混凝土直接剪切试验的非线性有限元分析.pdf
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1、8 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 3期 2 0 1 1 年 6月 混凝土直接剪切试验的非线性有限元分析 李 翠, 车轶, 仲伟秋 ( 大连理工大学建设工程学部, 辽宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要: 在一组钢筋混凝土 z型试件直接剪切试验的基础上, 采用有限元通用程序 D I A N A, 对其受力过程和破坏机理进行模 拟分析, 并与试验结果进行对比, 验证了弥散裂缝模型也适用于破坏时只有少量主要裂缝的情况, 并对基于弥散裂缝概念的 旋转裂缝模型、 固定裂缝模型和多方向固定裂缝模型进行比较 ,
2、给出了剪切荷载作用下混凝土开裂模型的选取建议, 可供类 似的钢筋混凝土有限元分析参考。 关键词: D I A N A; Z型试件; 裂缝模型; 有限元分析 中图分类号 : T U 3 7 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) O 30 0 80 3 No n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e d i r e c t s he a r t e s t s LI Cu i CHE Yi Z H0NG
3、 W e i q i u ( F a c u l t y o f I n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e ri n g , D al i a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y , D a l i a n 1 1 6 0 2 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A g r o u p o f Zt y p e p u s h o ff s p e c i me n s h a v e b e e n c a r r i e d o u t a r e s i mu l
4、 a t e d b y u s i n g t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e DI A NA i n t h i s a r t i c l e T h e a n aly s i s f o c u s e s o n t h e s h e a r t r a n s f e r an d f a i l u r e me c h a n i s m o f t h e s p e c i me n s T h e s i mu l a t i o n r e s ult s a r e c o mp
5、 a r e d wi t h t h e e x p e ri me n t o n e s , wh i c h v e ri f y t h a t t h e s me are d c r a c k mo d e l als o a p p l y t o t h e s t u d y o f t h e p r o b l e ms i n v o l v i n g t h e p r o g r e s s i o n o f t h e f e w c r a c k s S i mult a n e o u s l y t h e c o mp a r a t i v e
6、 an aly s i s a mo n g t h e r o t a t i n g c r a c k mo d e l , fi x e d c r a c k mo d e l a n d mult i - d i r e c t i o n al fi x e d c r a c k mo d e l i s d o n e, a n d s o me s u g g e s t i o n s a b o u t c h o o s i n g t h e c r a c k mo d e l o f t h e r e i nfo r c e d c o n c r e t e
7、 u n d e r t h e s h e a r l o a d are g i v e n , h o p i n g b e h e l p f u l f o r t h e s c h o l a r s i n t h i s fi e l d Ke y wo r d s : D I ANA; Zt y p e p u s h - o ff s p e c i me n s ; c r a c k mo d e l ; fi n i t e e l e me n t analy s i s 0前言 钢筋混凝土非线性有限元法是对复杂钢筋混凝 土结构进行应力分析的有效方法。混凝土开裂
8、引起 周围应力 的突然变化和刚度降低是导致钢筋混凝土 非线性的重要因素 。在有限元分析 中常用的裂缝处 理方式有两种 : 分离裂缝模 型和弥散裂缝模 型。分 离裂缝模型在开裂位置设置界面单元描述裂缝形成 的非连续位移场 , 需重新划分单元 和节点 , 计 算量 大。弥散裂缝模型假定混凝土开裂后材料仍然 是连续的, 由裂缝引起 的位移场 的非连续性通过材 料软化本构关系和修正单元刚度来实现, 是一种应 用较广泛 的裂缝处理方式。一般认为分离裂缝模型 适用于素混凝土和破坏时形成少量主裂缝 的情 况- 2 J , 弥散裂缝模型则适用于出现裂缝较多且分布 相对均匀的钢筋混凝土结构。然而, V e c
