模型的基础上建立的。图1给出了塑性损伤模型中混凝土在单轴拉伸和压缩荷载作用下的响应。混凝土从应力2应变关系曲线软化段某一点卸载，卸载响应变弱，即材料的弹性刚度出现损伤。在拉伸和压缩实验中，弹性刚度的损伤显著不同，不管哪种情况，随着塑性应变的增长，损伤效应会越明显。混凝土的损伤响应由两个单轴损伤系数dt、dc来衡量，它们是塑性应变、温度和场变量的函数4:dt=dt(£plt,9,fi(0<dt<1(

10、1adc=dc(£Pl9,fi(0<dc<1(1b上式中，ep睡拉伸等效塑性应变,plc是压缩等效塑性应变,下标t和c分别表示拉伸和压缩,为温度,fi(i=1,2,为其它的影响变量。若E0弹性模量，混凝土的压应力2应变关系可以表4t=(1-dt?E0?(e弋eplt(2a(rc=d1c?E0?(£cplc(2b图1单轴拉伸和压缩荷载作用下混凝土的响应4在单轴拉伸荷载作用下，裂缝沿垂直于应力的方向扩展，因此裂缝的结核和传播导致承载面积减小，从而导致有效应力的增加。在单轴压缩荷载作用下，由于裂缝沿着加载方向开裂，损伤效应没有拉伸荷载作用下显著，然而，当受压程度相当高

11、时，有效承载面积也要大为减小。定义单轴有效拉应力和压应力，并以此作为屈服面和破坏面的确定依据4:(T-1=(Tt(1-d1=E0?(e-1e-pl1(TC(1-dc=E0?(&cPlc(3b要准确定义塑性损伤模型中的混凝土受压行为，还需要确定如下的一些参数4:(1p-q平面中高围压情况下的膨胀角巾其值在15°至56.3之间;(2塑性势能力方程的流动偏角:,缺省值为0.1,表明材料在很大的围压范围内，膨胀角几乎不变，增加：值,流动势曲率更大，这意味着随着围压的降低，膨胀角迅速增加，在低围压下，若:值小很多，可能导致计算收敛困难；(3双轴等压时混凝土的强度与单轴抗压强度之比3建筑

12、钢结构进展第11卷b00/(rCW值为1.16;(4拉子午线q(TM、压子午线q(CM上第二应力不变量的比值Kc,实验结果表明，对于混凝土Kc可以近似为一常数(Lubliner,等5,其缺省值为2/3;tjpfH*叫尸IIIfftqiuqiE|f|4|wl|«*r*口怙廿$2(5粘塑性系统松弛时间的粘性系数以在隐式分析程序中(ABAQUS/Standard,材料出现软化和刚度弱化时计算将难以收敛，在本构方程中采用粘塑性规则化可以部分解决这个问题。在ABAQUS/Standard中，粘性系数小的缺省值为0。本文的分析中，膨胀角取30；其余参数均取缺省值。在定义混凝土受拉软化性能时，AB

13、AQUS软件中提供三种定义混凝土受拉软化性能的方法:(1采用混凝土受拉的应力2应变关系；(2采用混凝土应力2裂缝宽度关系；(3采用混凝土破坏能量准则来考虑混凝土受拉软化性能即应力2断裂能关系。通常，采用能量破坏准则定义混凝土受拉软化性能具有较好的计算收敛性(Hillerborg等7。该准则以脆性破坏概念定义开裂的单位面积作为材料参数，因此，混凝土脆性性能就是用应力2断裂能关系来描述，而不是用应力2裂缝宽度关系来描述。该模型假定混凝土开裂后应力线性减小，本文采用了该模型来模拟混凝土受拉软化性能，如图2所示，图中，Gf和分别为混凝土的断裂能(缝所需的能量值和破坏应力，(Hibbitt4,它使用非关

