DIANA钢筋混凝土裂缝分析与题培训.pdf

1、钢筋混凝土 DIANA裂缝分析与题培训 敦樸土木 一、裂缝建模 二、混凝土建模 三、钢筋建模 四、使用随机场功能进行裂缝预测 目录 裂缝建模 混凝土失效机制 4 RC/PC结构的失效机制 开裂和剪切 压碎 钢筋屈服 间接失效机制 徐变 收缩 环境影响（温度、盐离子浓度）裂缝建模 5 素混凝土裂缝建模 建模方法 素混凝土开裂 离散型裂缝 弥散型裂缝 6 离散型裂缝 7 离散型裂缝 8 使用裂缝模型的界面单元 连续单元 离散型开裂材料模型 9 模式 I&模式 II：非耦合 耦合 膨胀模型 Mode II 10 tn tn un ut n t tt tt Mode I 离散型开裂材料模型 离散型开裂

2、 11 MATERI 1 DSTIF 1.E+06 5.E+05 =t/u N/mm3 DISCRA 1 =crack starts if tnft DCRVAL 3.E+00 =ft MODE1 1 =tension softening UNLO1 MO1VAL 5.E-02 =Gf MODE2 1 =0 or constant G MO2VAL 5.E+03 =shear modulus G 离散型开裂 12 拉伸软化 模型:恒定密度模型 by Li et al.两相模型 by Walraven 粗糙裂缝模型 by Baant and Gambarova 骨料嵌锁关系 by Walrave

3、n and Reinhardt 粗糙裂缝模型 by Gambarova and Karako 裂缝膨胀 13 物理模型(两相模型)经验模型(粗糙裂缝模型)裂缝膨胀 14 MATERI 1 DSTIF 1.E+06 5.E+05=t/u N/mm3 CRDILA 1 =1,5 DILVAL fcc ft dmax MODE1 1 =brittle/linear softening MO1VAL 5.E-02 =crack opening/Gf MODE2 =0 or constant G MO2VAL =shear modulus G 弥散开裂 15 弥散开裂 16 开裂实体在建模过程中视为连续

4、体 开裂行为通过应力-应变（裂缝）关系描述 cr,弥散开裂 17 概念：开裂的裂缝分布在单元内，通过裂缝应变来表示 缺点：单元尺寸决定了耗散断裂能量(网格敏感性)Solution解决方法:在材料模型中引入一个长度尺度：裂缝带宽 h =0.5 =0.75 2 1 弥散开裂 18 1.多向固定裂缝模型 2.总应变裂缝模型 正交固定裂缝模型 正交旋转裂缝模型 旋转裂缝转换为固定裂缝模型（混合裂缝模型）3.Rankine 主应力模型 弥散开裂 19 1.多向固定裂缝模型 MATERI 1 YOUNG 1.E+09 POISON 2.5E-01 CRACK 1 CRKVAL 2.5E+06 TENSIO

5、 1 TENVAL GF 5.E-02 CRACKB TAUCRI 1 BETA 2.E-01 弹性 拉伸破坏 受拉软化 剪切行为 =+多向固定裂缝模型 20 拉伸破坏 素混凝土双轴强度(Kupfer and Gerstle,1973)多向固定裂缝模型 21 受拉软化 剪切行为 完全剪力滞留 恒定剪切刚度 离散开裂 22 2.总应变固定/旋转裂缝模型 弹性 受拉软化 剪切行为 MATERI 1 YOUNG 1.E+09 POISON 2.5E-01 TOTCRK FIXED ROTATE ROTFIX EPSFIX TENSTR 2.5E+06 TENCRV LINEAR GF1 5.E-02

6、 EPSULT CRACKB SHRCRV CONSTA BETA 2.E-01 =900 =总应变开裂 23 受拉软化 总应变开裂 24 剪切行为 恒定剪力滞留 可变剪力滞留 总应变开裂 25 由泊松比引起的横向膨胀影响 由开裂引起的泊松比下降 MATERI POIRED NONE DAMAGE 弥散开裂 26 3.Rankine主应力模型 MATERI 3 YOUNG 1.E+09 POISON 2.5E-01 YIELD RANKIN YLDVAL 2.5E+06 HARDEN STRAIN HARNAM EXPONE HARVAL Gf or Ehar CRACKB elastic t

