鋼筋混凝土耦合的案例
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng) ￥10
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)
鋼筋混凝土框架規(guī)格為兩層兩跨，爆炸施加的荷載為下降三角形脈沖荷載。
（一）鋼筋與混凝土之間的耦合：通過(guò)關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID，將兩者變形協(xié)調(diào)統(tǒng)一；除此之外，高版本求解器，通過(guò)*BEAM_IN_SOLID關(guān)鍵字進(jìn)行耦合，后者為前者的進(jìn)階版本，更好收斂，本文為簡(jiǎn)單規(guī)整的鋼筋混凝土耦合，因此采用了前者，具體可見K文件。
（二）爆炸荷載施加：爆炸荷載施加主要有三種方法，一是通過(guò)實(shí)體建模，流固耦合的方法，這個(gè)方法下個(gè)帖子會(huì)進(jìn)行發(fā)布講解；二是通過(guò)關(guān)鍵字*load_Blast進(jìn)行施加，這個(gè)已經(jīng)在上一個(gè)帖子中說(shuō)過(guò)了，感興趣的朋友可以去上一個(gè)帖子進(jìn)行瀏覽學(xué)習(xí)；三是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式henrcy等，將炸藥的重量、距離、爆炸方式換算成下降三角形脈沖荷載進(jìn)行，本文聚焦第三種。
流程與K文件我放到了下面，喜歡的朋友可以下載一下。
展開 ansys workbench鋼筋混凝土建模方法
3、 MISO或BISO模型（SOLID65單元）以Willam-Warnke理論為主，可考慮混凝土開裂和壓碎行為，可采用分離模型和整體式模型，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析提供了手段，比較老牌的方法，比較靠譜。但該單元計(jì)算分析的收斂問(wèn)題很讓人頭痛，尤其在荷載-位移曲線水平段和下降段時(shí)。只支持與link180單元一同使用，鋼筋與混凝土單元需要共節(jié)點(diǎn)，因此復(fù)雜結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分存在一些難度。
4、粘結(jié)滑移的模擬，鋼筋采用link單元，混凝土采用solid185單元，在梁截面的兩個(gè)方向只須耦合其自由度，在縱向（縱筋方向）添加非線性彈簧Combin39即可，難度在于本構(gòu)。在普通的鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算中考慮粘結(jié)滑移作用多此一舉，若研究課題中，鋼筋和混凝土間的粘結(jié)-滑移作用本身就是重點(diǎn)或者參數(shù)之一，可以試試這種建模思路。本文不提及，有興趣的可以交流。
展開 鋼筋混凝土特點(diǎn)及其原理 附鋼筋混凝土原理過(guò)鎮(zhèn)海文檔下載
鋼筋混凝土是當(dāng)下最流行的建筑結(jié)構(gòu)，無(wú)論是我們的房屋現(xiàn)澆鋼筋混凝土，還是大型建筑物，接下來(lái)我們就通過(guò)下面的內(nèi)容，來(lái)看看鋼筋混凝土的相關(guān)內(nèi)容介紹。
鋼筋
混凝土怎么樣
鋼筋混凝土中的受力筋含量通常很少，從占構(gòu)件截面面積的1%（多見于梁板）至6%（多見于柱）不等。鋼筋的截面為圓型。在美國(guó)從0.25至1英尺，每級(jí)1/8英尺遞增；在歐洲從8至30毫米，每級(jí)2毫米遞增；在中國(guó)大陸從3至40毫米，共分為19等。
在美國(guó)，根據(jù)鋼筋中含碳量，分成40鋼與60鋼兩種。后者含碳量更高，且強(qiáng)度和剛度較高，但難于彎曲。在腐蝕環(huán)境中，電鍍、外涂環(huán)氧樹脂、和不銹鋼材質(zhì)的鋼筋亦有使用。
鋼筋
混凝土特點(diǎn)
混凝土是水泥（通常硅酸鹽水泥）與骨料的混合物。當(dāng)加入一定量水分的時(shí)候，水泥水化形成微觀不透明晶格結(jié)構(gòu)從而包裹和結(jié)合骨料成為整體結(jié)構(gòu)。通常混凝土結(jié)構(gòu)擁有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度（大約3，000磅/平方英寸，35MPa）。
但是混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，通常只有抗壓強(qiáng)度的十分之一左右，任何顯著的拉彎作用都會(huì)使其微觀晶格結(jié)構(gòu)開裂和分離從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。而絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部都有受拉應(yīng)力作用的需求，故未加鋼筋的混凝土極少被單獨(dú)使用于工程。
鋼筋
混凝土原理
