基于ABAQUS的钢筋混凝土结构本构模型对比分析.pdf

基于ABAQUS的钢筋混凝土结构本构模型对比分析.pdf

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第33卷第1期2012年2月华北水利水电学院学报JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVol.33No.1Feb2012收稿日期:

20111030基金项目:

水利部公益性行业科研专项经费项目（201201080）作者简介:

孟闻远（1965），男，河南郾城人，教授，博士，主要从事数值计算新方法、结构动静态及稳定性分析等方面的研究文章编号:

10025634（2012）01004003基于ABAQUS的钢筋混凝土结构本构模型对比分析孟闻远，王俊锋，张蕊（华北水利水电学院，河南郑州450011）摘要:

阐述了钢筋混凝土的弹性和弹塑性损伤本构关系，采用ABAQUS软件对钢筋混凝土梁进行了弹性、弹塑性损伤分析，并对计算结果进行了对比研究，给出了ABAQUS软件中常用的混凝土弹性本构模型及弹塑性损伤本构模型的应用要点，验证了模型的有效性和实用性可为钢筋混凝土结构的进一步分析提供参考关键词:

ABAQUS;钢筋混凝土;弹性;弹塑性;损伤塑性;本构关系钢筋混凝土结构由于充分利用了混凝土的抗压性能和钢筋的受拉性能，在很多领域得到了广泛应用，发挥着重要的作用，成为土木工程中应用最广的一种结构钢筋混凝土的有限元分析在分析方法、理论基础和实验研究上都取得了很大进展在混凝土的本构关系上，各国学者已经提出了大量的模型，如线弹性模型、非线性弹性理论、弹塑性理论、内时理论、黏弹性和黏塑性理论以及断裂力学理论和损伤理论等模型1但是，钢筋混凝土力学性能受很多因素的影响，非常复杂，到现在还没有被完全掌握，一些关键的技术问题如混凝土的非线性分析还没有解决笔者应用ABAQUS软件中提供的弹性本构模型、弹性损伤本构模型，对一根钢筋混凝土梁进行了弹性模拟和塑性损伤模拟，并进行了对比分析1钢筋混凝土有限元模型11弹性模型早期的混凝土本构研究主要是弹性模型，在ABAQUS中提出了线弹性、多孔弹性、超弹性、橡胶类超弹性、泡沫超弹性、纤维材料、粘弹性等模型2其中线弹性模型是最简单的形式，它包含了各向同性、正交各向异性和各向异性材料特性，但是它也只在小变形（一般小于5%）中有效线弹性就是应力应变在加载或卸载时呈线性关系，服从胡克定律线弹性模型的表达式为=Delel

（1）式中:

为总应力;Del为4阶弹性张量;el为总弹性应变该模型是最简单的弹性本构模型12弹塑性模型弹塑性就是变形体材料在加载、卸载时会出现两种变形形式:

一种是可恢复的变形即弹性变形;另一种是不可恢复的变形即塑性变形其全过程可分为不同的阶段，根据不同的情况可以分为不同的类型，如理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型和刚塑性模型等在ABAQUS中提出的钢筋混凝土弹塑性模型是利用传统的塑性理论，将应变率分量分解为弹性应变率和非弹性应变率，其中包括弹性、屈服、流动以及硬化准则等部分121应变率表达式应变率可分解为:

d=del+dplc

（2）式中:

d为总应变率;del为弹性应变率;dplc为塑性应变率;当弹性应变很小时，方程可以改写为=el+plc122压缩屈服压缩面用方程fc来表示，其表达式为fc=q槡3a0p槡3c=0（3）式中:

p为有效压应力，p=13trace;q为Mises等效偏应力，q=32S槡S;S=+PI，为偏应力分量;a0为常量，可以从给出的数据中按照具体的要求进行计算;c（c）是一个硬化参数，c用来衡量硬化参数，其关系可以通过试验确定123硬化准则硬化参数是由单轴压力试验下的应力11和非弹性应变函数值11专门定义的，其数据常常用于定义c（c）的关系在单轴压力p=13c和q=c下，c为应力值;fc=0时，可以计算出c的值，c=1槡3a0（）3c（4）124流动法则模型使用关联流动法则，当fc=0和dc0时，dplc=dc1+c0p（）c（）2fc（5）否则dplc=0，式中:

c0为一个可选择的常数;其他符号的意义同上所述13损伤塑性模型混凝土损伤塑性模型是基于塑性的连续介质损伤模型该模型使用各向同性损伤弹性与各向同性拉伸和压缩塑性相结合的原理来表示混凝土的非弹性行为，可以模拟多种结构（如梁、桁架、壳体和实体等结构）中的混凝土和其他准脆性材料，在ABAQUS中可以用REBAR命令模拟钢筋混凝土结构，该模型还可以应用于低围压下的单调循环或动力加载的情况34131应变率分解应变率可分解为弹性应变率和塑性应变率，其表达式为=el+pl（6）式中:

为总应变率;el为应变率的弹性部分;pl为应变率的塑性部分132应力应变关系应力应变关系主要是弹性损伤关系，可表示为=1（）dDel0:

（）pl=Del:

（）pl（7）式中:

Del0为材料的初始（无损伤）弹性刚度;Del为材料有损伤弹性刚度;d为损伤因子，其值在0到1之间变化，当d=0时为没有损伤，d=1时为完全损伤弹性刚度的退化就是由与混凝土失效机理（开裂和压碎）相关的损伤产生的133屈服函数用屈服函数F表示在有效应力空间中的一个曲面，它决定了失效和损伤的状态，其表达式为F，（）pl=11q3p+（）plmax（）maxcpl（）c0（8）式中:

和是无量纲的材料常数;p为有效静水压力，p=13I;q为等效有效应力，q=32SS槡;S为有效应力张量的偏应力张量，S=pI+;（pl）=c（plc）t（plt）

（1）（1+），t和c分别为有效张拉凝聚应力和压缩凝聚应力134流动法则塑性流动主要决定于流动势，其表达式为pl=G（）（9）式中:

为非负塑性乘子;该模型在有效应力空间中定义了塑性式，并使用非关联塑性流动法则，需要求解非对称方程2钢筋混凝土梁分析实例21算例简介根据上述弹性模型和混凝土损伤塑性模型，采用有限元分析软件ABAQUS对一根钢筋混凝土梁进行模拟分析简支梁梁长3000mm，截面尺寸150mm300mm建立的钢筋混凝土简支梁模型中，混凝土采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元，并采用EMBEDDED技术将钢筋单元嵌入到混凝土单元中，实现钢筋与混凝土之间的粘结522结果分析从钢筋混凝土梁的弹性模拟中，得到Mises应力如图1所示;从钢筋混凝土损伤塑性模型的模拟中，得到Mises应力如图2所示从图1和图2中可以看出，最大Mises应力出现在支座处，同时在加载位置处也出现较大的应力，应力从加载处和支座处向中间扩展，这与传统的理论模型相类似弹性材料的应力比损伤塑性的应力大，由于损伤塑性模型考虑了塑性和损伤，在材料达到屈服应力后应力缓慢增加，依靠塑性变形使应力产生重分布，从而抵抗外荷载的增加所以弹性模拟的梁发生了弯曲变形，而损伤塑性模拟的梁变形很微小14第33卷第1期孟闻远，等:

基于ABAQUS的钢筋混凝土结构本构模型对比分析3结语1）在介绍ABAQUS中的弹性模型、弹塑性模型和混凝土损伤塑性模型的基础上，用ABAQUS对一根钢筋混凝土梁进行了弹性模拟和塑性损伤模拟通过对比分析，证明了在一定条件下混凝土损伤塑性模型能更真实地模拟结构的特征2）混凝土损伤塑性模型中的参数对计算结果有很大的影响，必须慎重选择3）在混凝土的有限元分析中，非线性因素很多，需要引入很多参数，对结果有很大的影响模型与实际情况还存在一定的差异，今后还需要对混凝土的本构模型做进一步研究和改进参考文献1江见鲸，陆新征，叶列平混凝土结构有限元分析M北京:

清华大学出版社，20052庄茁，张帆，岑松ABAQUS非线性有限元分析与实例M北京:

科学出版社，20053JEEHOLEE，GREGORYLFENVESAplastic-damageconcretemodelforearthquakeanalysisofdamsJEarth-quakeEngineeringandStructuralDynamics，1998，27（9）:

9379564方秦，还毅，张亚栋，等ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析J解放军理工大学学报:

自然科学版，2007，8（3）:

2542605王玉镯，傅传国ABAQUS结构工程分析及实例详解M北京:

中国建筑工业出版社，2010ComparisonAnalysisofConstitutiveModelsofReinforcedConcreteStructuresBasedonABAQUSMENGWen-yuan，WANGJun-feng，ZHANGRui（NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower，Zhengzhou450011，China）Abstract:

TheelasticandelastoplasticdamageconstitutiverelationsforreinforcedconcreteswereexpoundedUsingtheABAQUSsoft-ware，theelasticandelastoplasticdamageofthereinforcedconcretebeamwasanalyzed，andtheresultswerecomparedThekeypointsoftheelasticconstitutivemodelofconcretesandelastoplasticdamageconstitutivemodelweregivenintheABAQUSsoftware，andthemodelswereverifiedeffectiveandpracticalItwouldprovideareferenceforthefurtheranalysisofreinforcedconcretestruc-turesKeyword:

ABAQUS;reinforcedconcrete;elasticity;elastoplasticity;damageplasticity;constitutiverelations（责任编辑:

陈海涛）24华北水利水电学院学报2012年2月