這個示例問題演示了如何使用梯度增強耦合損傷塑性微平面模型來模擬鋼筋混凝土梁-柱接縫。

重點介紹了以下特性和功能：

• 耦合損傷塑性微平面模型。

• 通過隱式梯度法穩定解。

• 耦合孔隙壓力熱機械（CPT）固體單元技術。

• 離散增強單元技術

介紹

鋼筋混凝土（RC）梁-柱連接對框架RC結構的整體性能至關重要。在地震載荷下，接縫區域的加固不足是導致脆性破壞的主要原因。為了理解和檢驗混凝土和鋼筋對接縫性能的影響，接縫破壞模擬是必要的。

建模損傷和軟化通常會導致數值不穩定性、收斂失敗和病理網格敏感性。這里給出的模擬通過使用非局部隱式梯度正則化的材料來解決這些問題。

問題描述

下圖顯示了鋼筋混凝土外梁-柱接縫的幾何細節和鋼筋布置：

Chalioris等人給出了實驗數據。

建模

三維模型由混凝土和加固單元類型組成：

• 混凝土使用耦合孔隙壓力熱-機械固體單元CPT215。通過關鍵選項（KEYOPT，ITYPE，18，2）激活與隱式梯度正則化相關的每個節點的兩個額外自由度。

• 通過離散增強單元REINF264（通過EREINF生成）模擬增強。

實心單元和加固單元在節點處連接，因此不考慮混凝土和鋼之間的特殊粘結相互作用。使用對稱性，僅對接縫的一半進行建模：

材料和接觸屬性

通過耦合損傷塑性微平面模型對混凝土進行建模：

參數輸入如下：

使用具有線性硬化的von Mises塑性（BISO材料模型）和以下參數對鋼筋進行建模：

邊界條件和加載

為了模擬所需的撓曲模式，必須使用與實驗中觀察到的旋轉類似的支撐。

在兩點施加載荷：

• 將94.8 kN的載荷控制軸向力施加到柱上并保持恒定。

• 在梁尖端附近逐漸施加80 mm的位移（通過兩個單獨的加載步）。

分析和求解控制

進行非線性靜態分析。

梯度增強材質需要非對稱求解器（NROPT，UNSYM）。

自動時間步長處于激活狀態，并且控制時間步長的大小（NSUBST）。

在這種情況下，控制或修改收斂容許值是不必要的，但可以對非局部場（CNVTOL，GFRS）進行控制或修改。

結果和討論

下圖顯示了生成的力-位移曲線（sim），并將其與實驗結果（exp）進行了比較。硬化一段時間后，會發生軟化。

軟化是由接頭中部塑性和壓縮損傷的強烈演變引起的：

盡管破壞開始于梁的左上側的拉伸開裂，但在較高變形時，破壞會改變為普通柱-梁區域的剪切帶。

觀察到塑性傾向于局限于比損傷更窄的區域，該區域更為擴散并延伸到塑性區域之外：

塑性和損傷結果與僅對損傷部分應用梯度增強的公式一致。在此框架內，損傷可被解釋為在更大區域上的微裂紋擴展，而塑性代表在損傷區域中心出現的宏觀裂紋。

考慮到鋼筋的變形形狀和塑性應變，很明顯，鋼筋的變形集中在具有最大拉伸應力的區域：

建議

損傷參數和非局部參數在這類分析中至關重要。要查找合適的參數值，考慮以下提示和建議：

• 通過檢查損傷區域的結果大小來試驗數值。通常，尺寸應與整個結構的尺寸具有合理的比例。

• 試驗損傷參數以擬合力-位移曲線。

• 為了更好地了解混凝土參數，首先考慮在不加固的情況下運行問題。

• 為使非局部相互作用具有足夠的分辨率，將單元大小設置為小于sqrt(c)/2的值。

• 非收斂性可能表明c太小或損傷參數太大。

參考文獻

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.