钢筋混凝土板的弹塑性有限元分析-桥梁与隧道工程专业论文.docxVIP

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 PAGE PAGE 3 信息，为研究结构的性能和合理设计方法等提供可靠依据。 随着钢筋混凝土基本理论的深入研究 ，一些复杂的因素如钢筋混凝土的开裂 模式、材料的非线性、混凝土的多轴受力性能及钢筋与、混凝土结合面的性质现在 都得到较为合理的模拟，这些研究极大促进了钢筋混凝土有限元方法的发展。 钢筋混凝土有限元的理论研究，主要集中于数学模型的建立和改进 ，包括以 下各方面[1](2): 一、混凝土材料的本构关系模型 混凝土的本构关系有各种理论模型，如线弹性理论、非线性弹性理论、弹塑 性理论、内时模型、粘弹性理论以及塑性断裂理论和连续损伤理论等。很多固体 力学或结构分析中应用过的理论都用于建立海凝土的本构关系，然而由于缺乏足 够的理论基础，至今没有一种可以广泛应用于各种条件下的混凝土结构分析，混 凝土本构关系是钢筋混凝土有限元分析中很重要的影响因素。 二、混凝土有限元分析中的裂缝模型(3] 混凝土的重要特征之一是它的抗拉强度很低，在很多情况下混凝土结构是带 裂缝工作的。裂缝引起周围应力的突然变化和刚度降低，这是混凝土非线性分析 的重要因素。裂缝处理的适当与否是正确的分析钢筋混凝土结构的关键问题 ，同 时也是较难处理的复杂问题。目前混凝土裂缝模型主要有三种类型 : (l)单元边 界裂缝(分离式裂缝); (2) 弥散式裂缝; (3)单元内部内嵌裂缝，如图 1-1。 ①单元边界(分离式)裂缝 ②弥散式裂缝 ③盖在元内部内嵌裂缝 图 3-1 混凝土裂缝模型 (l).单元边界裂缝(分离式裂缝) 单元边界裂缝(分离式裂缝〉模式最初由 Ngo 和 Scordelis 提出，该模式假定 裂缝置于单元之间，一旦出现新的裂缝就增加新的结点，重新划分单元，使裂缝 总处于单元和单元边界与边界之间。这样，由裂缝引起的非连续性可以恨自然的 得到描述，裂缝的位置、形状、宽度也可以得到较明晰的表达。运用该方法裂缝 的发生与发展过程可得到较好反映 ，但由于无法预先知道裂缝的位置和方向 ，一 旦有新裂缝出现要重新划分单元，非常烦琐，因而目前这一方法仅在研究某些主 干裂缝对于结构性能的影响或者分析小型的单 个钢筋混凝土构件时才使用。 在大 坝、岩石等领域有较多的作用。在通用有限元程序 DIANA 中，也集成了这种裂缝 模型。 (2). 弥散式裂缝 这种模式假定裂缝发生在单元体内部 ，以弥散的裂缝来替代单独的裂缝，即出 现裂缝后材料是连续的，仍用处理连续体介质力学的方法来处理。该方法假定: 某一单元内的应力超过了开裂应力，则认为整个单元开裂，并且在垂直于引起开 裂的拉应力方向形成了无数平行的裂缝 ，即认为裂缝是分布于整个单元内部的、 微小的 、平行且连续的 。这样，开裂单元可以处理为正交异性材料，并且不必增 加结点和重新划分单元，很容易由计算机来自动进行 ，得到广泛应用。 Bazant 等 提出的顿带裂缝模型则进一步发展了传统的弥散裂缝模型。本文也是采用该种裂 缝模式。 (3).单元内部内嵌裂缝 单元内部内嵌裂缝模型可以分为两大类， 一类是构造奇异等参元的方法 ，以 求能较好的算出裂缝尖端的应力分布 ，得到应力强度因子，进而通过断裂力学方 法对裂缝加以分析:另一类是通过改变单元形函数，构造内嵌裂缝的非连续单元 模型。这种裂缝是根据断裂力学，研究带裂缝材料的断裂韧度 ，以及带裂缝的构 件在各种条件下裂缝的扩展，失稳和断裂规律的方法来处理裂缝。目前对单 一裂 缝发展研究较多，而且绝大多数是处理纯混凝 土中的裂缝，处理成批裂缝还不完 善。 三、混凝土的强度准则 对于混凝土强度准则国内外都有大量试验研究，先后有几 十种强度准则的数 学模型被提出。 一般来说，一参数强度准则和二参数强度准则使用简便，而 三、 四、五参数强度准则，则可以较准确的描述多轴强度下混凝土的破坏特征。 四、钢筋模型 通常钢筋的有限元模型 主要有: (1) 分离式钢筋模型; (2) 埋藏式钢筋模 型: (3)分布式钢筋模型。有限元分析中钢筋单元通常有两种单元形式，即 三角形单 元和杆件单元。为了计算方便，锅筋通常采用杆件单元形式 ，忽略了钢筋受剪， 因而不存在复合受力问题。 五、钢筋混凝土粘结滑移特性及其粘结的数 学模型 在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料之所以能够 共 同工作，主要是依靠钢筋与混凝 土间的粘结应力，实际 上是两者接触面上的剪应 力。这一力学关系就是其间的粘结作用。这种关系能使两种材料间相互传递力，实 现互相弥补各自的缺点，发挥各自的优点。 (4J 钢筋和混凝土这两种性质 不同的材料之所以能有效的结合在 一起共同工作，主 要是由于混凝 土硬化后钢筋和混凝土之间产生 了良好的粘结力