ABAQUS混凝土弥散开裂模型Standard模块

20.6.1 混凝土弥散开裂模型 程序Abaqus/StandardAbaqus/CAE 参考 1、 “材料库概述”18.1.1 章 2、 “非弹性行为”20.1.1 章 3、*混凝土 4、*拉伸硬化 5、*剪力传递 6、*破坏面比率 7、 “定义混凝弥散开裂”in“定义塑性”Abaqus/CAE Users Manual 12.9.2 章 概述 Abaqus/Standard 中的混凝土弥散开裂模型 1、为所有结构中的混凝土提供了普遍建模功能,包括梁，桁架，壳体和固体； 2、可以用于素混凝土，虽然其主要用于钢筋混凝土； 3、可以与钢筋（rebar）一起使用来模拟混凝土加筋； 4、被设计用于混凝土在低围压下的基本单调张拉应变的情况； 5、由各向同性硬化屈服面（压应力为主导时激活）和一个独立的“裂缝检测面” （由某点的破坏是否由于开裂导致所决定）组成。 6、用非各向同性的损伤弹性概念（弥散开裂）来描述开裂破坏后材料反应的可 逆部分 7、 要求使用线弹性材料模型来定义弹性性能； 并不能和局部方向一起使用。 see “Orientations,” Section 2.2.5. Abaqus 中可以使用的混凝土模型的讨论见 “Inelastic behavior,” Section 20.1.1, 加筋 混凝土结构的增强材料以钢筋作为典型代表，它是单轴应变理论单元（杆 件） ，它可以单独定义或者嵌入有方向的表面。钢筋主要与塑性模型一起使用来 描述钢筋材料的行为，并叠加在用来模拟混凝土的标准单元类型网格上。 使用这种建模方法，混凝土材料行为独立于钢筋材料。钢筋 /混凝土的接触 面连结效应，如粘结滑移和销钉作用，是通过在混凝土模型中引入某种“拉伸硬 化”来近似模拟裂缝处通过钢筋的荷载转移。 在复杂问题中定义钢筋会是冗长的， 但钢筋的准确定义是非常重要的，因为 在模型的关键位置缺少钢筋会引起分析失败。 See “Defining reinforcement,” Section 2.2.3, for more ination regarding rebars. 开裂 此模型的本意是用于在相当低的围压下（小于混凝土单轴受压极限的45 个量级）的相对单调荷载下的混凝土行为。 裂缝检测 开裂被认为是力学行为的最重要方面，它以开裂和开裂后行为为代表，并主 导控制模型。开裂被认为当应力达到被称为“裂纹探测面”的破坏面时出现。这 个破坏面是一个等效压应力 p 和 Mises 等效偏应力 q 之间的线性关系，如图 20.6.1-5 所示。当检测到裂缝时，裂缝的方向被保存用于随后的分析。由于开口 裂缝的应力分量不被包含在用于检测新增裂缝破坏面的定义中， 同一点的再次开 裂被限制为垂直于原开裂方向。 裂缝是不能恢复的他们在分析的过程中一直存在但是可以开口或闭合。 任意一点只能产生不多于 3 条裂缝（在平面应力状态下为 2 条， 单轴应力状态下 为 1 条） 。检测到裂缝后，裂缝使用损伤弹性模型来影响计算。非各向同性的损 伤弹性材料的更多详细讨论见 4.5.1 节。 弥散裂缝 混凝土模型是弥散开裂模型， 这意味着它不能模拟单独存在的 “巨大” 裂缝。 有限单元模型在每个积分点会各自进行基本计算。 通过裂缝影响积分点处的应力 和材料刚度的方法，裂缝的存在作用进入了计算中。 拉伸硬化 贯穿裂缝直接张拉产生的后破坏行为使用拉伸硬化来模拟， 它允许用户定义 开裂混凝土的应变软化行为。 这一行为也可以被用于以简单的方法模拟混凝土和 钢筋的相互作用效应。 混凝土弥散开裂模型中需要定义拉伸硬化。用户可以依据 后继破坏应力应变关系的方法或应用断裂能开裂准则来指定拉伸硬化。 破坏后的应力应变关系 钢筋混凝土的应变软化行为准则通常意味着指定贯穿裂缝的破坏后的应力 应变函数。 当没有钢筋或者其数量很少时，这种准则往往引起分析结果的网格敏 感性，这意味着当网格被细化后，由于网格细化会导致更窄的裂缝带，有限元预 测不能收敛到唯一解。 这种问题特别发生在结构中仅有少数离散裂缝并且网格细 化没有引起额外的裂缝的情况。如果裂缝是均匀分布的（由于钢筋效应或由于稳 定弹性材料的存在导致的，如板弯曲情况） ，网格敏感性则不值得关注。 在钢筋混凝土的实际计算中， 网格通常是每个单元都包含钢筋。钢筋和混凝 土的相互作用有利于减小网格敏感性， 只要在混凝土中提供合理的拉伸硬化参数 来模拟这种相互作用（图 20.6.1-1） 。 图 20.6.1-1 “拉伸硬化”模型 必须估计拉伸硬化的影响；这依赖于钢筋密度、钢筋和混凝土的粘结、混凝 土骨料对钢筋直径的相对大小、网格等因素。对于在较细网格下的大量混凝土材 料，当总应变 10 倍于破坏应变时，对于相当重的网格过细的钢筋混凝土模型， 合理的起点被假定为破坏后应变软化使应力在破坏应变的 10 倍的范围内线性降 低为 0。标准混凝土破坏时的应变为 10–4量级，这意味着拉伸硬化使应力在总应 变大约为 10–3的时候降为 0 是合理的。对特殊情况，必须校准这个参数。 Abaqus/Standard 中拉伸硬化参数的选择是十分重要的，一般说来，越大的 拉伸硬化越容易得到数值解。 太小的拉伸硬化将会导致混凝土局部裂缝破坏从而 在模型的总体响应中引入临时性的不稳定行为。少数实际设计中存在以上行为， 因此分析模型中存在这类响应通常表明拉伸硬化取值不合理的较低。 FileFileUsageUsageUse both of the following options *CONCRETE *TENSION STIFFENING, TYPESTRAIN default Abaqus/CAEAbaqus/CAEUsageUsageProperty module material editor MechanicalMechanical PlasticityPlasticityConcrete Smeared CrackingConcrete Smeared Cracking SuboptionsSuboptionsTension StiffeningTension Stiffening Type StrainType Strain 断裂能开裂准则 如之前所讨论的，当混凝土模型的重要部分没有钢筋的时候，定义拉伸硬化的应 变软化方法可能在结果中引入不合理的网格敏感性。Crisfield 1986讨论了这 一问题并且给出结论， 他认为 Hillerborg 1976的提议对许多实际问题足够精确。 Hillerborg 用脆性断裂概念定义单位面积开裂产生裂缝所需的能量作为一个材料参数。 使用 这种方法，混凝土的脆性行为以应力-位移响应为特性，而不是应力-应变响应。 受拉时混凝土试件会在某些截面出现贯穿裂缝。当构件被充分张拉后， 绝大多数 应力消失（因此弹性应变很小），试件的长度主要由裂缝的开口大小决定。开口 的大小不依赖于试件的长度图 20.6.1-2。 图 20.6.1-2 断裂能开裂模型 应用应用 在有限元模型中应用应力位移相关的概念， 需要定义与质点相关的特征