混凝土宏观本构模型研究进展

近年来,随着结构工程的快速发展,对结构在罕遇地震和风载作用下的精准数值模拟与性能化设计提出了更高需求.结构工程中的混凝土属于准脆性材料,试验表明混凝土具有显著的受压软化、受拉软化、剪切软化和捏拢效应等特性.针对上述特性,概述了结构工程数值模拟中常用的6种混凝土数值模型,包括非线性弹性模型、脆性裂缝模型、弹塑性裂缝模型、...     

基于不同本构模型的混凝土结构地震倒塌对比分析

基于混凝土材料本构模型,结合精细化结构单元模型和高效稳定的数值算法,实现了混凝土结构的动力倒塌全过程分析。对建模方法、结构分析方法、材料与构件失效准则等进行了简要介绍。以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例,分别采用混凝土弹-脆性本构模型、弹塑性本构模型和随机损伤本构模型进行了结构地震倒塌全过程分析。结果表明：混凝土本构模型对结构倒塌分析具有重要的基础地位,本构模型选取不当,将给出错误的倒塌模式或分析结果;混凝土随机损伤本构模型能够准确地预测结构的强非线性行为,可用于复杂混凝土结构倒塌全过程的模拟。     

基于Weibull强度理论的混凝土冻融损伤本构模型研究

将统计学方法与细观力学方法结合,采用平行杆模型模拟混凝土等脆性材料单轴受压的损伤演化规律。研究了基于Weibull强度理论的混凝土细观统计损伤本构模型,并通过冻融后的混凝土单轴受压本构试验,拟合出模型相关参数m和ε0,提出了基于细观统计损伤力学的混凝土冻融损伤本构方程。最后通过非线性有限元分析软件ABAQUS对提出的模型进行数值模拟,并与试验结果对比分析,验证了所提出模型的合理性。     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

基于ABAQUS的混凝土材料非线性本构模型的研究

主要讨论了利用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS对钢筋混凝土构件进行非线性有限元分析,重点对ABAQUS提供的混凝土本构模型、破坏准则、钢筋的本构关系以及如何在ABAQUS中处理钢筋与混凝土的粘结滑移效应进行深入研究,并针对混凝土受拉区的非线性行为提出了固定弥散裂缝模型进行模拟。最后通过一个算例分析,将实验结果与数值模拟结果进行分析比较,证明了运用ABAQUS对钢筋混凝土构件进行分析有较好的精度。     

设置横隔板方钢管混凝土柱轴压性能有限元非线性分析

钢管混凝土柱受压性能研究中,有限元非线性分析是重要的研究手段,而材料本构模型选用更是提高分析精度的关键因素。本文设置横隔板方钢管混凝土柱的有限元非线性分析中,约束混凝土采用Han本构模型,钢材采用考虑应变硬化段的弹塑性模型。分析结果表明,按照所选用的材料本构模型,数值模拟与实测荷载-应变曲线的上升段吻合较好,下降段存在差异,材料本构模型的下降段有待优化。     

基于非局部微平面模型M7的混凝土非线性有限元分析

混凝土作为多相复合材料,其力学行为复杂多样,结构响应具有明显非线性,采用宏观本构模型精确描述存在较大难度。基于微观水平的混凝土本构模型——微平面模型M7,通过二次开发接口,将其嵌入具有较强非线性分析能力的通用有限元程序ABAQUS,对混凝土单轴压缩及拉伸、三轴压缩进行了模拟分析,通过与相关试验结果比较,验证了基于微平面模型子程序的有效性;为规避应变局部化引起的网格敏感性问题,将非局部理论引入微平面模型,研究了混凝土矩形面板与三点弯曲梁的应变软化问题。结果表明:微平面模型M7能够较好地模拟混凝土应力-应变全曲线过程,及多种应力状态下的力学行为;结合非局部理论的非局部微平面模型用于混凝土结构的有限元分析,不存在网格依赖性问题,能够给出合理的结构应变软化局部化响应,数值模拟结果合理可靠。     

混凝土在多维应力状态下的损伤本构模型

已有的混凝土平面应力有限元分析均是利用单轴应力-应变本构关系,其中经验系数的选取带有相当的主观色彩,因此十分有必要建立混凝土在多轴应力特别是二维应力状态下的本构关系并直接应用于非线性分析.基于连续损伤力学的理论框架,作者建立了理论上较为完备、应用较为简单的确定性混凝土拉剪弹塑性损伤本构模型.模型数值模拟和已有试验结果的对比表明,本文建议模型能够很好的描述双轴应力条件下混凝土材料的弹性区域包络线以及强度包络线,同时应力-应变全过程结果和Kupfer (Kupfer et al.1969)的试验结果吻合良好,能够很好的模拟混凝土双轴受压强度的提高和双轴拉压应力状态下的"拉压软化效应",这对混凝土结构的非线性分析是非常重要的.     

