案例54-钢筋混凝土接缝分析

这个示例问题演示了如何使用梯度增强耦合损伤塑性微平面模型来模拟钢筋混凝土梁-柱接缝。

重点介绍了以下特性和功能：

• 耦合损伤塑性微平面模型。

• 通过隐式梯度法稳定解。

• 耦合孔隙压力热机械（CPT）固体单元技术。

• 离散增强单元技术

介绍

钢筋混凝土（RC）梁-柱连接对框架RC结构的整体性能至关重要。在地震载荷下，接缝区域的加固不足是导致脆性破坏的主要原因。为了理解和检验混凝土和钢筋对接缝性能的影响，接缝破坏模拟是必要的。

建模损伤和软化通常会导致数值不稳定性、收敛失败和病理网格敏感性。这里给出的模拟通过使用非局部隐式梯度正则化的材料来解决这些问题。

问题描述

下图显示了钢筋混凝土外梁-柱接缝的几何细节和钢筋布置：

Chalioris等人给出了实验数据。

建模

三维模型由混凝土和加固单元类型组成：

• 混凝土使用耦合孔隙压力热-机械固体单元CPT215。通过关键选项（KEYOPT，ITYPE，18，2）激活与隐式梯度正则化相关的每个节点的两个额外自由度。

• 通过离散增强单元REINF264（通过EREINF生成）模拟增强。

实心单元和加固单元在节点处连接，因此不考虑混凝土和钢之间的特殊粘结相互作用。使用对称性，仅对接缝的一半进行建模：

材料和接触属性

通过耦合损伤塑性微平面模型对混凝土进行建模：

参数输入如下：

使用具有线性硬化的von Mises塑性（BISO材料模型）和以下参数对钢筋进行建模：

边界条件和加载

为了模拟所需的挠曲模式，必须使用与实验中观察到的旋转类似的支撑。

在两点施加载荷：

• 将94.8 kN的载荷控制轴向力施加到柱上并保持恒定。

• 在梁尖端附近逐渐施加80 mm的位移（通过两个单独的加载步）。

分析和求解控制

进行非线性静态分析。

梯度增强材质需要非对称求解器（NROPT，UNSYM）。

自动时间步长处于激活状态，并且控制时间步长的大小（NSUBST）。

在这种情况下，控制或修改收敛容许值是不必要的，但可以对非局部场（CNVTOL，GFRS）进行控制或修改。

结果和讨论

下图显示了生成的力-位移曲线（sim），并将其与实验结果（exp）进行了比较。硬化一段时间后，会发生软化。

软化是由接头中部塑性和压缩损伤的强烈演变引起的：

尽管破坏开始于梁的左上侧的拉伸开裂，但在较高变形时，破坏会改变为普通柱-梁区域的剪切带。

观察到塑性倾向于局限于比损伤更窄的区域，该区域更为扩散并延伸到塑性区域之外：

塑性和损伤结果与仅对损伤部分应用梯度增强的公式一致。在此框架内，损伤可被解释为在更大区域上的微裂纹扩展，而塑性代表在损伤区域中心出现的宏观裂纹。

考虑到钢筋的变形形状和塑性应变，很明显，钢筋的变形集中在具有最大拉伸应力的区域：

建议

损伤参数和非局部参数在这类分析中至关重要。要查找合适的参数值，考虑以下提示和建议：

• 通过检查损伤区域的结果大小来试验数值。通常，尺寸应与整个结构的尺寸具有合理的比例。

• 试验损伤参数以拟合力-位移曲线。

• 为了更好地了解混凝土参数，首先考虑在不加固的情况下运行问题。

• 为使非局部相互作用具有足够的分辨率，将单元大小设置为小于sqrt(c)/2的值。

• 非收敛性可能表明c太小或损伤参数太大。

参考文献

Chalioris, C. E., Favvata, M. J., & Karayannis, C. G. (2008). Reinforced concrete beam-column joints with crossed inclined bars under cyclic deformations. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 37.6:

881-897.