ABAQUS在土木工程的應(yīng)用

混凝土

鋼筋混凝土ABAQUSChina內(nèi)容提綱介紹無鋼筋混凝土力學(xué)行為ABAQUS中的混凝土本構(gòu)模型加強(qiáng)筋(鋼)ABAQUS中的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例OverviewofABAQUSVersion6.3介紹介紹Motivation:

構(gòu)造兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的混凝土模型，預(yù)測(cè)混凝土和鋼筋混凝土的力學(xué)行為

1：低壓混凝土(靜水壓力小于三倍單軸單軸壓縮失效應(yīng)力)，占主導(dǎo)地位的是混凝土開裂（cracking）的行為大荷載(塑性階段)，次生裂縫行為明顯單調(diào)荷載（可以包括小的反向加載，但是不能模擬循環(huán)加載）OverviewofABAQUSVersion6.3介紹2：Modelingthebehaviorofunreinforcedandreinforcedconcretestructures高壓(equivalentpressurestressmanytimeslargerthanuniaxialcompressionfailurestress)混凝土的壓碎(crushing)是主導(dǎo)行為大荷載(非彈性)單調(diào)荷載、循環(huán)荷載都可以O(shè)verviewofABAQUSVersion6.3介紹典型應(yīng)用低壓應(yīng)用:典型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如帶加鋼筋混凝土梁、

板、柱、剪力墻核反應(yīng)堆容器高壓密封加壓失效模擬炮彈對(duì)混凝土容器的沖擊模擬冰對(duì)海岸建筑的沖擊模擬OverviewofABAQUSVersion6.3介紹高壓應(yīng)用:地下導(dǎo)彈發(fā)射井震動(dòng)響應(yīng)模擬水庫的混凝土大壩OverviewofABAQUSVersion6.3介紹混凝土容器構(gòu)造OverviewofABAQUSVersion6.3介紹鋼筋混凝土建模：混凝土模型＋鋼筋模型＋混凝土和鋼筋的相互作用

ABAQUS中分別定義混凝土本構(gòu)和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

Concrete和rebar的相互作用，粘結(jié)滑動(dòng)(bondslip)and暗銷作用(dowelaction)都可以通過引入拉伸硬化(tensionstiffening)模擬OverviewofABAQUSVersion6.3介紹加強(qiáng)筋（REBAR）選項(xiàng)提供非常全面的幾何設(shè)計(jì)：

Rebar可以是單獨(dú)的筋，也可以是夾層，加強(qiáng)筋和夾層的方向是任意的可以加載初始應(yīng)力，初始應(yīng)力可以為“pre-tensioned”(灌漿前后都可以)也可以為“post-tensioned”(通常無灌漿).

OverviewofABAQUSVersion6.3無鋼筋混凝土土

的力學(xué)行行為無鋼筋混凝土土的力學(xué)行為為混凝土在高壓壓下（三軸））表現(xiàn)出準(zhǔn)脆脆性的行為不同于普通的的脆性材料,混凝土可以有有非彈性變形形，非彈性變變形可以比彈彈性變形大很很多混凝土損傷機(jī)機(jī)制:混凝土內(nèi)部微微裂紋和微孔孔洞的產(chǎn)生和和發(fā)展在高壓（靜水水壓力）下材材料的固化和和多微孔的結(jié)結(jié)構(gòu)的坍塌OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete單軸實(shí)驗(yàn)超過某應(yīng)力水水平,concrete微裂紋導(dǎo)致應(yīng)變軟化單軸拉伸MazarsandPijaudier-Cabot(1989)單軸壓縮KarsanandJirsa(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete體積膨脹:Volumeincreasethatresultsfromtheformationandgrowthofcracksparalleltothedirectionofthegreatestcompressivestress.Typicalplotofcompressivestressvs.axial,lateral,andvolumetricstrainOverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete雙軸加載：混混凝土失效應(yīng)應(yīng)力大于單軸軸狀態(tài)時(shí)的失失效強(qiáng)度Underbiaxialcompressiveloading,concretestrengthisgreaterthantheoneobservedinuniaxialtests.Compressivestressvs.straincomponentsandvolumetricstrainunderbiaxial-compressiveloadingKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete混凝土雙軸強(qiáng)強(qiáng)度包絡(luò)圖FailuremodesofbiaxiallyloadedconcreteBiaxialstrengthenvelopeofconcreteKupferetal.(1969)OverviewofABAQUSVersion6.3MechanicalBehaviorofPlainConcrete三軸加載：高壓混凝土裂裂紋擴(kuò)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循環(huán)加載力學(xué)學(xué)行為塑性和剛度的的退化反向加載剛度度恢復(fù)(單向)Stress-deformationcurveundercyclicloading(smallcompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)Stress-deformationcurveundercyclicloading(largecompressivestress)ReinhardtandCornelissen(1984)OverviewofABAQUSVersion6.3ABAQUS中的混凝土本本構(gòu)模型ABAQUS中的混凝土本本構(gòu)模型ABAQUS用連續(xù)介質(zhì)的方方法建立描述述混凝土模型型