鋼筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性質(zhì)決定的。首先鋼筋與混凝土有著近似相同的線膨脹系數(shù)，不會(huì)由環(huán)境不同產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。其次鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)力，有時(shí)鋼筋的表面也被加工成有間隔的肋條（稱為變形鋼筋）來(lái)提高混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合，當(dāng)此仍不足以傳遞鋼筋與混凝土之間的拉力時(shí)，通常將鋼筋的端部彎起180 度彎鉤。
展開 workbenh,鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土耦合發(fā)生錯(cuò)誤
workbenh,鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土耦合發(fā)生錯(cuò)誤
LS-DYNA磨料水射流輔助滾刀切割鋼筋混凝土（熱力耦合） ￥500
磨料與水均使用sph建模，磨料隨機(jī)分布在水中，占比30%，混凝土與鋼筋混合建模，可以輸出滾刀、巖石、鋼筋溫度，滾刀三向力等，該算例計(jì)算時(shí)間為30分鐘
LS-DYNA | 彈丸對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)侵徹?cái)?shù)值模擬 ￥175
不共節(jié)點(diǎn)分離式模型</p><p>不共節(jié)點(diǎn)分離式模型的優(yōu)點(diǎn)是鋼筋和混凝土分別劃分網(wǎng)格，相同位置處節(jié)點(diǎn)并不相同，網(wǎng)格可以重疊，模型建立更方便，通過(guò)相關(guān)約束關(guān)鍵字約束鋼筋和混凝土之間的耦合關(guān)系。在ls_dyna中可采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID（簡(jiǎn)稱CLIS）、*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID（簡(jiǎn)稱CBIS）、*DEFINE_BEAM_SOLID_COUPLING（簡(jiǎn)稱DBSC）關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。這幾種關(guān)鍵字均將鋼筋約束耦合在混凝土中來(lái)模擬鋼筋和混凝土的相互作用，在約束耦合關(guān)系中鋼筋為從面，混凝土為主面。常用CLIS和CBIS耦合方法。</p><p>3.
展開 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范
交通部已發(fā)文，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）作為公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自2018年11月1日起施行。 文檔:公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG3362-2018
LS-DYNA高級(jí)應(yīng)用——近場(chǎng)爆炸作用鋼筋混凝土墻破壞模擬 S-ALE-FEM-SPH耦合模型 ￥100
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</figure><p><br></p><p>計(jì)算模型簡(jiǎn)介：</p><p>固體域：</p><p>整體采用 FEM-SPH算法表征混凝土動(dòng)態(tài)失效及碎片云的形成過(guò)程。</p><p>鋼筋混凝土墻尺寸為2m×2m,強(qiáng)度C35,采用RHT材料模型。（FEM-SPH solid單元，網(wǎng)格尺寸1cm×1cm）</p><p>鋼筋為?10@150mm的雙層交錯(cuò)布置，材料HRB400,采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。(FEM-beam單元,單元長(zhǎng)度1cm)</p><p>流體域：</p><p>整體采用S-ALE算法表征炸藥爆轟過(guò)程。</p><p>炸藥為?150×200mm的圓柱狀TNT炸藥，爆距100mm。采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型及JWL狀態(tài)方程。</p><p>空氣采用NULL材料模型，LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程。</p><p>S-ALE網(wǎng)格尺寸1cm。</p><p>耦合算法：</p><p>采用罰耦合對(duì)流體域與固體域的流固耦合過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。</p><p><br></p><p>計(jì)算效果：</p><p>損傷演化過(guò)程</p><p>依次為 正面開坑區(qū)損傷，背面崩落區(qū)損傷，側(cè)面剖視損傷。
展開 ANSYS預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土耦合造成應(yīng)力集中的一種解決方法