7、ension softening Rankine主应力模型 27 硬化/软化 弥散开裂 对比 28 开裂后的应力旋转(受拉 剪切)由开裂引起的结构内应力重新分布 不相称的外部荷载增量（Non-proportional external loading increments）多向固定裂缝模型、正交固定裂缝模型：恒定剪切滞留，输入参数 b b 正交旋转裂缝模型，Rankine主应力：裂缝始终与主应力方向保持垂直，无需输入参数 b b 多向固定裂缝模型（优劣势）29 从物理的角度来看，多向固定裂缝模型更具吸引力 可以和下列功能结合使用 徐变、收缩、塑性 温度及成熟度影响 总应变裂缝模型（优劣势）30

8、 总体来说：非常稳定 基本材料属性可以通过混凝土模型规范直接导入 可以考虑环境因素和收缩的影响 丌能和徐变功能结合使用 可以使用Kelvin chain粘弹性模型 Rankine主应力模型（优劣势）31 只适用于2D模型 结合使用两种塑性模型，当处理拉伸和压缩共同作用问题时会更加稳定 丌能和徐变、收缩功能结合使用 丌能考虑环境因素对于模型的影响 弥散开裂算例 使用多种材料模型对1个单元迚行分析 32 F2=3000 N 100 mm 100 mm CQ16M thick=100 mm 45 45 Units,mm,N F1=8039 N 目的目的 对使用不同弥散开裂模型时由主应力变化引起的裂缝

9、方向的评估：多向固定裂缝(默认临界角=60)多向固定裂缝，临界角=5 总应变固定裂缝 总应变旋转裂缝 加载加载 两加载步：1.施加荷载 F1 直到裂缝产生 2.施加荷载 F2 并分析结果 材料参数（多向固定裂缝）33 MULTIPLE FIXED MATERI 1 NAME “concrete YOUNG 1.00000E+004 POISON 0.00000E-001 DENSIT 2.50000E-009 CRACK 1 CRKVAL 2.TAUCRI 1 BETA 0.01 TENSIO 1 GF 16 非线性参数 混凝土 应力破坏标准控制参数 1 受拉和受压裂缝开裂应力值 N/mm2

10、2.0 剪切滞留控制参数 1 剪切滞留(Beta)0.01 拉伸软化模型控制参数 1 断裂能量 N.mm/mm2 16 对于断裂能量GF取与实际情形不符的较高值，混凝土将表现得具延展性*FILOS INITIA*NONLIN TYPE PHYSIC CRACKI TOLDIR 5 EXECUT LOAD LOADNR 1 *END 材料属性（总应变裂缝）34 TOTAL STRAIN FIXED MATERI 1 NAME “concrete YOUNG 1.00000E+004 POISON 0.00000E-001 DENSIT 2.50000E-009 TOTCRK FIXED TENC

11、RV LINEAR TENSTR 2.SHRCRV CONSTA BETA 0.01 GF1 16 非线性参数 混凝土 总应变裂缝模型 固定/旋转 受拉软化曲线 线性 抗拉强度 N/mm2 2.0 剪力滞留函数 CONSTA 剪力滞留(Beta)0.01 Mode-I 受拉断裂能量 N.mm/mm2 16 因为在多向固定裂缝模型中断裂能量GF取值非常大，在这里GF1取相同值。线性部分的断裂能量可以忽略不计。TOTAL STRAIN ROTATING MATERI 1 NAME “concrete YOUNG 1.00000E+004 POISON 0.00000E-001 DENSIT 2.5

12、0000E-009 TOTCRK ROTATE TENCRV LINEAR TENSTR 2.GF1 16 分析结果-（多向固定裂缝）35 分析结果-（多向固定裂缝 5）36 分析结果-（总应变固定裂缝）分析结果-（总应变旋转裂缝）分析结果-（裂缝应变）多向固定裂缝，临界角 60 多向固定裂缝，临界角5 分析结果-（裂缝应变）总应变固定裂缝 总应变旋转裂缝 主应力 41 1.952.002.052.102.152.202.252.300500100015002000250030003500principal stress s1(top right corner)Force F2 N Multi

13、ple FixedMultiple Fixed toldir=5Total Strain FixedTotal Strain Rotatingft 主应变 42 0.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080500100015002000250030003500principal strain e1(top right corner)Force F2 N Multiple FixedTotal Strain FixedTotal Strain Rotating主应变 43 00.00020.00040.00060.00080.0010.00120.

