ABAQUS在土木工程的应用5

混凝土

钢筋混凝土ABAQUSChina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OverviewofABAQUSVersion6.3介绍介绍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).

OverviewofABAQUSVersion6.3无钢筋混凝土土

的力学行行为无钢筋混凝土土的力学行为为混凝土在高压压下（三轴））表现出准脆脆性的行为不同于普通的的脆性材料,混凝土可以有有非弹性变形形，非弹性变变形可以比弹弹性变形大很很多混凝土损伤机机制:混凝土内部微微裂纹和微孔孔洞的产生和和发展在高压（静水水压力）下材材料的固化和和多微孔的结结构的坍塌OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete单轴实验超过某应力水水平,concrete表现非线性行行为,表现出累积积不可恢复的的损伤直到到发生破坏微裂纹导致应应变软化单轴拉伸MazarsandPijaudier-Cabot(1989)单轴压缩KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete体积膨胀:Volumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofcracksparalleltothedirectionofthegreatestcompressivestress.Typicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete双轴加载：混混凝土失效应应力大于单轴轴状态时的失失效强度Underbiaxialcompressiveloading,concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests.Compressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土双轴强强度包络图FailuremodesofbiaxiallyloadedconcreteBiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete三轴加载：高压混凝土裂裂纹扩展被阻阻止。脆性的的特性被柔性性硬化的特性性代替。Underhighconfiningpressure,crackpropagationisprevented.Thebrittlebehaviordisappearsandisreplacedbyductilitywithworkhardening.TriaxialconcretebehaviorChen(1982)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete循环加载力力学行为塑性和刚度度的退化反向加载刚刚度恢复(单向)Stress-deformationcurveundercyclicloading(smallcompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)Stress-deformationcurveundercyclicloading(largecompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)OverviewofABAQUSVersion6.3ABAQUS中的混凝土土本构模型型ABAQUS中的混凝土土本构模型型ABAQUS用连续介质的的方法建立立描述混凝凝土模型不不采用宏宏观离散裂裂纹的方法法描述裂裂纹的水平平的在每一一个积分点点上单独计计算低压力混凝凝土的本构构关系Smearedcrackingmodel(ABAQUS/Standard)Brittlecrackingmodel(ABAQUS/Explicit)混凝土损伤伤模型(ABAQUSVersion6.3)高压力混凝凝土的本构构关系CapmodelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel(ABAQUS/Standard)用于描述单调应变在材料中表表现出拉伸伸裂纹或者者压缩时破破碎的行为为压缩塑性应应变由“塑塑性压缩屈屈服面”控控制裂纹出现在在当应力达达到裂纹纹产生面“crackdetectionsurface”时裂纹是影响响材料行为为的最关键键因素，它它将导致开开裂以及开开裂后的材材料的各向向异性Keywords:*CONCRETE,*TENSIONSTIFFENING,*SHEARRETENTION,and*FAILURERATIOS例题OverviewofABAQUSVersion6.3CrackingModel(ABAQUS/Explicit)ABAQUS/Explicit中脆性破裂裂模型适用于拉伸伸裂纹控制制材料行为为的应用压缩失效不不重要此模型考虑了了由于裂纹纹引起的材材料各向异异性性质材料压缩的的行为假定定为线弹性性.脆性断裂准准则可以使使得材料在在拉伸应力力过大时失失效Keywords:*BRITTLECRACKING,*BRITTLEFAILURE,and*BRITTLESHEAROverviewofABAQUSVersion6.3ConcreteDamagedPlasticity(ABAQUSVersion6.3)适用于混凝凝土的各种种荷载分析析单调应变,循环荷载,动力载荷.标量损伤模模型(各向同性)，包含拉伸开开裂(cracking)和压缩破碎碎(crushing).此模型可以模模拟硬度退退化机制以以及反向加加载刚度恢恢复的混凝凝土力学特特性Keywords:*CONCRETEDAMAGEDPLASTICITY*CONCRETETENSIONSTIFFENING*CONCRETECOMPRESSIONHARDENING*CONCRETETENSIONDAMAGE*CONCRETECOMPRESSIONDAMAGEOverviewofABAQUSVersion6.3CapModel此模型最初初于黏土材材料在Drucker-Prager剪切失效模模型加了一一个“cap”Cap的作用约束模型的的静水压力力当材料剪切切屈服时帮帮助控制体体积膨胀这些特性使使得“cap”模型适用于于受到高压压的混凝土土静水压力别别单轴压缩缩强度大很很多这不包括任任何表示拉拉伸裂纹（（cracking）和压缩破碎(Crushing)的行为因此只适用用于收到高高压的混凝凝土.Keywords:*CAPPLASTICITYand*CAPHARDENINGOverviewofABAQUSVersion6.3加强筋(钢)在ABAQUS中的应用加强筋(钢)在ABAQUS中的应用definerebarinbeamelements:Isoparametricrebarinthree-dimensionalmembrane/shellelements:SkewRebarinthree-dimensionalshell/membraneelements:Definerebarinaxisymmetricshell/membraneelements:Definealayerofuniformlyspacedrebarincontinuumelements(skew/ISOPARAMETRIC)OverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementWesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUS

Version6.3formodelingreinforcementofstructuralandcontinuumelements.AnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS/CAE.Anew*REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinforcementinmembrane,shell,orsurfaceelements.Thisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe*MEMBRANESECTION,the*SHELLSECTION,orthe*SURFACESECTIONoption.OverviewofABAQUSVersion6.3Reinforcement使用*REBARLAYER选项简化化了rebar在(continuum)elements中的定义.使用*EMBEDDEDELEMENT选项在主体体continuumelements中埋入一组组membrane或者surface单元作为夹夹层Usage:*EMBEDDEDELEMENT,HOSTELSET=solid_set_namememb_set_nameorsurf_set_nameembeddedsurfaceelementswithrebarhostcontinuumelementsOverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementMembrane单元不必与与实体单元元网格划分分一致Membrane单元的节点点自动约束束到主体的的实体单元元的节点上上Surfaceelements可以嵌入温温度－位位移耦合合的实体单单元中。但但是不能能模拟出隔隔热/传热的行为为Surfaceelements不可以嵌入入热传导和和质量扩散散实体单元元中OverviewofABAQUSVersion6.3应用用实实例例应用用实实例例ABAQUS/CAE演示示OverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModelJainandKennedySlab二维维平平面面应应变变模模型型本构构关关系系：：SmearedCrackingModelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel考虑虑拉拉伸伸硬硬化化效效应应OverviewofABAQUSVersion6.3*REBAR的参参数数1.有加加强强筋筋的的单单元元forrb2.加强强筋筋的的截截面面积积0.193323.加强强筋筋的的间间距距184.加强强筋筋的的方方向向05.加强强筋筋在在单单元元中中的的位位置置.6266676.单元元的的哪哪条条边边上上3OverviewofABAQUSVersion6.3实验验结结果果与与计计算算结结果果比比较较OverviewofABAQUSVersion6.3算例例：：分分析析地地震震载载荷荷下下的的重重力力坝坝Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam给出出一一个个使使ABAQUS分析析在在任任意意荷荷载载下下混混凝凝土土结结构构的的稳稳定定性性。。地震震荷荷载载分分析析：：印印度度一一个个水水坝坝，，6.5级地地震震。。SeismicanalysisofKoynadam(India),subjectedtotheDecember11,1967,earthquakeofmagnitude6.5ontheRichterscale.计算说明:忽略坝基作作用，刚性性基础。水动力效应应使用Westergaard附加质量技技术,通过两节点点用户单元元实现。材料阻尼为为坝体一阶阶振动临界界阻尼的3%拉伸失效数数据通过断断裂能给出出OverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam有限元网格格:760CPS4R4节点平面应应力单元，，36个用户单元元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（拉伸损伤伤变量）,DAMAGET,isanondecreasingquantityassociatedwithtensile(cracking)failureofthematerial.Thestiffnessdegradationvariable（刚度梯度度变量）,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;usedinconcrete,jointedmaterial)Plasticitymodels:Opensurface,pressureindependent(Mises)Opensurface,pressuredependent(Drucker-Prager,Mohr-Coulomb)Closedsurface(Cam-clay,Drucker-PragerwithCap)Multisurface(jointedmaterial)OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModelMohr-CoulombModelMohr-Coulomb塑性模型是一一种构造粒状状材料比如如土壤，一般般只考虑单调调荷载，并且且是“率无关关”材料在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模型有一一下特征:小载荷情况下下存在一个线线弹性的阶段段，随载荷的的变大，材料料的变形中包包括不可恢复复成分。认为为材料进入塑塑性阶段。材料初始各各向同性屈服行为与与静水压力力有关，材材料随着约约束力的变变大而变得得更强屈服行为受受中间主应力力的最大值的影影响OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModel包括各向同同性的硬化化的软化随体积变化化材料表现现出非弹性性行为，在在非弹性膨膨胀和非弹弹性剪切变变形中中引引入流动法法则可以考虑温温度的影响响假设材料““率无关””OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedDrucker-PragerModels修正的Drucker-Prager模型这种模型用用于模拟单单调荷载下下材料的响响应，比如如分析地基基下土壤的的极限荷载载，这是最最简单的一一种模拟摩摩擦材料的的本构模型型。此模型基本本特性如下下：存在完全弹弹性响应部部分，材料料的变形中中包括一部部分不可恢恢复成分。。认为材料料进入塑性性阶段。材料初始各各向同性屈服行为与与静水压力力有关，材材料随着约约束力的变变大而变得得更强。材料会有各各向同性的的硬化或者者软化。OverviewofABAQUSVersion6.3非弹性行为为通常伴随随着体积改改变：在非非弹性膨胀胀和非弹性性剪切变形形中引入流流动法则。。ABAQUS中提供两种种流动法则则。屈服行为会会受中间主主应力的影影响材料可以是是“率相关关”材料可以引入温温度效应ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地质材料在在一定条件件下在一定定的条件下下会有蠕变变。当加载时间间与材料蠕蠕变的时间间特征时间间相当，材材料塑性和和蠕变的方方程需要一一起考虑。。ABAQUS提供可以用用于增强Drucker-Prager的蠕变模型型。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正Cam-Clay模型这个模型用用于描述无粘性材料的本构构模型。这是经典剑剑桥黏土模模型的扩展展。基本特征：：非线性弹性性响应，接接下来材料料进入塑性性阶段初始各向同同性屈服行为与与静水压力力有关，临临界状态分分为两个区区域：在在“干”面面上材料软软化，在在“湿”面面上材料硬硬化。硬化化和软化行行为湿体积积塑性应变变的函数OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel非弹性行为为通常伴随随着体积改改变：在““干”面上上材料膨胀胀，在“湿湿”面上材材料被压紧紧，在非弹弹性膨胀和和非弹性剪剪切变形中中引入流动动法则。屈服服行行为为会会受受中中间间主主应应力力的的影影响响假设设无无粘粘性性可以以包包括括温温度度效效应应Underlargestressreversalsthemodelprovidesareasonablematerialresponseonthe““wet””(cap)sideofcriticalstate;however,onthe““dry””sidethemodelisacceptableonlyforessentiallymonotonicloading.OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCapModel修正正的的帽帽盖盖模模型型此模模型型用用来来描描述述粘粘性性地地质质材材料料的的本本构构关关系系。。它它在在线线性性的的Drucker-Pragermode