混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅱ:数值计算和试验验证

针对建议的基于能量的混凝土弹塑性损伤本构模型[1],将损伤演化和塑性变形解耦,本文建立了模型的弹性预测-塑性修正-损伤修正数值分析框架,给出了无条件稳定的应力更新算法和相应的算法一致性切线模量。在弹性预测-塑性修正过程中,利用谱分解回映算法建立了塑性流动因子和硬化参数的统一迭代格式,减小了有效应力更新的计算量。根据上述数值算法,编制非线性有限元分析程序,对单调和低周反复荷载作用下的混凝土材料和结构试验进行数值模拟,分析结果表明建议的弹塑性损伤本构模型可以较好地描述混凝土材料的典型非线性行为,其数值方法是有效的,为进一步的结构非线性分析应用奠定了基础。     

预应力混凝土构件冻融环境下疲劳数值模拟

基于冻融与疲劳耦合作用下混凝土弹性模量衰减模型、冻融损伤的混凝土疲劳本构模型以及钢筋的疲劳本构方程,通过ANSYS综合各模型的材料参数,模拟预应力混凝土受弯构件在冻融与疲劳交替作用下的疲劳性能,并与试验结果进行对比.结果表明:数值模拟的预应力混凝土构件弯曲挠度和上边缘的应变与试验结果吻合较好,所得结果可为实际工程中冻融环境下预应力混凝土疲劳性能的数值模拟提供有效方法.     

往复荷载下型钢混凝土柱滞回性能模拟

应用有限元分析软件OpenSEES,基于纤维模型法和柔度法,通过选择适宜的单轴材料本构模型,建立起十字形钢混凝土柱的有限元分析模型,并对试件进行低周往复荷载作用下的非线性数值模拟。结果表明:所建立的OpenSEES模型能很好的反映十字形钢混凝土柱滞回环的特点,此次模拟的结果可为十字形钢混凝土结构数值模拟和地震反应分析提供参考。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数标定及验证

基于混凝土结构设计规范提供的混凝土本构关系,通过引入损伤因子,对ABAQUS混凝土塑性损伤模型中所涉及的材料参数标定和验证进行了研究。用规范给予的本构关系对混凝土材料进行参数计算,然后对比分析模拟结果和规范曲线,来验证混凝土损伤塑性模型(CDP模型)参数设置的正确性;通过对一配置弯起钢筋的混凝土简支梁进行精细化建模,验证CDP模型在混凝土结构非线性分析中的可靠性,为钢筋混凝土结构精细化非线性有限元分析提供参考。     

修正的钢筋混凝土等效材料塑性损伤本构模型及其在抗震分析中的应用

利用刚度等效原则将钢筋弥散于整个混凝土中,将钢筋混凝土视为连续均质的材料,借助ABAQUS软件自带的混凝土损伤本构模型,对应用于高层建筑工程中的高强钢筋混凝土材料的本构关系进行分段线性简化,实现了采用等效材料本构模型模拟钢筋混凝土。采用等效材料本构模型对既有文献中已进行试验的钢筋混凝土剪力墙进行数值模拟,所获得的荷载-位移曲线与试验得到的曲线一致性较好,说明了等效材料本构模型的有效性。最后基于该本构模型,利用ABAQUS软件对一个超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,模拟结果能较为合理地反映高层建筑在地震作用下的力学响应,说明可以利用该本构模型指导工程实践。     

混凝土本构模型的研究

随着计算科学的持续飞速发展,材料的本构关系及相关的塑性力学、微观力学已成为固体力学中最活跃的分支。但对最重要的工程材料之一的混凝土而言,其本构关系的研究目前却进展缓慢。本文试图从国内外研究的最新动向中,剖析其进展缓慢的原因和存在的问题。重点放在根据混凝土材料的固有特性及在受力过程中从微观裂缝到宏观破坏的发展机理,探索与建立本构模型有关的问题,特别是考虑混凝土达局部破坏——进入软化阶段后的行为。文章提出混凝土破坏形态的分类和各破坏形态区域的划分方法,以及建立混凝土软化阶段本构模型的途径,以便于在有限元方法中应用。     

