DIANA钢筋混凝土裂缝分析与题培训.pptx

1、钢钢筋混凝土筋混凝土DIANA裂裂缝缝分析与分析与题题培培训训敦樸土木敦樸土木一、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目录录裂裂缝缝建模建模混凝土失效机制混凝土失效机制4RC/PC结结构的失效机制构的失效机制 开裂和剪切 压碎 钢筋屈服间间接失效机制接失效机制 徐变 收缩 环境影响（温度、盐离子浓度）裂裂缝缝建模建模5素混凝土裂素混凝土裂缝缝建模建模建模方法建模方法 素混凝土开裂素混凝土开裂 离散型裂缝 弥散型裂缝6离散型裂离散型裂缝缝7离散型裂离散型裂缝缝8使用裂缝模型的界面单元连续单元9离散型开裂材料模型离散型开裂材料模型模式模式 I&模式模式 II：非耦合

2、耦合膨胀模型10tntnunntttttMode II离散型开裂材料模型离散型开裂材料模型ut11离散型开裂离散型开裂MATERI15.E+05DSTIFDISCRA 1DCRVALMODE1UNLO1MO1VALMODE2MO2VAL1.E+063.E+0015.E-0215.E+03=t/u N/mm3=crack starts if tnft=ft=tension softening=Gf=0 or constant G=shear modulus G12离散型开裂离散型开裂 拉伸拉伸软软化化模型模型:恒定密度模型 by Li et al.两相模型 by Walraven粗糙裂缝模型 b

3、y Baant and Gambarova骨料嵌锁关系 by Walraven and Reinhardt粗糙裂缝模型 by Gambarova and Karako裂裂缝缝膨膨胀胀13物理模型(两相模型)经验模型(粗糙裂缝模型)14裂裂缝缝膨膨胀胀MATERI11.E+06DSTIFCRDILA 15.E+05 =t/u N/mm3=1,5DILVAL fcc ft dmaxMODE11=brittle/linear softeningMO1VAL 5.E-02MODE2MO2VAL=crack opening/Gf=0 or constant G=shear modulus G弥散开裂弥散

4、开裂1516弥散开裂弥散开裂 开裂开裂实实体在建模体在建模过过程中程中视为连续视为连续体体 开裂行开裂行为为通通过应过应力力-应变应变（裂（裂缝缝）关系描述）关系描述,cr17弥散开裂弥散开裂 概念：概念：开裂的裂缝分布在单元内，通过裂缝应变来表示 缺点：缺点：单元尺寸决定了耗散断裂能量(网格敏感性)Solution解决方法解决方法:在材料模型中引入一个长度尺度：裂缝带宽 h=0.7521=0.5弥散开裂弥散开裂181.2.多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型总应变总应变裂裂缝缝模型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 主主应应力模型力模

5、型弥散开裂弥散开裂191.多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型MATERI1YOUNG 1.E+09POISON 2.5E-01CRACK 1CRKVAL 2.5E+06TENSIO 1TENVALGF 5.E-02CRACKBTAUCRI 1BETA2.E-01弹性拉伸破坏受拉软化剪切行为 =+多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型20拉伸破坏拉伸破坏素混凝土双素混凝土双轴轴强强度度(Kupfer and Gerstle,1973)多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型21受拉受拉软软化化剪切行剪切行为为 完全剪力滞留 恒定剪切刚度离散开裂离散开裂222.总应变总应变固定固定/旋旋转转裂裂缝缝模型模型弹性受

6、拉软化剪切行为MATERI1YOUNGPOISONTOTCRK1.E+092.5E-01FIXED ROTATE ROTFIX EPSFIX TENSTR2.5E+06TENCRVLINEARGF1 EPSULT CRACKB SHRCRVBETA5.E-02CONSTA2.E-01=900 =23总应变总应变开裂开裂受拉受拉软软化化总应变总应变开裂开裂24剪切行剪切行为为恒定剪力滞留可变剪力滞留总应变总应变开裂开裂25由泊松比引起的横向膨由泊松比引起的横向膨胀胀影响影响由开裂引起的泊松比下降MATERIPOIREDNONEDAMAGE弥散开裂弥散开裂263.Rankine主主应应力模型力模型

