关于钢筋混凝土平面应力结构有限元分析的文献回顾.PDFVIP

第二章 关于钢筋混凝土平面应力结构有限元分析的文献回顾 本章回顾了由平面应力单元组成的钢筋混凝土结构基于各种模型的模拟。2.1 节回顾以 往关于钢筋混凝土性能预测分析模型的研究，特别是由休斯顿大学开发的一系列模型。讨论 了一些重要的本构模型的特性和非线性有限元分析。2.2 节和2.3 节分别阐述了循环软化膜 模型（CSMM ）(Mansour and Hsu 2005a and 2005b)和面向对象有限元程序OpenSees 框架 （Fenves 2001 ）。最后2.4 节对本章内容做了总结。 2.1 文献回顾 关于钢筋混凝土平面应力结构的非线性有限元分析已经提出了很多分析模型。这些模 型中包括了桁架模型，各向正交异性模型，非线性弹性模型，塑性模型和微观模型等等。 ASCE Task 委员会和ASCE/ACI 委员会已经对这些模型做了总结回顾。在这些模型中，与 其他模型相比，只有各向正交异性模型同时考虑了精确性和经济性。为了联系本文所研究的 内容，阐述了以往对钢筋混凝土各向正交异性模型的研究及这些模型在钢筋混凝土平面应力 结构中的应用。 2.1.1 以往其他学者的研究 Vecchio 和Collins （1981 and 1982）提出基于旋转裂缝法的压力场原理（CFT ）。在此模 型中，正交异性的方向分别垂直和平行于主应变方向，且在加载过程中连续变化。由于假设 混凝土拉应力为 0，CFT 没有考虑混凝土的拉伸硬化。因此CFT 能够预测试件的破坏荷载 而不能够预测受剪刚度。1986 年，CFT 经过修改变成修正压力场原理（MCFT ）（Vechio and Collins,1986 ），它包括了混凝土在拉力作用下的各种关系，以此更好地建立受剪刚度模型。 Vecchio （1989 and 1990）发表了MCFT 的有限元公式。在MCFT 中，开裂钢筋混凝土被当 作各向异性材料，其主轴位于主应变的方向。在混凝土开裂后，忽略泊松效应。整个有限元 过程基于迭代和割线刚度。该模型被用来预测面板试验和深梁试验的单调响应。面板试验响 应和分析响应普遍符合得很好。 Balakrishnan 和 Murray(1988c) 同过采用他们自己的本构关系(Balkrishnan and Murray,1988a and 1988b)提出了一种旋转裂缝模型来预测剪力板和深梁的单调行为。当混凝 土出现裂缝后，泊松比设为0 。该模型被Vecchio 和Collins （1982）用来预测许多面板试验 及配有和未配腹筋的钢筋混凝土深梁的行为。 Crisfield 和Wills(1989)采用不同的材料模型对由Vecchio 和Collins （1982）开展的许多 钢筋混凝土板试验进行了分析。模型包括了固定裂缝模型，摇摆裂缝模型和简化的塑性模型。 固定裂缝模型定义正交裂缝的方向由超过混凝土开裂应力的第一主应力方向控制。摇摆裂缝 模型是一种旋转裂缝模型，它假设主应力和主应变方向重合，其主轴被定义为主应变的方向。 塑性模型在压力作用下有一个矩形屈服面，在此范围内不允许有拉力。作者对板的这三种模 型进行了广泛的研究，并把分析结果和试验结果进行了对比。作者同时验证了固定裂缝和旋 转裂缝模型之间的差别。本文中的有限元程序是基于迭代和切线刚度公式上的。需要指出的 是数值求解方法引用的是弧长方法，它能获得包括下降段在内的完整的单调加载相对变形响 应。 Ayoub 和 Fillippou(1998) 提出了一种旋转裂缝模型，它是对 Vecchio(1990) 和 Balakrishnan 、Murrary(1988a,1988b,1988c) 的各向正交异性模型的一种延伸。Vecchio 和 Collins （1982）的面板试验及Cervenka 和Gerstle(1971)的剪力墙试验都在相关的研究中被引 用。对分析和试验结果进行了很好的比较。作者指出用传统的Newton-Raphson 迭代分析方 法来判断破坏强度是不可能的，因为数值模拟过程中的收敛失败将会被错误地当作材料破 坏。作者采用线性平面弧长模型（Crisfield1982 ）解决数值问题，并得到了完整的板件的剪 应力应变响应。 Kaufmann 和Marti(1998)提出了开裂膜模型(CMM)，它综合了MCFT 模型和拉伸硬化模 型。采用在开裂表面具有平衡性的裂缝之间的逐步的，完全刚塑性混凝土-钢筋粘结滑移关 系