不采用宏宏觀離散裂紋紋的方法描述述

裂紋的水水平的在每一一個(gè)積分點(diǎn)上上單獨(dú)計(jì)算低壓力混凝土土的本構(gòu)關(guān)系系Smearedcrackingmodel(ABAQUS/Standard)Brittlecrackingmodel(ABAQUS/Explicit)混凝土損傷模模型(ABAQUSVersion6.3)高壓力混凝土土的本構(gòu)關(guān)系系CapmodelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel(ABAQUS/Standard)用于描述單調(diào)應(yīng)變?cè)诓牧现斜憩F(xiàn)現(xiàn)出拉伸裂紋紋或者壓縮時(shí)時(shí)破碎的行為為壓縮塑性應(yīng)變變由“塑性壓壓縮屈服面””控制裂紋出現(xiàn)在當(dāng)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到裂裂紋產(chǎn)生面面“crackdetectionsurface”時(shí)裂紋是影響材材料行為的最最關(guān)鍵因素，，它將導(dǎo)致開開裂以及開裂裂后的材料的的各向異性Keywords:*CONCRETE,*TENSIONSTIFFENING,*SHEARRETENTION,and*FAILURERATIOS例題OverviewofABAQUSVersion6.3CrackingModel(ABAQUS/Explicit)ABAQUS/Explicit中脆性破裂模模型適用于拉伸裂裂紋控制材料料行為的應(yīng)用用壓縮失效不重重要此模型考慮了由由于裂紋引起起的材料各向向異性性質(zhì)材料壓縮的行行為假定為線線彈性.脆性斷裂準(zhǔn)則則可以使得材材料在拉伸應(yīng)應(yīng)力過大時(shí)失失效Keywords:*BRITTLECRACKING,*BRITTLEFAILURE,and*BRITTLESHEAROverviewofABAQUSVersion6.3ConcreteDamagedPlasticity(ABAQUSVersion6.3)適用于混凝土土的各種荷載載分析單調(diào)應(yīng)變,循環(huán)荷載,動(dòng)力載荷.標(biāo)量損傷模型型(各向同性)，包含拉伸開裂裂(cracking)和壓縮破碎(crushing).此模型可以模擬擬硬度退化機(jī)機(jī)制以及反向向加載剛度恢恢復(fù)的混凝土土力學(xué)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個(gè)“cap”Cap的作用約束模型的的靜水壓力力當(dāng)材料剪切切屈服時(shí)幫幫助控制體體積膨脹這些特性使使得“cap”模型適用于于受到高壓壓的混凝土土靜水壓力別別單軸壓縮縮強(qiáng)度大很很多這不包括任任何表示拉拉伸裂紋（（cracking）和壓縮破碎(Crushing)的行為因此只適用用于收到高高壓的混凝凝土.Keywords:*CAPPLASTICITYand*CAPHARDENINGOverviewofABAQUSVersion6.3加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)用加強(qiáng)筋(鋼)在ABAQUS中的應(yīng)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選項(xiàng)簡(jiǎn)化化了rebar在(continuum)elements中的定義.使用*EMBEDDEDELEMENT選項(xiàng)在主體體continuumelements中埋入一組組membrane或者surface單元作為夾夾層Usage:*EMBEDDEDELEMENT,HOSTELSET=solid_set_namememb_set_nameorsurf_set_nameembeddedsurfaceelementswithrebarhostcontinuumelementsOverviewofABAQUSVersion6.3ReinforcementMembrane單元不必與與實(shí)體單元元網(wǎng)格劃分分一致Membrane單元的的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)自動(dòng)動(dòng)約束束到主主體的的實(shí)體體單元元的節(jié)節(jié)點(diǎn)上上Surfaceelements可以嵌嵌入溫溫度度－位位移耦耦合合的實(shí)實(shí)體單單元中中。