7、MATERI3YOUNG 1.E+09POISON 2.5E-01YIELD RANKINYLDVAL 2.5E+06HARDEN STRAINHARNAM EXPONEHARVAL Gf or EharCRACKB elastictension softening27Rankine主主应应力模型力模型硬化硬化/软软化化28弥散开裂弥散开裂 对对比比开裂后的开裂后的应应力旋力旋转转(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 externalloading 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

8、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多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型 （优优劣劣势势）29 从物理的角度来看，多向固定裂从物理的角度来看，多向固定裂缝缝模型更具吸引力模型更具吸引力 可以和下列功能可以和下列功能结结合使用合使用 徐变、收缩、塑性 温度及成熟度影响30总应变总应变裂裂缝缝模型模型（优优劣劣势势）总总体来体来说说：非常：非常稳稳定定 基本材料属性可以通基本材料属性可以通过过混凝土模型混凝土模型规规范直接范直接导导入入 可以考可以考虑环虑环境因素和收境因素和收缩缩的影响的影响 丌能和徐丌能和徐变变功能功能结结合使用合使用 可以使用

9、Kelvin chain粘弹性模型31Rankine主主应应力模型力模型（优优劣劣势势）只适用于只适用于2D模型模型 结结合使用两种塑性模型，当合使用两种塑性模型，当处处理拉伸和理拉伸和压缩压缩共同作用共同作用问题时问题时会更加会更加稳稳定定 丌能和徐丌能和徐变变、收、收缩缩功能功能结结合使用合使用 丌能考丌能考虑环虑环境因素境因素对对于模型的影响于模型的影响100 mm32F2=3000 NCQ16Mthick=100 mm100 mm45Units,mm,N弥散开裂算例弥散开裂算例使用多种材料模型使用多种材料模型对对1个个单单元迚行分析元迚行分析F1=8039 N45目的对使用不同弥散开裂

10、模型时由主应力变化引起的裂缝方向的评多向固定裂缝(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估：加载两加载步：1.2.施加荷载 F1 直到裂缝产生施加荷载 F2 并分析结果非线性参数混凝土应力破坏标准控制参数12受拉和受压裂缝开裂应力值N/mm2.0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12断裂能量N.mm/mm16材料参数材料参数（多向固定裂（多向固定裂缝缝）33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MULTIPLE FIXEDMATERI1 NAME “concreteYOUNG 1.00000E+004PO

11、ISON 0.00000E-001DENSIT 2.50000E-009CRACK 1CRKVAL 2.TAUCRI 1BETA 0.01TENSIO 1GF 16*FILOSTOLDIR 5INITIA*NONLINTYPE PHYSICEXECUT LOADCRACKILOADNR 1*END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2抗拉强度N/mm2.0剪力滞留函数CONSTA剪力滞留(Beta)0.012Mode-I受拉断裂能量N.mm/mm1634材料属性材料属性（总应变总应变裂裂缝缝）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

12、裂能量可以忽略不计。TOTAL STRAIN FIXEDMATERI1 NAME “concreteYOUNG 1.00000E+004POISON 0.00000E-001DENSIT 2.50000E-009TOTCRK FIXEDTENCRV LINEARTENSTR 2.SHRCRV CONSTABETA 0.01GF1 16TOTAL STRAIN ROTATINGMATERI1 NAME “concreteYOUNG 1.00000E+004POISON 0.00000E-001DENSIT 2.50000E-009TOTCRK ROTATETENCRV LINEARTENSTR

13、2.GF1 16分析分析结结果果-（多向固定裂（多向固定裂缝缝）35分析分析结结果果-（多向固定裂（多向固定裂缝缝 5）36分析分析结结果果-（总应变总应变固定裂固定裂缝缝）分析分析结结果果-（总应变总应变旋旋转转裂裂缝缝）分析分析结结果果-（裂（裂缝应变缝应变）多向固定裂缝，临界角 60多向固定裂缝，临界角5分析分析结结果果-（裂（裂缝应变缝应变）总应变固定裂缝总应变旋转裂缝principal stress s1(top right corner)主主应应力力412.001.952.302.252.202.152.102.050500100015002000250030003500Force

14、 F2 NMultiple FixedMultiple Fixed toldir=5Total Strain FixedTotal Strain Rotatingftprincipal strain e1(top right corner)主主应变应变420.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.0000500100015002000250030003500Force F2 NMultiple FixedTotal Strain FixedTotal Strain RotatingCrack strain eknn1(top right corner)