14、联多硬化塑性和各向同性损伤弹性相结合的方式来描述混凝土破碎过程中发生的不可恢复的损伤，这一特性使得塑性损伤模型具有更好的收敛性。图2混凝土受拉软化模型2 模型验证为了验证混凝土塑性损伤模型的准确性，对著名的Kupfer等8不等双轴受压2应变关系曲，20cm20cm>5cm,弹性模E0,0.24混凝土采用8节点减C3D8R来模拟，计算结果与实验结果的比较如图3所示，6方向为主受压轴方向。可见，计算结果与实验结果吻合较好。从图3比较结果可见，混凝土的塑性损伤模型可以较好地模拟混凝土在单轴、双轴等复杂受力状态下的工作性能。1kBiQ14f=*>f""知0HMJO15O

15、GHW50UIDOO”002(KM)知01(MX)15002Wffl工即£卜£(他上)£(pc)mi一厮一排(C)一压一1拉m一本ts图3素混凝土”fc2e实验曲线与计算曲线的比较41o第3期采用塑性损伤模型分析钢2混凝土组合构件的静力性能3 实例分析3.1钢管混凝土柱钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到了改善。同时，由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥1。如上所述，由于钢管和混凝土两

16、种材料之间的相互作用，使得钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好和经济效益好等优点，因而越来越广泛地应用于各类工程应用并已取得良好的经济效益和建筑效果1。钢管混凝土构件的工作机理已经是研究者关注的热点问题，文献1和文献9采用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作性能进行了研究，取得了较好的进展，有限元建模时，混凝土材料采用塑性损伤模型和三维实体单元C3D8R模拟,钢材采用等向强化模型和S4R单元,以下钢和混凝土采用相同的单元类型，不再重复。图4和图5分别是钢管混凝土在轴心受力下和受弯扭复合受力情况下的计算曲线和实验曲线比较，图4中N0为钢管混凝土短柱

17、的名义轴压强度9,图6给出了圆钢管混凝土构件在纯扭受力状态下的截面剪应力分布情况。文献1和文献9将计算结果与各类受力状态情况下的实验结果进行了比较，吻合较好，并分析了各受力状态情况下截面应力状态和钢管与混凝土之间的相互作用，使人们更深入地了解了钢管混凝土构件的力学实质。H4JE&J_在地心曼刀下的甘）1百也看要也比班-aim»i«tftwinift«flTKsit»a5ttBB«tr«建筑钢结构进展第11卷-jj*4(jlfinVEM|KiiikCfr|«aaaKLUfnuKypuj*mm)TAM-SOMp口b:*V

18、£图6圆钢管混凝土在纯扭受力状态下的截面剪应力分布93.2型钢2钢管混凝土柱(a)钢管tpwi|dAWYl1iifepuTAM-30M萨随着建筑物高度和跨度的不断增加，柱子承担的轴力将越来越大，而建筑物承重柱的设计是关系到建筑物在大震下能否倒塌的关键，这就要求在重载条件下，柱子不但要有足够的强度而且要有较好的延性。文献2提出了一种新型的钢2混凝土组合结构柱，即型钢2钢管混凝土柱。型钢2钢管混凝土柱具有钢骨混凝土和钢管混凝土两种组合柱的优点，它具有较高的承载能力和良好的延性，尤其适合用作重载柱2。因此,型钢2具有广阔的工程应用前景,研究型钢2学性能十分有必要。有限元建模时，采用软件中C

19、ontact一定义钢管和混凝土各自接触面(钢管为主控表面，混凝土为从属表面，并设置具有交互作用(交互作用的性质按上述描述进行设置,来模拟接触面分离及摩擦行为,且定义为SmallSliding现象。型钢采用ABAQUS软件中的EmbeddedRegion令将其嵌入混凝土中，不考虑型钢与核心7混凝土之间的滑移图7给出了典型的型钢2方钢管混凝土组合柱中钢管、型钢和核心混凝土单元划分的示意图。文献1011采用该有限元模型对收集到的型钢2钢管混凝土轴心受力的实验结果进行了验算，结果表明，计算结果与实验结果吻合较好，图8给出了部分计算结果与实验结果的比较情况，10110图7典型的型钢2方钢管混凝土组合柱中

