ABAQUS在土木工程的应用2

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无钢钢筋筋混混凝凝土土的的力力学学行行为为无钢钢筋筋混混凝凝土土的的力力学学行行为为混凝凝土土在在高高压压下下（（三三轴轴））表表现现出出准准脆脆性性的的行行为为不同同于于普普通通的的脆脆性性材材料料,混凝凝土土可可以以有有非非弹弹性性变变形形，，非非弹弹性性变变形形可可以以比比弹弹性性变变形形大大很很多多混凝土土损伤伤机制制:混凝土土内部部微裂裂纹和和微孔孔洞的的产生生和发发展在高压压（静静水压压力））下材材料的的固化化和多多微孔孔的结OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete单轴实实验超过某某应力力水平平,concrete表现非非线性性行为为,表现出出累累积不不可恢恢复的的损伤伤直直到发发生破破坏微裂纹纹导致致应变变软化化单轴拉拉伸MazarsandPijaudier-Cabot(1989)单轴压压缩KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete体积膨膨胀:Volumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofcracksparalleltothedirectionofthegreatestcompressivestress.Typicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete双轴加加载：：混凝凝土失失效应应力大大于单单轴状状态时时的失失效强强度Underbiaxialcompressiveloading,concretestreCompressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土土双轴轴强度度包FailuremodesofbiaxiallyloadedconcreteBiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete三轴加加载：：高压混混凝土土裂纹纹扩展展被阻阻止。。脆性性的特特性TriaxialChen(1982)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete循环加加载力力学行行为塑性和和刚度度的退退化Stress-deformationcurveundercyclicloading(smallcompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)Stress-deformationcurveundercyclicloading(largecompressivesReinhardtandCornelissen(1984)

OverviewofABAQUSVersion6.3ABAQUS中的混混凝土土本构构模型型ABAQUS中的混混凝土土本构构模型型ABAQUS用连续介介质的的方法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

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 *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*CONCRETECOMPRESSIONDAMAGEOverviewofABAQUSVersion6.3CapMode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的作用约束模型型的静水水压力当材料剪剪切屈服服时帮助助控制体体积膨胀胀这些特性性使得““cap””模型适用用于受到到高压的的混凝土土静水压力力别单轴轴压缩强强度大很很多这不包括括任何表表示拉伸伸裂纹（（cracking）和压缩破碎碎(Crushing)的行为因此只适适用于收收到高压压的混凝凝土.Keywords:*CAPPLASTICITYand*CAPHARDENINGOverviewofABAQUSVersion6.3加强筋(钢)在ABAQUS中的应用用加强筋(钢)在ABAQUS中的应用用definerebarinbeamelements:Isoparametricrebarinthree-dimensionalmembrane/shellelements:SkewRebarinthree-dimensionalshell/membraneelements:Definerebarinaxisymmetricshell/membraneelements:Definealayerofuniformlyspacedrebarincontinuumelements(skew/ISOPARAMETRIC)OverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementWesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUSVersion6.3formodelingreinforcementofstructuralAnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS/CAE.Anew*REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinforcementinmembrane,shell,orsurfaceelements.Thisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe*MEMBRANESECTION,the*SHELLSECTION,orthe*SURFACESECTIONoption.OverviewofABAQUSVersion6.3Reinforcement使用*REBARLAYER选项简简化了rebar在(continuum)elements中的定义义.使用*EMBEDDEDELEMENT选项在主主体continuumelements中埋入一一组membrane或者surface单元作为为夹层Usage:*EMBEDDEDELEMENT,HOSTELSET=solid_set_namememb_set_nameorsurf_set_nameembeddedsurfaceelementswithrebarhostcontinuumelementsOverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementMembrane单元不必必与实体体单元网网格划分分一致Membrane单元的节节点自动动约束到到主体的的实体单单元的节节点上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应用实例ABAQUS/CAE演示OverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModelJainandKennedySlab二维平面应应变模型本构关系：：SmearedCrackingModelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel考虑拉伸硬硬化效应OverviewofABAQUSVersion6.3*REBAR的参数1.有加强筋的的单元forrb2.加强筋的截截面积0.193323.加强筋的间间距184.加强筋的方方向05.加强筋在单单元中的位位置.6266676.单元的哪条条边上3OverviewofABAQUSVersion6.3实验结果与与计算结果果比较OverviewofABAQUSVersion6.3算例：分析析地震载荷荷下的重力力坝Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam给出一个使使ABAQUS分析在任意意荷载下混混凝土结构构的稳定性性。地震荷载分分析：印度度一个水坝坝，6.5级地震。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（拉伸损伤变变量）,DAMAGET,isanondecreasingquantityassociatedwithtensile(cracking)failureofthematerial.Thestiffnessdegradationvariable（刚度梯度变变量）,SDEG,canincreaseordecrease,reflectingthestiffnessrecoveryeffectsassociatedwiththeopening/closingofcracks.CompressionSDEG

=0水平位移峰值值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。材料初始各向向同性屈服行为与静静水压力有关关，材料随着着约束力的变变大而变得更更强屈服行为受中间主应力的最大值的影响响OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModel包括各向同性性的硬化的软软化随体积变化材材料表现出非非弹性行为，，在非弹性膨膨胀和非弹性性剪切变形中中中引入流动动法则可以考虑温度度的影响假设材料“率率无关”OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedDrucker-PragerModels修正的Drucker-Prager模型这种模型用于于模拟单调荷荷载下材料的的响应，比如如分析地基下下土壤的极限限荷载，这是是最简单的一一种模拟摩擦擦材料的本构构模型。此模型基本特特性如下：存在完全弹性性响应部分，，材料的变形形中包括一部部分不可恢复复成分。认为为材料进入塑塑性阶段。材料初始各向向同性屈服行为与静静水压力有关关，材料随着着约束力的变变大而变得更更强。材料会有各向向同性的硬化化或者软化。。OverviewofABAQUSVersion6.3非弹性行为通通常伴随着体体积改变：在在非弹性膨胀胀和非弹性剪剪切变形中引引入流动法则则。ABAQUS中提供两种流流动法则。屈服行为会受受中间主应力力的影响材料可以是““率相关”材材料可以引入温度度效应ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地质材料在一一定条件下在在一定的条件件下会有蠕变变。当加载时间与与材料蠕变的的时间特征时时间相当，材材料塑性和蠕蠕变的方程需需要一起考虑虑。ABAQUS提供可以用于于增强Drucker-Prager的蠕变模型。。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正Cam-Clay模型这个模型用于于描述无粘性材料的本构模模型。这是经典剑桥桥黏土模型的的扩展。基本特征：非线性弹性响响应，接下来来材料进入塑塑性阶段初始各向同性性屈服行为与静静水压力有关关，临界状态态分为两个区区域：在在“干干”面上材料料软化，在在““湿”面上材材料硬化。硬硬化和软化行行为湿体积塑塑性应变的函函数OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel非弹性行为通通常伴随着体体积改变：在在“干”面上上材料膨胀，，在“湿”面面上材料被压压紧，在非弹弹性膨胀和非非弹性剪切变变形中引入流流动法则。屈服行为会受受中间主应力力的影响假设无粘性可以包括温度度效应Underlargestressreversalsthemodelprovid