但但是是不能能模擬擬出隔隔熱/傳熱的的行為為Surfaceelements不可以以嵌入入熱傳傳導(dǎo)和和質(zhì)量量擴(kuò)散散實(shí)體體單元元中OverviewofABAQUSVersion6.3應(yīng)用實(shí)實(shí)例應(yīng)用實(shí)實(shí)例ABAQUS/CAE演示OverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModelJainandKennedySlab二維平平面應(yīng)應(yīng)變模模型本構(gòu)關(guān)關(guān)系：：SmearedCrackingModelOverviewofABAQUSVersion6.3SmearedCrackingModel考慮拉拉伸硬硬化效效應(yīng)OverviewofABAQUSVersion6.3*REBAR的參數(shù)數(shù)1.有加強(qiáng)強(qiáng)筋的的單元元forrb2.加強(qiáng)筋筋的截截面積積0.193323.加強(qiáng)筋筋的間間距184.加強(qiáng)筋筋的方方向05.加強(qiáng)筋筋在單單元中中的位位置.6266676.單元的的哪條條邊上上3OverviewofABAQUSVersion6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果與與計(jì)算算結(jié)果果比較較OverviewofABAQUSVersion6.3算例：：分析析地震震載荷荷下的的重力力壩Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam給出一一個(gè)使使ABAQUS分析在在任意意荷載載下混混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)的穩(wěn)穩(wěn)定性性。地震荷荷載分分析：：印度度一個(gè)個(gè)水壩壩，6.5級(jí)地震震。SeismicanalysisofKoynadam(India),subjectedtotheDecember11,1967,earthquakeofmagnitude6.5ontheRichterscale.計(jì)算說說明:忽略壩壩基作作用，，剛性性基礎(chǔ)礎(chǔ)。水動(dòng)力力效應(yīng)應(yīng)使用用Westergaard附加質(zhì)質(zhì)量技技術(shù),通過兩兩節(jié)點(diǎn)點(diǎn)用戶戶單元元實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。材料阻阻尼為為壩體體一階階振動(dòng)動(dòng)臨界界阻尼尼的3%拉伸失失效數(shù)數(shù)據(jù)通通過斷斷裂能能給出出OverviewofABAQUSVersion6.3Example:SeismicAnalysisofaConcreteGravityDam有限元元網(wǎng)格格:760CPS4R4節(jié)點(diǎn)平平面應(yīng)應(yīng)力單單元，，36個(gè)用戶戶單元元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（拉伸伸損傷傷變量量）,DAMAGET,isanondecreasingquantityassociatedwithtensile(cracking)failureofthematerial.Thestiffnessdegradationvariable（剛度度梯度度變量量）,SDEG,canincreaseordecrease,reflectingthestiffnessrecoveryeffectsassociatedwiththeopening/closingofcracks.CompressionSDEG