14、00140.00160.00180.0020500100015002000250030003500Crack strain eknn1(top right corner)Force F2 N Multiple FixedTotal Strain FixedTotal Strain Rotating混凝土建模 混凝土建模 45 弥散开裂 钢筋混凝土 受拉硬化 什么是受拉硬化？46 受拉构件刚度变化曲线 什么是受拉硬化？47 随着二次裂缝的形成，内力由混凝土逐渐重新分布至钢筋上，直到一种稳定的裂缝形式形成。什么是受拉硬化？48 受拉硬化建模 49 钢筋作为嵌入式钢筋，可选择塑性屈服 混凝土选择弥散

15、开裂，但是选择一种丌同的软化曲线：极限应变 u 与钢材的屈服极限有关：(完全受拉硬化),=,/开裂不压碎结合 50 压碎 离散压碎 弥散压碎 多轴应力状态 51 素混凝土双轴强度(Kupfer and Gerstle,1973)多轴应力状态 多轴固定裂缝模型 52 恒定（或线性）拉伸截断 Von Mises/Drucker Prager 塑性 多轴应力状态 总应变模型 53 在受拉及受压情况下均为恒定应力截断 多轴受压情况下是保守的 总应变裂缝模型 54 MATERI 1.COMCRV cmpnam COMSTR fc 受压 多轴应力状态 Rankine Von Mises 55 Rankin

16、e 塑性 Von Mises/Drucker Prager 塑性 Rankin Von Mises/Drucker Prager 56 MATERI 1.CMPNAM comhar CMPVAL Gc or Ehar CRACKB compression 弥散开裂 对比 57 开裂和压碎结合 Rankine-Von Mises/Drucker Prager 在进行受拉受压结合分析时尤其稳定 受拉及受压状态下单轴应力-应变响应 加载 卸载 再加载 加载/卸载/再加载 循环加载 58 循环加载 59 割线卸载 弹性卸载（弹塑性模型）加载-卸载概念 割线卸载 弹性卸载 循环加载 60 1.多向固定裂

17、缝模型 受拉割线卸载 受压为弹塑性模型 2.总应变裂缝模型 受拉及受压情况下均为割线卸载 3.Rankine 主应力模型 受拉及受压情况下均为弹塑性模型 弥散开裂 对比 61 循环加载 多向固定裂缝模型适用性相对较低 总应变裂缝模型绝大多数情况下适用 Rankin主应力模型不适用 裂缝模型总览表格 62 DIANA Crack Types vs.Model specs Discrete Cracking Crack Dilatancy Multiple Fixed Crack Model Total Strain Crack Model(Fixed)Total Strain Crack Mod

18、el(Rotating)Rankine Principal stress Model Element type Interface Interface continuum continuum continuum continuum 2D 3D X X Stress rotation X X X X Creep X X Kelvin Chain visco-elasticity Kelvin Chain visco-elasticity X Shrinkage X X X Ambient dependency X X Unloading in tension Secant,Elastic,Cyc

19、lic Secant Secant Secant Secant Elasto-Pl Unloading in compression Elastic Elastic Elasto-Pl Secant Secant Elasto-Pl 钢筋建模 钢筋建模 64 离散型钢筋 vs.嵌入式钢筋 什么是离散型钢筋？65 离散型钢筋条 钢筋条通过单元建模 钢筋条和混凝土单元通过界面单元连接 什么是离散型钢筋？66 混凝土坑 实体应力 界面 钢条 界面附着摩擦力 离散型钢筋的粘结滑移分析 67 Rots,1988 桁架单元通过界面单元不混凝土单元相连接 离散型钢筋的粘结滑移分析 68 离散型钢筋的粘结滑移

