17-项贻强——钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟.pdfVIP

水 利 学 报 年 月 SHUILI XUEBAO 第 卷 第 期 文章编号： 钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟 1、2 1 唐国斌  项贻强 (1. 浙江大学土木工程系，浙江 杭州 310058 ； 2. 河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州，450006 ） 摘 要：基于混凝土材料细观层次的研究，对钢筋混凝土梁的开裂面的力学性能进行分析和数值模拟。通过引入开裂 面法向和切向的应力—应变关系假定，模拟裂缝出现后开裂面由于骨料咬合和微裂缝嵌入的互制作用；通过采用弹性 地基梁理论，分析钢筋销栓作用对开裂面应力传递的影响；在此基础上，基于开裂区应变分解思想，采用等效连续模 型将开裂面和裂缝间混凝土统一，将裂缝的影响隐含在等效的本构模型及相关参数中，并给出了开裂单元的屈服准则、 加卸载准则及增量型有限元中本构矩阵的数值计算方法。与典型结构的试验结果比较验证本文数值模型的合理性和有 效性。 关键词：钢筋混凝土；开裂；非线性；骨料咬合；销栓作用 中图分类号： U448.35 文献标识码：A 1 引言 带裂缝工作是钢筋混凝土结构受力的一个重要特征，裂缝的出现是混凝土具有非均质性及各向异性的 一个重要因素。传统的混凝土有限元分析中，常用的裂缝模型包括分离裂缝模型或弥散裂缝模型。分离裂 缝模型将裂缝的两侧按分离的几何边界进行处理，裂缝的力学行为和状态由缝面边界条件表征。Ngo 和 Scordelis 最早将该模型用于混凝土开裂的非线性分析[1] 。弥散裂缝模型以分布的裂缝来替代单独的裂缝， 认为裂缝是均匀分布于整个单元内部的，是微小的，彼此平行、连续的。该模型保持了结构位移场连续的 假定，使得有限元数值方法中只需引入材料开裂本构模型，即可模拟脆性材料的开裂过程。 混凝土裂缝的研究中，非线性断裂力学发挥了关键作用[2]，作为分离裂缝模型的发展，Hillerborg 等提 出了虚拟裂缝模型，通过引入断裂过程区裂缝扩展的缝面软化模型，模拟混凝土中开裂过程[3] 。Bažant 和 Oh 提出的钝裂缝带模型则进一步发展了弥散裂缝模型，通过引入裂缝带的概念，将断裂能弥散于裂缝带 宽度范围内，并将断裂能作为混凝土材料的一个基本力学参数，通过调整应力—应变软化曲线以适应不同 的离散网格[4] 。 虚拟裂缝模型和钝裂缝带模型均属于非线性断裂力学模型的范畴，这类模型放弃了传统断裂力学中的 某些基本概念，而引入断裂过程区材料的应变软化关系及一些关于非线性变形局部化的假定来模拟混凝土 中裂缝的发生和扩展过程。它们在素混凝土断裂分析中得到广泛的应用。对于钢筋混凝土结构，其基体虽 然为脆性的混凝土材料，但由于钢筋的应用结构的整体性能已表现出韧性。对这类结构的开裂分析，以往 多采用传统的弥散裂缝模型。然而，由于众所周知的缺点，这类模型难以反映开裂面的力学特性，难以处 理分析对象中可能出现多条平行裂缝的情形[5] 。 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金项目，浙江大学建筑工程学院——华汇工程设计集团研究中心研究基金项目（2011），浙江省重点科技创 新团队项目(2010R50034)。 作者简介：唐国斌(1982―)，男，河南洛阳人，博士，从事桥梁结构及混凝土非线性理论研究.E-mail: zzutgb@126.com 通讯联系人：项贻强，男，教授、博士生导师，从事桥梁结构全寿命设计理论、监测、风险控制研究。E-mail: xiangyiq@ 本文基于细观层次的研究成果对钢筋混凝土结构开裂面的作用机理进行解释和分析。通过引入开裂面 法向和切向的应力—应变关系假定，模拟开裂面微裂缝嵌入和骨料咬合的作用。通过采用弹性地基梁理论 反映钢筋销栓作用。在此基础上，推导了钢筋混凝土三维开裂单元的本构矩阵，给出了开裂单元本构积分 的数值格式和增量型有限元求解算法。与典型结构的试验结果比较验证本文数值模型的合理性和有效性。 2 开裂区混凝土本构矩阵 2.1 应变分解 De Borst