=0水平位位移峰峰值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塑性模模型是是一種種構(gòu)造造粒狀狀材料料比比如土土壤，，一般般只考考慮單單調(diào)荷荷載，，并且且是““率無無關(guān)””材料料在ABAQUS中Mohr-Coulomb塑性模模型有有一下下特征征:小載荷荷情況況下存存在一一個(gè)線線彈性性的階階段，，隨載載荷的的變大大，材材料的的變形形中包包括不不可恢恢復(fù)成成分。。認(rèn)為為材料料進(jìn)入入塑性性階段段。材料初初始各各向同同性屈服行行為與與靜水水壓力力有關(guān)關(guān)，材材料隨隨著約約束力力的變變大而而變得得更強(qiáng)強(qiáng)屈服行行為受受中間主主應(yīng)力力的最大值值的影影響OverviewofABAQUSVersion6.3Mohr-CoulombModel包括各各向同同性的的硬化化的軟軟化隨體積積變化化材料料表現(xiàn)現(xiàn)出非非彈性性行為為，在在非彈彈性膨膨脹和和非彈彈性剪剪切變變形中中中引引入流流動(dòng)法法則可以考考慮溫溫度的的影響響假設(shè)材材料““率無無關(guān)””O(jiān)verviewofABAQUSVersion6.3ModifiedDrucker-PragerModels修正的的Drucker-Prager模型這種模模型用用于模模擬單單調(diào)荷荷載下下材料料的響響應(yīng)，，比如如分析析地基基下土土壤的的極限限荷載載，這這是最最簡(jiǎn)單單的一一種模模擬摩摩擦材材料的的本構(gòu)構(gòu)模型型。此模型型基本本特性性如下下：存在完完全彈彈性響響應(yīng)部部分，，材料料的變變形中中包括括一部部分不不可恢恢復(fù)成成分。。認(rèn)為為材料料進(jìn)入入塑性性階段段。材料初初始各各向同同性屈服行行為與與靜水水壓力力有關(guān)關(guān)，材材料隨隨著約約束力力的變變大而而變得得更強(qiáng)強(qiáng)。材料會(huì)會(huì)有各各向同同性的的硬化化或者者軟化化。OverviewofABAQUSVersion6.3非彈性性行為為通常常伴隨隨著體體積改改變：：在非非彈性性膨脹脹和非非彈性性剪切切變形形中引引入流流動(dòng)法法則。。ABAQUS中提供兩兩種流動(dòng)動(dòng)法則。。屈服行為為會(huì)受中中間主應(yīng)應(yīng)力的影影響材料可以以是“率率相關(guān)””材料可以引入入溫度效效應(yīng)ModifiedDrucker-PragerModelsOverviewofABAQUSVersion6.3CoupledCreepandDrucker-PragerPlasticityCoupledCreepandDrucker-PragerPlasticity地質(zhì)材料料在一定定條件下下在一定定的條件件下會(huì)有有蠕變。。當(dāng)加載時(shí)時(shí)間與材材料蠕變變的時(shí)間間特征時(shí)時(shí)間相當(dāng)當(dāng)，材料料塑性和和蠕變的的方程需需要一起起考慮。。ABAQUS提供可以以用于增增強(qiáng)Drucker-Prager的蠕變模模型。OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel修正Cam-Clay模型這個(gè)模型型用于描描述無粘性材料的本本構(gòu)模型型。這是經(jīng)典典劍橋黏黏土模型型的擴(kuò)展展?；咎卣髡鳎悍蔷€性彈彈性響應(yīng)應(yīng)，接下下來材料料進(jìn)入塑塑性階段段初始各向向同性屈服行為為與靜水水壓力有有關(guān)，臨臨界狀態(tài)態(tài)分為兩兩個(gè)區(qū)域域：在在“干干”面上上材料軟軟化，在在““濕”面面上材料料硬化。。硬化和和軟化行行為濕體體積塑性性應(yīng)變的的函數(shù)OverviewofABAQUSVersion6.3ModifiedCam-ClayModel非彈性行為為通常伴隨隨著體積改改變：在““干”面上上材料膨脹脹，在“濕濕”面上材材料被壓緊緊，在非彈彈性膨脹和和非彈性剪剪切變形中中引入流動(dòng)動(dòng)法則。屈服行為會(huì)會(huì)受中間主主應(yīng)力的影影響假設(shè)無粘性性可以包括溫溫度效應(yīng)Underlargestressreversalsthemodelprovidesareasonablematerialresponseonthe“wet”(cap)sideofcriticalstate;however,onthe“dry”sidethemodelisacceptableonlyforessentiallymonotonicloading.