9、c h i o 等采用 基于弥散裂缝模型和修正压力场理论的有限元模型 收稿 日期 : 2 0 1 0 - 0 3 - 2 2 作者简介: 李翠( 1 9 8 5 一) , 女, 江苏徐州人, 硕士研究生, 主要从事 混凝土非线性研究。 基金项目: 国家自然科学基金项 目( 5 0 7 7 8 0 3 4 ) Ema i l : t r a c y - l i c u i h o t ma i l c o rn 对无腹筋梁剪切破坏进行分析, 同样取得了较好的 结果 4 。 。这 表 明, 选 择合适 的开裂应力一应变关 系, 弥散裂缝模型同样适用于破坏时只有少量主要 裂缝的情况。 与无腹筋梁剪切
10、破坏类似 , 直接剪切试验试件 的破坏也是在剪切面形成一条主要 的贯穿裂缝 , 使 得破坏前裂缝附近的位移场受到强烈扰动。为了考 察弥散裂缝模型是否适合这类问题的分析, 本文利 用 D I A N A程序 , 分别采用 3种不 同的弥散裂缝模 型 , 即全应变旋转裂缝模型、 全应变 固定裂缝模型和 多方 向固定裂缝模型 , 对最近在大连理工大学完成 的非预裂试 件直接剪切试验 进 行 了分析。探讨 了采用弥散裂缝模型分析这类由一条或少量主要裂 缝而导致破坏问题的可行性, 并比较了旋转裂缝模 型、 固定裂缝模型和多方向固定裂缝模型的计算效 果, 本文的研究为采用非线性数值分析方法研究混 凝土剪力
11、传递性能提供了新的途径。 1 弥散裂缝模型 D I A N A程序中弥散裂缝模型主要有全应变裂 缝模型和多方向固定裂缝模型。全应变裂缝模型是 在 V e c c h i o和 C o l l i n s 提出的修正压力场理论的基础 2 0 1 1 N o 3 李翠, 等: 混凝土直接剪切试验的非线性有限元分析 9 上发展而来的, 它又分为旋转裂缝模型和固定裂缝 模型两种。 1 1 全应变旋转裂缝模型 旋转裂缝模型中, 荷载作用下单元内的裂缝方 向随着主应力或主应变方 向的改变而变化 , 即裂缝 方向和主应力方向始终保持一致l- 6 。 。 。 在本文的分析中, 混凝土受压应力一应变关系 采用
12、T h o r e n f e l d t 曲线 J , 如图 1 ( a ) 所示 , 该曲线方 程为 式 中 n = 。8。 + ; = 。6 +乞 。 三 ; 为峰值应力; 为相应的峰值应变; 为立方体 抗压强度 。 ( a ) T h o r e n f e l d t I力 应变 曲线 ( b ) 线性受拉软化 曲线 图 l 混凝土 应力一 应变 曲线 F i g 1 S t r e s s - s t r a i n c u r v e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e 混凝土受拉应力一应变关系采用多线性软化模 型, 如图 1 (
13、b ) 所示 , 该软化模型的本构关系为 = Ee 0 占 l : I ( 一 。 ) + 。 s 8 。 1 l 6 _ 石 ( o 0 0 0 2一占 ) c 8o 0 0 0 2 ( 2 ) 式 中 = 2 G I;G I 型 受 拉 断 裂 能 , 按C E B F IP 规 范 取G ; = ( J7 - ) ; G 旬 由 、J c m0 最大骨料粒径确定 为混凝土圆柱体抗压强度平 均值 神为混凝土圆柱体抗压强度平均值的参考 值, 一般取 1 0 M P a ; 为断裂带带宽, 一般取最大骨 粒径的3倍; 为最大抗拉强度; 8 o r 为开裂时的应 变; E为弹性模量; 极限应变取
14、0 0 0 0 2 。 1 2 全应变 固定裂缝模型 固定裂缝模型中, 开裂方向由达到抗拉强度时 的主应 力 方 向确 定 , 并 在 后 续计 算 中不 发 生 变 化 _ 1 0 。 混凝土开裂后的剪切刚度 G 按下式进行折减: C = G ( 3 ) 式中G为开裂前 的剪切 刚度 ; 为剪切刚度折减 系数 , 0 1 , 一般采用 = O 2 J 。 1 3 多方向固定裂缝模型 多方向固定裂缝模型是基于塑性理论的有限元 模型, 其基本思路为: 当裂缝与主应力之间的角度大 于某一角度时, 则在新的主应力下生成新的开裂本 构矩阵, 同时不再考虑原有裂缝, 主应力和裂缝方向 之间的夹角被限制在
15、一定范围内, 可以模拟更加复 杂的开裂行为 。新裂缝的产生必须同时满足下 列条件 。 。 : 1 ) 主拉应力大于抗拉强度; 2 ) 已有裂缝和主拉应力间的夹角超过界限角 TD( 一般取 6 O 。 ) 。 混凝土开裂后的剪切刚度采用常刚度折减, 折 减系数的取值同全应变固定裂缝模型。混凝土采用 D r u c k e r P r a g e r 破坏准则, 受拉曲线采用图 1 ( b ) 所 示的多线性软化模型。 2直接剪切试 验概况 本文对直接剪切试验中的2个非预裂试件进行 有限元模拟分析。试 件几 何尺寸 和配筋 情况见表 1 。Z型试件两侧沿 中线分别设 置深 1 5 n l i n
16、、 宽 3 0 m m的 V型槽 , 以保证在预定的剪切面上产生裂缝 , 试件形状及钢筋布置如图 2所示 。 表 1 试件参数 T a b l e 1 De t a i l s o f s p e c i me n s 图2 试件形状及钢筋布置 F i g 2 Th e s h a p e a n d r e i n f o r c i n g l a y - o u t o f t h e s p e c i me n , 。 , _ 一 旦 一 = 土 一 1 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 3有限元分析结果 3 1 单元及网格划分 混凝土采用 Q u 8 C Q 1 6 M平 面应力
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