混凝土損傷塑性模型的參數(shù)分析

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第23卷2010年9月第3期蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)V01．23No．3JournalofSuzhouUniversityofScienceandTechnology(EngineeringandTechnology)Sep．2010混凝土損傷塑性模型的參數(shù)分析彭小婕，于安林，方有珍(蘇州科技學(xué)院，土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011)摘要：闡述了ABAQUS中混凝土損傷塑性模型材料參數(shù)的設(shè)定方法和取值要求，分析討論了膨脹角、粘性系數(shù)等一些重要參數(shù)的定義和計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土單層單跨框架進(jìn)行有限元分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)

2、行對(duì)比，驗(yàn)證了ABAQUS中混凝土損傷塑性模型在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，并進(jìn)一步分析了各參數(shù)設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。關(guān)鍵詞：混凝土損傷塑性模型；混凝土的斷裂與失效；非線性；有限元分析中圖分類(lèi)號(hào)：TU375．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-0679(2010)03--0040-04有限元軟件中材料參數(shù)的設(shè)置是用以模擬材料性能的基礎(chǔ)。從數(shù)值分析的角度而言，需要考慮采用一個(gè)復(fù)雜的本構(gòu)模型來(lái)解決局部破壞的邊界值問(wèn)題。特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)采用混凝土?xí)r，需要設(shè)置大量的參數(shù)。與其他材料一樣，已對(duì)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，例如混凝土單軸受壓和單軸

3、受拉試驗(yàn)等。目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中模擬材料失效與截面斷裂已成為進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析所必須解決的基本問(wèn)題之一。由于混凝土材料本身的力學(xué)性能的復(fù)雜性，迄今為止尚未有公認(rèn)的理論或本構(gòu)模型可以廣泛適用于混凝土結(jié)構(gòu)分析。一些有限元軟件如ANSYS、ABAQUS和ADINA等都有各自的混凝土材料本構(gòu)模型，但其用于分析各種受力情況下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有待進(jìn)一步探討。ABAQUS中的損傷塑性模型是眾多混凝土材料性能本構(gòu)模型中的一種，其采用損傷因子這一標(biāo)量參數(shù)來(lái)考慮材料的失效特性，可適用于材料的拉壓。本文將探討損傷塑性模型的基本特點(diǎn)，討論一些重要

4、的設(shè)置參數(shù)的定義和計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土單層單跨框架進(jìn)行有限元分析，對(duì)比與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異，并分析各參數(shù)設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。1混凝土損傷塑性模型用分析軟件ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型來(lái)定義混凝土的非彈性行為Ill，這是一個(gè)連續(xù)的基于塑性混凝土損傷模型，兩個(gè)主要的假設(shè)破壞機(jī)理是混凝土材料的拉裂和壓碎，屈服面的發(fā)展是由兩個(gè)硬化常數(shù)來(lái)控制，該模型可用于單向加載、循環(huán)加載及低側(cè)壓下的動(dòng)態(tài)加載等情況，在循環(huán)反向加載時(shí)可對(duì)材料的剛度恢復(fù)進(jìn)行控制，在ABAQUS／Standard中可通過(guò)調(diào)整彈塑性本構(gòu)方程來(lái)改善應(yīng)變軟化階段的收斂速度

5、。1．1本構(gòu)方程由Kachanov首先提出，之后由Rabotnov和其他學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的無(wú)量綱各向同性材料的本構(gòu)方程可寫(xiě)成以下表達(dá)式Ⅲ廬(1-d)W：(占一)=∥：(占一)(1)其中，礦為應(yīng)力張量；d為損傷因子，無(wú)量綱化的剛度退化變量；占為應(yīng)變張量；刪為初始(未受損傷)的材料彈性剛度；D電(1≈)礎(chǔ)為受損傷之后的彈性剛度。在混凝土損傷塑性模型中，剛度退化的前提條件是由最初的各項(xiàng)同性所決定，通過(guò)將受壓損傷和受拉損傷的初始值設(shè)為零來(lái)實(shí)現(xiàn)。1．2拉伸硬化和壓縮硬化受拉和受壓的損傷狀態(tài)是以?xún)山M獨(dú)立的硬化常數(shù)占，和∥為特征，其中分別涉及到

6、受拉和受壓的等效塑性應(yīng)變，拉伸硬化和壓縮硬化可以進(jìn)一步寫(xiě)成以下表達(dá)式【收稿日期】2010-01-18【基金項(xiàng)目】蘇州科技學(xué)院研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009-06-24)【作者簡(jiǎn)介】彭小婕(1985-)，女。江蘇淮安人，碩士研究生。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第3期彭小婕等：混凝土損傷塑性模型的參數(shù)分析41如矧和如嘲·一(2)混凝土的拉裂和壓碎特性是由不斷增加的拉伸硬化和壓縮硬化的兩組數(shù)值來(lái)表現(xiàn)的，這些變量決定了屈服面的形成以及彈性模量的退化。1．3屈服條件屈服函數(shù)代表了可中止破壞和損傷狀態(tài)的一個(gè)有效應(yīng)力空間平面，對(duì)于非相關(guān)塑性損傷模型，屈服函數(shù)可

7、表示為以廳，砷≤o；塑性流取決于流動(dòng)勢(shì)函數(shù)G(廳)，其根據(jù)非相關(guān)塑性流動(dòng)法則得到爭(zhēng)領(lǐng)旦摯。2混凝土損傷塑性模型參數(shù)確定過(guò)程混凝土損傷塑性模型中的本構(gòu)計(jì)算參數(shù)包括膨脹角妒、流動(dòng)勢(shì)偏移值m、雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比鰍拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二應(yīng)力不變量之比y以及粘性系數(shù)肛。參數(shù)砂和m用來(lái)描述流動(dòng)勢(shì)函數(shù)的形狀，而鐘和y則用來(lái)描述屈服面的形成。在損傷塑性模型中的流動(dòng)勢(shì)函數(shù)可表示為Drucker-Prager雙曲線函數(shù)[21廣——————————————rc=V伍-mZ·tan0)2+蠆-p一·t砷-o"(3)其中Z和Z分別

8、為混凝土單軸抗拉和單軸抗壓強(qiáng)度；妒由p-q平面最高側(cè)向壓力測(cè)得；m的流動(dòng)勢(shì)等位面由p_g平面決定；盧一-}廳·，，其為有效靜壓力；蠆=、／手可·一S為Mises等效有效應(yīng)力，可幣·“廳，其為有效應(yīng)力張量的偏分量。非相關(guān)的流動(dòng)法則要求有