混凝土非线性论文.docVIP

钢筋混凝土非线性有限元分析 1.1钢筋混凝土的基本力学性能及破坏机理 混凝土主要由粗骨料、细骨料、水泥浆组成，混凝土在凝固过程中，由于水泥的水化作用在骨料表面形成了凝胶体，水泥的收缩系数远远大于骨料的收缩系数，导致骨料受压，水泥砂浆受拉，因此局部应力比较大时就会在骨料界面产生裂缝，随着时间的增长，水泥的水化热作用的不断延续，使得骨料界面的裂缝不断加重，形成受荷之前的初始裂缝，开始受力后，混凝土内的裂缝发展经历了三个阶段：微裂缝相对稳定期，稳定裂缝发展期和不稳定裂缝发展期。混凝土应力较小时，有些微裂缝略有发展，有些裂缝因受压而闭合，残余变形也很小；随着混凝土的应力的增大，原有的微裂缝逐渐变宽和延伸，变形逐渐增大，但是当荷载不再增大时裂缝的发展也停止，裂缝形态保持基本稳定；当混凝土的应力很高时骨料截面的裂缝突然延伸和扩展，大量地进入水泥砂浆，水泥砂浆中的裂缝也得到很大程度地扩展，这些裂缝逐渐连通，形成平行于受压方向的竖向裂缝，即劈裂裂缝，即使应力不再增大，裂缝仍然在扩展，不再保持稳定状态。 1.2钢筋混凝土本构关系的研究 1.2.1 钢筋混凝土本构关系 钢筋混凝土本构关系，即在外荷载的作用下钢筋混凝土结构或构件的应力与应变的关系。在国内外对于钢筋混凝土结构或构件的研究主要有两种方法：一是分别研究钢筋和混凝土的本构关系，例如：混凝土的弹性或非弹性本构方程、以经典塑性理论为基础的混凝土塑性本构方程、塑性断裂本构方程和连续损伤理论本构方程等，二是将混凝土和钢筋作为一个统一的整体来研究其本构方程，采用抹平裂缝理论和弥散钢筋应力理论和连续介质的方法进行研究。 1.2.2 混凝土的非线性本构关系 混凝土的非线性分析则是建立在混凝土单轴，双轴和三轴应力状态下的本构关系和强度理论的基础上的。混凝土的非线性本构关系模型有增量型和全量型两种，增量型采用变化的割线模量，全量型采用变化的切线模量。钢筋的应力-应变关系可以分为单向荷载和反复荷载作用下两种情形。单向荷载作用下，软钢的应力-应变曲线分为三个阶段：弹性阶段，屈服平台和强化阶段，弹性阶段是一斜直线，屈服平台是一水平线，强化阶段可用曲线或者斜直线表示；硬钢的应力-应变关系曲线同样也分为三个阶段，即弹性阶段，软化阶段和后续阶段。 1.2.3 软化现象 钢筋混凝土平面拉-压受力状态下的主压应力峰值小于单独受压时的应力峰值，这种现象称之为混凝土主压应力方向的强度软化，通过各个国家研究人员的努力，证明影响混凝土强度软化的因素有：钢筋角、拉压应力之比、加载顺序、加载速率以及尺寸效应等。 1.3钢筋混凝土的强度准则 混凝土的强度准则是指混凝土破坏时建立各应力之间的关系，也即建立混凝土空间坐标破坏曲面的规律，对于建立混凝土强度准则来说，混凝土的破坏是指混凝土达到其极限强度。目前存在的材料破坏准则：一参数强度准则（最大主拉应力破坏准则，最大剪应力强度理论，Von mises 强度理论），二参数强度准则（莫尔-库仑强度理论），三参数强度准则（Bresler-pister强度准则，Willam-Warnke强度准则），四参数强度准则（Ottosen准则，Reimann强度准则），五参数准则（Willam-Warnke五参数强度准则）。钢筋混凝土的有限元分析过程中应用最多的是五参数强度准则，其中的五个参数中混凝土的抗压强度，抗拉强度以及立方体抗压强度是由实验确定的，另外两个参数由彼此之间的关系式确定。 2．钢筋混凝土的有限元分析 2.1 钢筋混凝土结构的有限元分析与其他固体力学的有限元分析的不同点 （1）需要模拟钢筋与混凝土的粘结与滑移机理。 （2）需要模拟混凝土的开裂和裂缝的发展过程，尤其是裂缝的开裂和闭合。 （3）需要模拟混凝土和钢筋的应力达到峰值后的性能。 （4）复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性和几何非线性同时存在，难度大大加大。 （5）分析结果的精度取决于钢筋和混凝土以及二者粘结滑移的本构关系。 2.2 钢筋混凝土结构有限元分析模型 2.2.1 分离式模型 将钢筋和混凝土作为两种独立的单元来处理，即将钢筋和混凝土分别划分为足够小的单元，两者的单元刚度矩阵分别进行计算，钢筋与混凝土之间的粘结与滑移用粘结单元（例如弹簧单元）来模拟，细长的钢筋可以用线单元来模拟，忽略其抗剪能力，混凝土采用实体单元进行模拟，一般情况下钢筋混凝土结构开裂后导致钢筋与混凝土之间出现粘结滑移，是符合实际情况的，这种模型在实际应用中最为广泛。 2.2.2 整体式模型 这种模型假定钢筋与混凝土粘结良好，钢筋在混凝土中分布均匀，采用钢筋-混凝土复合本构关系，把钢筋和混凝土的贡献组合起来，一次球的最终的刚度矩阵，此模型建模方便分析效率高，但是不适用于钢筋在混凝土中分布不均匀的情形。此模型主要用于有大量钢筋且分布均匀的构件中，例如剪力墙