混凝土结构疲劳全过程分析方法研究

为研究混凝土结构疲劳破坏的全过程，提出一种基于损伤力学的疲劳分析方法。该方法通过引入疲劳损伤本构模型以描述混凝土材料在疲劳荷载作用下的劣化过程。为提高计算效率，将本构模型与非线性有限元方法相结合，发展了一种循环跳跃式疲劳加速算法。基于该算法，结构的疲劳破坏过程可仅通过少量疲劳加载循环的计算加以推测。为保证算法精度，进一步提出基于损伤演化速率的自适应精度控制策略，使分析可根据疲劳损伤演化速率的变化自动调整加速算法的时间跳跃步长。采用该分析方法对混凝土材料与钢筋混凝土梁的疲劳破坏过程进行模拟，并与相关疲劳试验数据进行对比。结果表明：该分析方法可准确预测混凝土结构在疲劳荷载作用下的非线性行为，特别是疲劳加载过程中裂缝的产生和扩展过程；结合疲劳损伤本构模型和疲劳加速算法能够高效及准确地模拟混凝土结构的疲劳破坏全过程。     

结构材料滞回模型的精确性比较研究

纤维模型是结构非线性分析中模拟精度较高的一种有限元模型,由于采用材料单轴本构关系模拟结构单元的非线性特性,材料滞回模型的选用将直接影响其非线性反应计算的精确性。选取纤维模型中典型的6种混凝土和3种钢筋滞回模型,用不同的材料滞回模型组合模拟了24组柱子的拟静力反应,并将其与试验结果进行比较,采用峰值强度、初始刚度和能量耗散能力等三个指标统计评估了不同滞回模型组合的精确性。分析表明,采用基于Kent-Park-Yassin混凝土滞回模型和基于Giuffre-Menegotto-Pinto钢筋滞回模型组合的数值模拟结果的统计值与试验结果之间的差值最小,建议在结构非线性分析中首选此种模型组合。     

基于锈胀力的混凝土保护层破裂过程数值模拟

本文运用FINAL有限元软件,基于钢筋锈胀力,研究混凝土保护层裂缝的形成和发展过程,以及应力分布情况。以二维钢筋混凝土简支梁模型为例,采用以均匀锈蚀为理论基础的锈胀力计算模型,混凝土开裂前选用线弹性本构,开裂后选用双线性软化本构,模拟混凝土由加载初始到破坏的整个过程,得到不同时刻的裂缝图和最大主应力图。通过对试件破坏过程中典型裂缝图和最大主应力图的分析,得出模型为顺筋开裂,初裂位置位于钢筋周围的混凝土中,并逐渐向保护层发展,破坏时锈胀裂缝为张性裂缝,拉应力是裂缝扩展的动力,裂缝形态和应力分布均为漏斗状。文中验证了混凝土保护层发生顺筋锈胀破坏的形态,所得结论为混凝土构件的可靠性、耐久性分析提供了理论依据。     

基于不同损伤本构模型的钢筋混凝土剪力墙结构数值模拟

混凝土材料的力学行为具有典型的非线性与随机性特征.而科学合理的本构模型是进行混凝土结构动力反应与抗震整体可靠性分析的基础.为深入研究该问题,采用三类不同的混凝土损伤本构模型,包括混凝土塑性损伤本构模型、混凝土细观随机断裂损伤模型和考虑拉压软化效应的混凝土细观随机断裂损伤模型,对1个9层钢筋混凝土剪力墙结构进行精细化动力...     

干湿循环腐蚀环境下混凝土墩柱的抗侧向冲击性能

为了研究受损混凝土墩柱在冲击作用下的动力响应及破坏形式,基于受损墩柱抗侧向冲击破坏试验进行了其抗冲击性能的数值模拟分析。通过修改关键字文件(.key文件)继承上一次冲击的损伤,实现对受腐蚀钢筋混凝土墩柱的连续多次冲击的模拟。分析表明:在几何模型上预设了顺筋初始锈胀裂纹,该几何模型能够较好反映混凝土墩柱由于氯离子腐蚀和干湿循环腐蚀造成的初始环境损伤;HJC本构模型、脆性损伤本构模型、盖帽本构模型和混凝土损伤本构模型等4种常用混凝土动态本构模型的数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

基于Flat-Joint接触模型的软化本构开发及其参数影响分析

为研究黏结键软化效应在岩石破坏离散元模拟过程中的影响,将黏结裂缝模型的软化关系引入到Flat-Joint本构模型中,使颗粒间发生黏结破坏时考虑软化效应,并通过C++语言生成供颗粒流程序(PFD2D)调用的离散元本构子程序(DLL)。模拟岩石单轴压缩过程,根据其应力–应变曲线、软化黏结键数量和断裂黏结键数量变化曲线将破坏过程划分为以下5个阶段:线性上升段、非线性上升段、非线性下降段、脆性下降段和残余应力段,且黏结键软化主要发生在非线性段;并采用水平直线软化曲线详细分析软化强度和软化应变对单轴压缩峰值强度、非线性区宽度、软化黏结键数量和泊松比等宏观参数的影响;最后对复合破坏准则下黏结键的断裂能进行初步分析,完善分析岩石类材料破坏问题的颗粒离散元方法。