20、钢管、型钢和核心混凝土单元划分示意图图8型钢2钢管混凝土轴压短柱计算曲线和实验曲线比较61第3期采用塑性损伤模型分析钢2混凝土组合构件的静力性能173.3钢管混凝土叠合柱钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的3。这类组合构件不仅具有钢管混凝土构件的优点，而且钢管外的混凝土还可以起到抗火的作用，已经有不少钢管叠合柱应用的工程实例，如23层的辽宁邮政枢纽大楼，22层的沈阳和泰大厦和33层的沈阳电力花园双塔。钢管混凝土叠合柱适用于我国非抗震和抗震地区的建筑结构，尤其适用于抗震设防地区的高层建筑结构。有限元建模时，钢管内和钢管外的混凝土材料同样采用了混凝土塑性损伤模型，

21、钢筋采用TRUSS单元来模拟，采用ABAQUS软件中的EmbeddedRegio命令将其嵌入混凝土中，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。采用以上建模方法对文献12进行的钢管混凝土叠合轴压短柱的实验曲线进行了验算，试件具体参数详见文献12。图9给出了钢管混凝土叠合柱在轴压荷载2变形关系曲线计算结果与实验结果的比较，可见，计算曲线与实验曲线基本吻合。图10给出了典型的极限承载力时钢管混凝土叠合柱中钢筋、钢管和混凝土的应力分布情况。通过这些分析计算，让我们更加清楚地认识了钢管混凝土叠合柱在受力各阶段的工作性能和应力状态。作者参与设计的深圳卓越？皇岗世纪中心项目的2号塔楼：地下3层，地上57层，结构总高度

22、260米，地上第1层至27层采用钢管混凝土叠合柱。由于本结构属于超限结构，就更有必要了解钢管混凝土叠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，对该项目的钢管混凝土叠合柱进行了受力全过程分析，对设计起到很好的指导作用13。图9钢管混凝土叠合柱轴压计算曲线和实验曲线比较凝土叠合柱静力性能分析中的应用，详细讨论了混凝土塑性损伤模型中有关参数的设置方法。计算结果表明，在准确合理建模和设置参数的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性损伤模型准确地模拟钢2混凝土组合构件的静力性能。4结论本文结合作者的科研工作，介绍了ABAQUS软件中塑性损伤模型在钢管混凝土柱、型钢2钢管混凝土柱和钢管混18建筑

23、钢结构进展第11卷图10钢管混凝土叠合柱中钢筋、钢管和混凝土的应力分布7HillerborgA,ModeerM,PeterssonPE.Analysisofcrack参考文献：1韩林海.钢管混凝土结构2理论与实践M.北京：科学出版formationandcrackgrowthinconcretebymeansoffracturemechanicsandfiniteelementsJ.CementandConcrete8KupferHB,HilsdorfHK,RuschH.Behaviorofconcrete9尧国皇.钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究D.福州：福州大学，2006.10

24、尧国皇，等.轴心受压时型钢2钢管混凝土柱力学性能的研究11尧国皇，黄用军，谭伟.型钢2方钢管混凝土荷载2变形关系曲12陈周熠.钢管高强混凝土核心柱设计计算方法研究D.大J.建筑钢结构进展,2007,9(6:26232.underbiaxialstressJ.ACIJournal,1969,66(8:6562666.Research,1976,6(6:7732782tt,2007.2王涛湘，赵大洲，关萍.钢骨2钢管高强混凝土轴压组合柱受3钢管混凝土叠合柱结构技术规程(CECS188:2005S.4Hibbitt,Karlson,Sorenson.ABAQUSVersion6.4:Theorymanual,users'manual,verificationmanualandexampleproblemsmanual.Hibbitt