15、43主主应变应变0.0020.00180.00160.00140.00120.0010.00080.00060.00040.000200500100015002000250030003500Force F2 NMultiple FixedTotal Strain FixedTotal Strain Rotating混凝土建模混凝土建模混凝土建模混凝土建模45 弥散开裂弥散开裂 钢钢筋混凝土筋混凝土 受拉硬化受拉硬化46什么是受拉硬化？什么是受拉硬化？受拉构件受拉构件刚刚度度变变化曲化曲线线47什么是受拉硬化？什么是受拉硬化？随着二次裂随着二次裂缝缝的形成，内力由混凝土逐的形成，内力由混凝土逐渐

16、渐重新分布至重新分布至钢钢筋上，直到一种筋上，直到一种稳稳定的裂定的裂缝缝形式形成。形式形成。什么是受拉硬化？什么是受拉硬化？48受拉硬化建模受拉硬化建模 钢钢筋作筋作为为嵌入式嵌入式钢钢筋，可筋，可选择选择塑性屈服塑性屈服 混凝土混凝土选择选择弥散开裂，但是弥散开裂，但是选择选择一种丌同的一种丌同的软软化曲化曲线线：极限应变 u 与钢材的屈服极限有关：,=,/(完全受拉硬化)4950开裂不开裂不压压碎碎结结合合压压碎碎 离散压碎 弥散压碎51多多轴应轴应力状力状态态素混凝土双素混凝土双轴轴强强度度(Kupfer and Gerstle,1973)52多多轴应轴应力状力状态态 多多轴轴固定裂固

17、定裂缝缝模型模型 恒定（或恒定（或线线性）拉伸截断性）拉伸截断 Von Mises/Drucker Prager 塑性塑性53多多轴应轴应力状力状态态 总应变总应变模型模型 在受拉及受在受拉及受压压情况下均情况下均为为恒定恒定应应力截断力截断 多多轴轴受受压压情况下是保守的情况下是保守的54总应变总应变裂裂缝缝模型模型MATERI1.COMCRV cmpnamCOMSTR fc受压55多多轴应轴应力状力状态态 Rankine Von Mises Rankine 塑性塑性 Von Mises/Drucker Prager 塑性塑性Rankin Von Mises/Drucker Prager56

18、MATERI1.CMPNAM comharCMPVAL Gcor EharCRACKBcompression57弥散开裂弥散开裂 对对比比 开裂和开裂和压压碎碎结结合合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循循环环加加载载加加载载/卸卸载载/再加再加载载5859割线卸载弹性卸载（弹塑性模型）循循环环加加载载加加载载-卸卸载载概念概念割线卸载弹性卸载循循环环加加载载601.多向固定裂多向固定裂缝缝模型模型受拉割线卸载受压为弹塑性模型2.总应变总应变裂裂缝缝模型模型受拉及受压情况下均为割线卸

19、载3.Rankine 主主应应力模型力模型受拉及受压情况下均为弹塑性模型弥散开裂弥散开裂 对对比比61循循环环加加载载 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DIANACrackTypesvs.ModelspecsElementtypeInterfaceInterfacecontinuumcontinuumcontinuumcontinuum2D3DXXStressrotationXXXXCreepXXKelvinChainvisco-elasticityKelvinChainvisco-elasticityXShrinkageXXXAm

20、bientdependencyXXUnloadingintensionSecant,Elastic,CyclicSecantSecantSecantSecantElasto-PlUnloadingincompressionElasticElasticElasto-PlSecantSecantElasto-PlMultiple FixedCrack ModelCrackDilatancyRankinePrincipalstress ModelTotal StrainCrack Model(Fixed)Total StrainCrack Model(Rotating)DiscreteCrackin

21、g裂裂缝缝模型模型总览总览表格表格62钢钢筋建模筋建模钢钢筋建模筋建模64离散型离散型钢钢筋筋vs.嵌入式嵌入式钢钢筋筋65什么是离散型什么是离散型钢钢筋？筋？离散型离散型钢钢筋条筋条 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什么是离散型钢钢筋？筋？66混凝土坑实体应力界面钢条界面附着摩擦力67Rots,1988离散型离散型钢钢筋的粘筋的粘结结滑移分析滑移分析桁架桁架单单元通元通过过界面界面单单元不混凝土元不混凝土单单元相元相连连接接离散型离散型钢钢筋的粘筋的粘结结滑移分析滑移分析68离散型离散型钢钢筋的粘筋的粘结结滑移分析滑移分析69最最终终构造以及最构造以及最终终