最近看文獻(xiàn)，偶然看到了長(zhǎng)沙大學(xué)黃文雄的一篇文章《混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析中預(yù)應(yīng)力筋模擬的新思考》，挺有意思，在此拆解分享，點(diǎn)擊上面的文章標(biāo)題可以去CNKI下載(沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)支持的朋友可以給我發(fā)郵件)。
問(wèn)題描述
用ANSYS計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土非線性有限元問(wèn)題時(shí)，混凝土采用三維Solid單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用線性的Link單元。常規(guī)做法是分別建模，用耦合的方法使鋼筋和混凝土單元協(xié)調(diào)工作。
于是，問(wèn)題出現(xiàn)了，當(dāng)二維單元和三維單元進(jìn)行耦合的時(shí)候，在耦合點(diǎn)處“天然出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象”，而且應(yīng)力集中對(duì)整體有限元計(jì)算精度的影響隨著單元尺度劃分的不同而不同。
作者還提供的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如下：
原因分析
1.沿梁縱向，恰好也是鋼筋線性單元的布置方向，所以此方向上的應(yīng)力和跨中撓度受單元?jiǎng)澐殖叨扔绊懞苄。?2.沿梁豎向，曲線預(yù)應(yīng)力有豎彎構(gòu)造時(shí)，單元?jiǎng)澐殖叨葘?duì)豎向應(yīng)力影響較大；
3.沿梁橫向，曲線預(yù)應(yīng)力有橫彎構(gòu)造時(shí)，單元?jiǎng)澐殖叨葘?duì)豎向應(yīng)力影響較大；
4.當(dāng)曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋的彎折半徑較小時(shí)，彎折區(qū)域應(yīng)力集中可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。
解決方案
作者提出了一個(gè)解決方案：用三維Solid單元代替二維單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋。并且通過(guò)對(duì)比計(jì)算得出以下結(jié)論：
1.沿跨度縱向方向”當(dāng)單元?jiǎng)澐殖叨冗m宜時(shí)”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘜?duì)于特征應(yīng)力影響微乎其微；
2.沿截面豎向方向”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘯r(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率約在5%以內(nèi)；
3.沿截面橫向方向”單元?jiǎng)澐殖叨茸兓瘯r(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率約在10%以內(nèi)，當(dāng)單元?jiǎng)澐殖叨冗x取適宜時(shí)”其應(yīng)力相對(duì)變化率可控制在
5%左右。
至此，耦合產(chǎn)生的應(yīng)力集中問(wèn)題基本解決。
展開 基于Abaqus的三種鋼筋混凝土梁數(shù)值模擬對(duì)比研究
混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度大約只有其十分之一，在受到豎向荷載（包括自重）作用下，梁下部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，上部產(chǎn)生壓應(yīng)力，而由于其抗拉強(qiáng)度低，因此很小的荷載即可導(dǎo)致梁下部開裂，從而使其失去承載力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在混凝土受拉區(qū)設(shè)置鋼筋，當(dāng)混凝土受拉開裂后，鋼筋因其較高的抗拉強(qiáng)度仍然能夠繼續(xù)承擔(dān)拉力，而梁的受壓區(qū)也能夠繼續(xù)承擔(dān)壓力，二者協(xié)同工作，各司其職，使得鋼筋混凝土梁相較于素混凝土承載力得到明顯提高。
圖1(a) 素混凝土簡(jiǎn)支梁示意圖
圖1 (b) 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁示意圖
就Abaqus而言，很多使用者對(duì)于鋼筋混凝土梁的數(shù)值模擬通常采用簡(jiǎn)化模型：即將鋼筋通過(guò)線單元（Wire）建模，后將鋼筋嵌入（embed region）混凝土梁中，此方法確實(shí)可以節(jié)省不少工作量，而且在一定范圍內(nèi)結(jié)果也較為精確；第二種方法即是將鋼筋通過(guò)實(shí)體單元建模，此方法相對(duì)于第一種而言，更為符合實(shí)際情況。然而，鋼筋和混凝土之間的耦合并不是簡(jiǎn)單的合并，多位學(xué)者專門通過(guò)拔拉試驗(yàn)研究鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，通過(guò)設(shè)置二者交界面處的牽引分離本構(gòu)模型更好地模擬鋼筋混凝土梁內(nèi)部的實(shí)際受力狀態(tài)。下面針對(duì)以上三種模型進(jìn)行建模，并進(jìn)行對(duì)比分析。