20、分析 69 最终构造以及最终裂缝模式 Rots,1988 嵌入式钢筋 70 细致的粘结滑移分析对于大多数实际情形是丌适用的。在这些情况下通常使用嵌入式钢筋：嵌入式钢条 嵌入式格栅 粘结滑秱钢筋 什么是嵌入式钢筋？71 嵌入式钢筋条/格栅 无分离的自由度 对单元刚度/节点力有贡献 Bars Grid 嵌入式钢筋输入 72 位置输入 Element by element（小模型）Useful for constant eccentricities section input 前处理（通用）节点 坐标 材料行为 弹性 YOUNG 塑性 VMISES 后张 NOBOND 腐蚀 CORROS y E 嵌

21、入式钢筋输入 73 几何 钢条:横截面 CROSSE 格栅:弥散格栅厚度 THICK 用户指定 x-轴 XAXIS 数据 积分方式 NUMINT 预应力以及后拉钢束 单位长度 建模方法 74 粘结滑移钢筋输入 75 定义方式不标准嵌入式钢筋类似，额外添加以下内容：选项：平面应力模型中的钢筋 曲面壳单元中的钢筋 实体中的钢筋 离散还是嵌入？76 在对单根钢筋迚行详细粘结滑移建模时推荐使用离散型钢筋 在迚行整体分析时建议使用嵌入式钢筋模拟钢筋的作用 模拟离散钢筋的粘结滑移时建议使用粘结滑移钢筋 钢筋建模 77 DIANA提供三种不同类型的钢筋：钢筋条、钢筋格栅、钢筋网 梁单元中钢筋条 平面应力单元

22、中钢筋条 平面应变单元中钢筋条 轴对称单元中钢筋条 曲面壳单元中钢筋条 实体单元中钢筋条 平面应力单元中钢筋格栅 平面应变单元中钢筋格栅 轴对称单元中钢筋格栅 曲面壳单元中钢筋格栅 实体单元中钢筋格栅 实体单元中钢筋网 平面应变单元中钢筋网 轴对称单元中钢筋网 钢筋类型 钢筋条建模 78 创建（多段）线 赋予属性 钢筋格栅建模 79 创建面 赋予属性 后张钢筋条 80 无粘结材料属性 单元的额外刚度贡献 通过 EXECUT PHYSIC BOND 命令切换 在钢筋端应力产生荷载 后张荷载的摩擦损失 后张钢筋条 81 在DIANA中使用随机场功能 迚行裂缝预测 使用随机场功能的裂缝宽度计算 Wh

23、y,When,How?受拉梁 有限元分析是完美的吗？哪个单元会开裂？83 SFRC 或 HiSFRC 适用于SFRC的特殊材料模型 图表 cmod 图表 84 钢纤维混凝土或混杂混凝土 通过实际的3点抗弯试验获得F(kN)与CMOD(mm)的关系 85 钢纤维混凝土或混杂混凝土 反算参数 86 DIANA中输入 87 87 试验：F(kN)CMOD 有限元模型输入 f(N/mm2/MPa)-CMOD 88 材料特性 89 测试案例 1000 mm 400 mm 90 测试案例 91 测试案例 No Random Random 92 测试案例：RC vs.HiSFRC bar RC SFRC S

24、FRC/RC Reduction 100-%mm%6 0.8 0.3 38 63 8 1.5 0.9 60 40 10 1.6 1.1 69 31 12 1.7 1.3 76 24 14 1.7 1.4 82 18 16 1.7 1.4 82 18 Table 2.钢材料应变降低比率钢材料应变降低比率 同等加载力情况下更小钢材料应变 -更小裂缝宽度 93 测试案例 使用更多钢材意味着更小的裂缝间距，HiSFRC会产生更小的裂缝间距 94 测试案例 RC HiSFRC 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm 95 测试板1 m宽100 m长 Restrained part Restrained part 96 测试板1 m宽100 m长 97 测试板 2维SFRC 98 Test case