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鋼筋混凝土材料，是一種非勻質(zhì)的力學(xué)性能復(fù)雜的建筑材料。隨著計(jì)算機(jī)和有限元分析方法的發(fā)展，有限元法已經(jīng)成為研究混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要的手段。由于數(shù)值計(jì)算具有快速、代價(jià)低和易于實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，這種分析方法已經(jīng)廣泛用于實(shí)際工程中。然而，要在有限元軟件中盡可能準(zhǔn)確地模擬混凝土這種材料，是不容易的，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于各種理論的混凝土本構(gòu)模型。但是迄今為止，還沒有一種理論被公認(rèn)為可以完全描述混凝土的本構(gòu)關(guān)系。
ABAQUS是大型通用的有限元分析軟件，其在非線性分析方面的巨大優(yōu)勢(shì)，獲得了廣大用戶的認(rèn)可，在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用趨于廣泛。本研究把規(guī)范建議的混凝土本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)用到損傷塑性模型，對(duì)一懸臂梁進(jìn)行了精細(xì)的有限元建模計(jì)算和探討。
ABAQUS在鋼筋混凝土分析上有很強(qiáng)的能力。它提供了三種混凝土本構(gòu)模型：混凝土損傷塑性模型，混凝土彌散裂縫模型和ABAQUS/Explicit中的混凝土開裂模型。其中混凝土損傷塑性模型可以用于單向加載、循環(huán)加載以及動(dòng)態(tài)加載等場(chǎng)合，它使用非關(guān)聯(lián)多硬化塑性和各向同性損傷彈性相結(jié)合的方式描述了混凝土破碎過程中發(fā)生的不可恢復(fù)的損傷，這一特性使得損傷塑性模型具有更好的收斂性。此模型是基于文獻(xiàn)的工作，使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為。
鋼筋采用本構(gòu)關(guān)系為強(qiáng)化的二折線模型，無剛度退化。折線第一上升段的斜率，為鋼筋本身的彈性模量，第二上升段為鋼筋強(qiáng)化段，此時(shí)的斜率大致可取為第一段的1/100。
損傷是指在單調(diào)加載或重復(fù)加載，材料性質(zhì)所產(chǎn)生的一種劣化現(xiàn)象，損傷在宏觀方面的表現(xiàn)就是微裂紋的產(chǎn)生。材料的損傷狀態(tài)，可以用損傷因子來描述。根據(jù)前面確定的混凝土非彈性階段的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系可求得損傷因子的數(shù)值。
混凝土在單向拉伸/壓縮試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，通常是以名義應(yīng)變和名義應(yīng)力表示的，為了準(zhǔn)確地描述大變形過程中截面積的改變，需要使用真實(shí)應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力，可通過它們之間的換算公式計(jì)算。真實(shí)應(yīng)變是由塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變兩部分構(gòu)成的。在ABAQUS中定義塑性材料參數(shù)時(shí)，需要使用塑性應(yīng)變。
梁截面尺寸為200mmx300 mm，梁長1500 mm；縱筋為HRB335鋼筋，箍筋為HPB235鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土和鋼筋的各力學(xué)參數(shù)均取自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)值。
混凝土和鋼筋分別采用C3D8R單元和T3D2單元進(jìn)行分離式建模，并采用Embedded技術(shù)進(jìn)行自由度禍合。為了避免梁端因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致局部損壞，在梁端設(shè)置了一個(gè)矩形離散剛片，荷載施加在剛片的參考點(diǎn)上。在定義混凝土的粘性系數(shù)時(shí)，粘性系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)越剛硬，就像越粘稠的液體越難流動(dòng)一樣，粘性系數(shù)越小，計(jì)算效率很低，很難收斂。通過對(duì)粘性系數(shù)取0.01，0.005，0.001，0.0005這四種情況的比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)取0.0005和0.001時(shí)計(jì)算不收斂；取0.01時(shí)的荷載位移曲線一直處于上升階段，說明剛化了結(jié)構(gòu)。從前面的計(jì)算結(jié)果來看，取0.005時(shí)還是比較好的。
是否考慮混凝土受拉損傷對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，不考慮損傷時(shí)的極限承載力，比考慮損傷時(shí)要大10%左右，顯然從前面的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)考慮損傷時(shí)要更為合理，這一特性與混凝土的實(shí)際受力是吻合的。
通過本研究分析，主要得到以下結(jié)論：
(1)混凝土損傷塑性模型，以混凝土受壓破碎和受拉開裂為準(zhǔn)則。通過該懸臂梁算例，可知此模型在ABAQUS中模擬混凝土材料的非線性關(guān)系是行之有效的。
(2)求解混凝土，一般都會(huì)碰到計(jì)算收斂的問題，參數(shù)取值合理是大有幫助的。對(duì)于混凝土的粘性系數(shù)、膨脹角等，都值得反復(fù)推敲；初始增量步的大小也很重要，模型復(fù)雜和受荷載較大的時(shí)候，建議盡量取小值，不然計(jì)算難以收斂。
(3) ABAQUS提供的Embedded技術(shù)，以方便地解決鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系，使建模變得更加的高效和容易實(shí)現(xiàn)精細(xì)建模，但是它實(shí)現(xiàn)不了鋼筋的滑移等。如何用有限元軟件方便地模擬鋼筋與混凝土之間的關(guān)系，需要作進(jìn)一步深入的研究。
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