【模型信息】矩形梁截面尺寸b×h=300mm×400mm，混凝土梁長(zhǎng)2m，計(jì)算長(zhǎng)度1.9m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。縱向受拉鋼筋采用HPB300，鋼筋布置為6&12，保護(hù)層厚度為25mm。采用四點(diǎn)加載，剪跨比為2，加載由位移控制，位移大小設(shè)置為20mm。
圖2混凝土梁有限元模型
根據(jù)上述提到的三種模型，簡(jiǎn)化模型和實(shí)體模型情況如下圖所示。
展開 ABAQUS中定義混凝土的塑性損傷本構(gòu)、鋼筋和混凝土之間的粘接滑移，模擬拉拔鋼筋時(shí)受拉短柱的應(yīng)力分布 ￥50
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鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析單元類型和分析模型 附混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析下載
通常鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析單元分為兩個(gè)層次：桿系單元和實(shí)體單元。前者著重分析單元力（包括力和彎矩）與位移（包括位移和轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系，而后者著重分析單元的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。單元類型的選取應(yīng)兼顧計(jì)算規(guī)模、材料模型的精度等多方面的因素。對(duì)于全結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，可將結(jié)構(gòu)離散成桿系單元進(jìn)行分析。對(duì)于復(fù)雜區(qū)域（梁柱節(jié)點(diǎn)）或重要的構(gòu)件等可將桿系結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的力和位移施加到實(shí)體單元模型上，分析局部應(yīng)力和應(yīng)變。在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)盡可能多地采用三維實(shí)體單元模型，力求最大程度的真實(shí)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析中的模型
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同于一般均質(zhì)材料，它是由鋼筋和混凝土兩種材料構(gòu)成的，一般鋼筋是被包圍在混凝土之中，而且相對(duì)體積較少，因此建立結(jié)構(gòu)有限元模型需考慮這些特性。構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有以下三類：
1.1 分離式模型
分離式模型把混凝土和鋼筋作為不同的單元來(lái)處理，即混凝土和鋼筋各自被劃分為足夠小的單元。考慮到鋼筋是一種細(xì)長(zhǎng)材料，通常可忽略其橫向抗剪強(qiáng)度。這樣，可以將鋼筋作為線形單元處理（如ANSYS中的link8單元）。混凝土可采用四面體單元等實(shí)體單元（如ANSYS中的solid65單元）。在該模型中，鋼筋和混凝土之間可以插入聯(lián)結(jié)單元來(lái)模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移，若鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)很好，不會(huì)有相對(duì)滑移，則可視為剛性聯(lián)結(jié)，可以不考慮聯(lián)結(jié)單元問(wèn)題。眾所周知，鋼筋混凝土是存在裂縫的(否則鋼筋難以發(fā)揮作用)，而開裂必然導(dǎo)致鋼筋和混凝土變形不協(xié)調(diào)，也就是說(shuō)必然存在粘結(jié)失效和滑移的產(chǎn)生，因此這種模型被廣泛的應(yīng)用。單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)與一般有限元相同。
1.2 組合式模型
組合式模型是假設(shè)鋼筋以一個(gè)確定的角度分布在整個(gè)單元中，并假設(shè)混凝土與鋼筋之間存在著良好的粘結(jié)，認(rèn)為兩者之間無(wú)滑移。又分為分層組合方式和帶鋼筋膜的方式等。
展開 Abaqus應(yīng)用之鋼筋混凝土篇 ￥9.99
鋼筋模型類型
1.1 理想彈塑性模型