22、裂裂缝缝模式模式Rots,198870嵌入式嵌入式钢钢筋筋细细致的粘致的粘结结滑移分析滑移分析对对于大多数于大多数实际实际情形是丌适用的。在情形是丌适用的。在这这些情况下通常使用嵌入式些情况下通常使用嵌入式钢钢筋：筋：嵌入式钢条嵌入式格栅粘结滑秱钢筋71什么是嵌入式什么是嵌入式钢钢筋？筋？嵌入式嵌入式钢钢筋条筋条/格格栅栅无分离的自由度对单元刚度/节点力有贡献BarsGrid嵌入式嵌入式钢钢筋筋输输入入 位置位置输输入入 Element by element（小模型）Useful for constant eccentricities section input 前处理（通用）节点 坐标 材料

23、行材料行为为 弹性YOUNG 塑性VMISES 后张 腐蚀NOBONDCORROS72yE73嵌入式嵌入式钢钢筋筋输输入入 几何几何 钢条:横截面 格栅:弥散格栅厚度CROSSETHICKXAXISNUMINT 用户指定 x-轴 数据数据 积分方式 预应预应力以及后拉力以及后拉钢钢束束单位长度建模方法建模方法7475粘粘结结滑移滑移钢钢筋筋输输入入定定义义方式不方式不标标准嵌入式准嵌入式钢钢筋筋类类似，似，额额外添加以下内容：外添加以下内容：选项选项：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76离散离散还还是嵌入？是嵌入？在在对单对单根根钢钢筋迚行筋迚行详细详细粘粘结结滑移建模滑移建

24、模时时推荐使用离推荐使用离散型散型钢钢筋筋 在迚行整体分析在迚行整体分析时时建建议议使用嵌入式使用嵌入式钢钢筋模筋模拟钢拟钢筋的筋的作用作用 模模拟拟离散离散钢钢筋的粘筋的粘结结滑移滑移时时建建议议使用粘使用粘结结滑移滑移钢钢筋筋77梁单元中钢筋条平面应力单元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钢筋建模筋建模DIANA提供三种不同类型的钢筋：钢筋条、钢筋格栅、钢筋网钢筋类型钢钢筋条建模筋条建模7

25、8创建（多段）线赋予属性钢钢筋格筋格栅栅建模建模79创建面赋予属性80后后张钢张钢筋条筋条无粘无粘结结材料属性材料属性 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后张钢张钢筋条筋条81在在DIANA中使用随机中使用随机场场功能功能迚行裂迚行裂缝预测缝预测使用随机使用随机场场功能的裂功能的裂缝宽缝宽度度计计算算 Why,When,How?受拉梁 有限元分析是完美的吗？哪个单元会开裂？83SFRC 或或 HiSFRC适用于SFRC的特殊材料模型 图表 cmod 图表84钢纤维钢纤维混凝土或混混凝土或混杂杂混凝土混凝土通过实际

26、的3点抗弯试验获得F(kN)与CMOD(mm)的关系85钢纤维钢纤维混凝土或混混凝土或混杂杂混凝土混凝土反算参数86DIANA中中输输入入87试验：F(kN)CMOD有限元模型输入f(N/mm2/MPa)-CMOD88材料特性材料特性89测试测试案例案例1000 mm400 mm90测试测试案例案例91测试测试案例案例No RandomRandombarmmRCSFRCSFRC/RC%Reduction100-%60.80.3386381.50.96040101.61.16931121.71.37624141.71.48218161.71.4821892测试测试案例：案例：RC vs.HiSFRC同等加载力情况下更小钢材料应变-更小裂缝宽度Table 2.钢材料应变降低比率93测试测试案例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68mmmmmmmmmmmm94测试测试案例案例RCHiSFRC95测试测试板板1 m宽宽100 m长长Restrained partRestrained part96测试测试板板1 m宽宽100 m长长97测试测试板板 2维维SFRC98Test case