ABAQUS在土木工程的应用4

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无钢筋筋混凝凝土的的力力学行行为无钢筋筋混凝凝土的的力学学行为为混凝土土在高高压下下（三三轴））表现现出准准脆性性的行行为不同于于普通通的脆脆性材材料,混凝土土可以以有非非弹性性变形形，非非弹性性变形形可以以比弹弹性变变形大大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在高压（静水压力）下材料的固化和多微孔的结构的坍塌OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete单轴实实验超过某某应力力水平平,concrete表现非非线性性行微裂纹导致应变软化单轴拉拉伸MazarsandPijau单轴压压缩KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete体积膨膨胀:VolumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofTypicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete双轴加加载Underbiaxialcompressiveloading,concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests.Compressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土土双轴轴强度度包络络图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。。脆性性的特特性被被柔性性硬化化的特特性代代替。。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此模型最最初于黏黏土材料料在Drucker-Prager剪切失效效模型加加了一个个“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)OverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementWesummarizeheresomeofthenewfunctionalityinABAQUSVersion6.3formodelingreinforcementofstructuralandcontinuumelements.AnumberofimprovementshavebeenmadetosimplifyrebardefinitionandproviderebarvisualizationinABAQUS/CAE.Anew*REBARLAYERoptionisintroducedtodefineoneormultiplelayersofreinfoThisoptionmustbeusedinconjunctionwiththe*MEMBRANESECTION,the*SHELLSECTION,orthe*SURFACESECTIONoption.OverviewofABAQUSVersion6.3Reinforcement使用*REBARLAYER选项简简化了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应用实例应用实例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;usedinconcretPlasticitymodels:Opensurface,pressureindependent(Mises)Opensurface,pressuredependent(Drucker-Prager,Mohr-Coulomb)Closedsurface(Cam-clay,Drucker-PragerwithCap)Multisurface(jointedmaterial)OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModelMohr-CoulombModelMohr-Coulomb塑性模型是是一种构造造粒状材料料比如土土壤，一般般只考虑单单调荷载，，并且是““率无关””材料在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模型有有一下特征征:小载荷情况况下存在一一个线弹性性的阶段，，随载荷的的变大，材材料的变形形中包括不不可恢复成成分。认为为材料进入入塑性阶段段。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。此模型型基本本特性性如下下：存在完完全弹弹性响响应部部分，，材料料的变变形中中包括括一部部分不不可恢恢复成成分。。认为为材料料进入入塑性性阶段段。材料初初始各各向同同性屈服行行为与与静水水压力力有关关，材材料随随着约约束力力的变变大而而变得得更强强。材料会会有各各向同同性的的硬化化或者者软化化。OverviewofABAQUSVersion6.3非弹性性行为为通常常伴随随着体体积改改变：：在非非弹性性膨胀胀和非非弹性性剪切切变形形中引引入流流动法法则。。ABAQUS中提供供两种种流动动法则则。屈服行行为会会受中中间主主应力力的影影响材料可可以是是“率率相关关”材材料可以引引入温温度效效应ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地质质材材料料在在一一定定条条件件下下在在一一定定的的条条件件下下会会有有蠕蠕变变。。当加加载载时时间间与与材材料料蠕蠕变变的的时时间间特特征征时时间间相相当当，，材材料料塑塑性性和和蠕蠕变变的的方方程程需需要要一一起起考考虑虑。。ABAQUS提供供可可以以用用于于增增强强Drucker-Prager的蠕蠕变变模模型型。。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正正Cam-Clay模型型这个个模模型型用用于于描描述述无粘粘性性材料料的的本本构构模模型型。。这是是经经典典剑剑桥桥黏黏土土模模型型的的扩扩展展。。基本本特特征征：：非线线性性弹弹性性响响应应，，接接下下来来材材料料进进入入塑塑性性阶阶段段初始始各各向向同同性性屈服服行行为为与与静静水水压压力力有有关关，，临临界界状状态态分分为为两两个个区区域域：：在在““干干””面面上上材材料料软软化化，，在在““湿湿””面面上上材材料料硬硬化化。。硬硬化化和和软软化化行行为为湿湿体体积积塑塑性性应应变变的的函函数数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。屈服行为会会受中间主主应力的影影响假设无粘性性可以包括温温度效应Underlargestressrevers