在Abaqus中，可以通過(guò)直接在塑性部分輸入屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變來(lái)定義理想彈塑性模型。例如，Q345B鋼材的屈服強(qiáng)度為345MPa，極限抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到510-600MPa。在Abaqus中，可以取第一個(gè)點(diǎn)為(345,0)，第二個(gè)點(diǎn)可以設(shè)為(551,0.1)，使得兩個(gè)點(diǎn)之間的斜率為0.01Es（鋼材的彈性模量）。
1.2 雙折線模型
雙折線模型是鋼筋混凝土模擬中常用的一種簡(jiǎn)化模型。在Abaqus中，鋼筋可以通過(guò)線單元（Wire）建模，然后將鋼筋嵌入（embed）混凝土梁中。這種方法簡(jiǎn)潔高效，被大多數(shù)學(xué)者采納。然而，這種方法在模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移時(shí)可能不夠精確。
1.3 三折線模型
三折線模型考慮了鋼筋的屈服階段，可以更準(zhǔn)確地模擬鋼筋的滯回行為。在Abaqus中，可以通過(guò)用戶自定義的UMAT子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這種模型。例如，清華大學(xué)曲哲提出的改進(jìn)的Clough鋼筋滯回本構(gòu)模型，可以在反向再加載時(shí)，指向按卸載剛度加載至歷史最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力的0.2倍，再指向歷史最大點(diǎn)，從而考慮鋼筋加載-卸載-反向加載過(guò)程產(chǎn)生的包辛格效應(yīng)。
2. 鋼筋與混凝土的相互作用
2.1 粘結(jié)滑移關(guān)系
鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移關(guān)系是模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。在Abaqus中，可以通過(guò)設(shè)置二者交界面處的牽引分離本構(gòu)模型來(lái)模擬這種關(guān)系。例如，基于Abaqus的三種鋼筋混凝土梁數(shù)值模擬對(duì)比研究表明，將鋼筋通過(guò)實(shí)體單元建模，并在實(shí)體鋼筋和混凝土梁連接界面設(shè)置相應(yīng)粘結(jié)本構(gòu)，可以更真實(shí)地模擬鋼筋混凝土梁內(nèi)部的實(shí)際受力狀態(tài)。
2.2 損傷塑性模型
Abaqus中的混凝土損傷塑性（CDP）模型能夠描述材料在循環(huán)加載和動(dòng)態(tài)加載條件下的力學(xué)響應(yīng)。
展開 鋼筋混凝土柱(鋼筋Rebar Layer)及剪力-彎矩輸出
這個(gè)小實(shí)例的基礎(chǔ)上的，仍然是針對(duì) 初學(xué)者 的小實(shí)例，
【模型簡(jiǎn)介】：
1、混凝土柱子，截面尺寸500mm*500mm，高度4.5m；混凝土保護(hù)層厚度取20mm；
2、荷載，在頂部施加F=5000N的集中力；在柱子頂部建立參考點(diǎn)，與柱子Coupling 耦合，以施加荷載。
3、材料屬性：假定混凝土和鋼筋均處于彈性階段；材料屬性定義時(shí)只輸入 密度，彈性模型E和泊松比；
4、鋼筋配筋，8根，HRB335鋼筋，直徑20mm；采用Rebar Layer 箱型截面鋼筋層，并Embed到混凝土實(shí)體單元中。
5、輸出荷載-位移曲線：在History Output中輸出施加荷載點(diǎn)的集中力CF和位移U，后處理繪制出荷載-位移曲線；
6、剪力和彎矩的輸出：采用Standard implicit 隱式計(jì)算，在INP文件進(jìn)行*section print，將剪力和彎矩輸出到 dat文件。
展開 混凝土中鋼筋的電化學(xué)腐蝕模擬 ￥1000
混凝土中鋼筋的腐蝕是指鋼筋與混凝土中的水和氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生氧化物，進(jìn)而引發(fā)鋼筋的腐蝕和破壞。混凝土中的水和氧氣是腐蝕的主要因素之一。當(dāng)水滲入混凝土中的微縫隙和孔隙時(shí)，可以與鋼筋表面的氧氣反應(yīng)，形成氧化物。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，涉及到陰極和陽(yáng)極反應(yīng)。鋼筋在環(huán)境中處于陰極的區(qū)域，而氧氣反應(yīng)位于陽(yáng)極的區(qū)域。在這種電化學(xué)反應(yīng)中，鋼筋表面上的氧化物會(huì)導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和銹蝕。
本案例建立了一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，基于COMSOL軟件中的三次電流分布模塊和固體力學(xué)模塊，仿真模擬得到了鋼筋氧化腐蝕過(guò)程中的電化學(xué)場(chǎng)、鋼筋的腐蝕層厚度以及破壞區(qū)域變化，仿真結(jié)果如圖所示：
電化學(xué)場(chǎng)
腐蝕層厚度
腐蝕破壞區(qū)域
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
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