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ABAQUS钢筋混凝土有限元分析

发布于:2018-06-28 21:44
有限元分析

      钢筋混凝土材料,是一种非匀质的力学性能复杂的建筑材料。随着计算机和有限元分析方法的发展,有限元法已经成为研究混凝土结构的一个重要的手段。由于数值计算具有快速、代价低和易于实现等诸多优点,这种分析方法已经广泛用于实际工程中。然而,要在有限元App中尽可能准确地模拟混凝土这种材料,是不容易的,国内外学者提出了基于各种理论的混凝土本构模型。但是迄今为止,还没有一种理论被公认为可以完全描述混凝土的本构关系。
      ABAQUS是大型通用的有限元分析App,其在非线性分析方面的巨大优势,获得了广大用户的认可,在结构分析领域的应用趋于广泛。本研究把规范建议的混凝土本构关系,应用到损伤塑性模型,对一悬臂梁进行了精细的有限元建模计算和探讨。
      ABAQUS在钢筋混凝土分析上有很强的能力。它提供了三种混凝土本构模型:混凝土损伤塑性模型,混凝土弥散裂缝模型和ABAQUS/Explicit中的混凝土开裂模型。其中混凝土损伤塑性模型可以用于单向加载、循环加载以及动态加载等场合,它使用非关联多硬化塑性和各向同性损伤弹性相结合的方式描述了混凝土破碎过程中发生的不可恢复的损伤,这一特性使得损伤塑性模型具有更好的收敛性。此模型是基于文献的工作,使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为。
      钢筋采用本构关系为强化的二折线模型,无刚度退化。折线第一上升段的斜率,为钢筋本身的弹性模量,第二上升段为钢筋强化段,此时的斜率大致可取为第一段的1/100。
      损伤是指在单调加载或重复加载,材料性质所产生的一种劣化现象,损伤在宏观方面的表现就是微裂纹的产生。材料的损伤状态,可以用损伤因子来描述。根据前面确定的混凝土非弹性阶段的应力一应变关系可求得损伤因子的数值。
      混凝土在单向拉伸/压缩试验中得到的数据,通常是以名义应变和名义应力表示的,为了准确地描述大变形过程中截面积的改变,需要使用真实应变和真实应力,可通过它们之间的换算公式计算。真实应变是由塑性应变和弹性应变两部分构成的。在ABAQUS中定义塑性材料参数时,需要使用塑性应变。
      梁截面尺寸为200mmx300 mm,梁长1500 mm;纵筋为HRB335钢筋,箍筋为HPB235钢筋,混凝土强度等级为C30,混凝土和钢筋的各力学参数均取自《混凝土结构设计规范》的标准值。
      混凝土和钢筋分别采用C3D8R单元和T3D2单元进行分离式建模,并采用Embedded技术进行自由度祸合。为了避免梁端因为应力集中导致局部损坏,在梁端设置了一个矩形离散刚片,荷载施加在刚片的参考点上。在定义混凝土的粘性系数时,粘性系数越大,结构越刚硬,就像越粘稠的液体越难流动一样,粘性系数越小,计算效率很低,很难收敛。通过对粘性系数取0.01,0.005,0.001,0.0005这四种情况的比较,发现当取0.0005和0.001时计算不收敛;取0.01时的荷载位移曲线一直处于上升阶段,说明刚化了结构。从前面的计算结果来看,取0.005时还是比较好的。
     是否考虑混凝土受拉损伤对计算结果影响较大,不考虑损伤时的极限承载力,比考虑损伤时要大10%左右,显然从前面的计算结果可以看出,当考虑损伤时要更为合理,这一特性与混凝土的实际受力是吻合的。
     通过本研究分析,主要得到以下结论:
     (1)混凝土损伤塑性模型,以混凝土受压破碎和受拉开裂为准则。通过该悬臂梁算例,可知此模型在ABAQUS中模拟混凝土材料的非线性关系是行之有效的。
     (2)求解混凝土,一般都会碰到计算收敛的问题,参数取值合理是大有帮助的。对于混凝土的粘性系数、膨胀角等,都值得反复推敲;初始增量步的大小也很重要,模型复杂和受荷载较大的时候,建议尽量取小值,不然计算难以收敛。
     (3) ABAQUS提供的Embedded技术,以方便地解决钢筋与混凝土之间的粘结关系,使建模变得更加的高效和容易实现精细建模,但是它实现不了钢筋的滑移等。如何用有限元App方便地模拟钢筋与混凝土之间的关系,需要作进一步深入的研究。


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