[发明专利]一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法

说明书

一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法，涉及一种钢筋混凝土桥梁非线性破坏的建模方法。获取混凝土和钢筋的材料力学性能；建立单轴受力的钢筋混凝土立方体单元，分解为一维轴向受力单元和二维法向受力单元，分别计算钢筋对混凝土的加强系数并得到弹性模量；分别对单轴受力的钢筋混凝土立方体单元进行受拉和受压应力应变曲线的修正，对损伤演化参数进行修正，得到修正后的本构关系曲线；应用于有限元中建立三维实体非线性有限元模型，进行钢筋混凝土结构塑性损伤及承载能力的计算。考虑钢筋对混凝土的加强系数，同时提出修正的钢筋混凝土本构模型，能够高效、准确的评估实际桥梁的极限承载能力。

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土桥梁非线性破坏的建模方法，尤其是一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法，属于桥梁工程力学性能分析技术领域。

背景技术

桥梁作为现代交通基础设施的关键组成部分，在国家和地区经济发展中占据重要的战略地位。近年来，越来越多的钢筋混凝土桥梁建设并进入服役状态，极大地提高了我国交通运输效率、促进了经济的快速增长。

掌握桥梁的极限承载能力和安全裕度是其大规模投入使用前的必要条件，是保证车辆安全行驶的重要前提。对于桥梁结构安全性能的研究，目前广泛采用的方法是在实验室完成的缩尺试件破坏性实验，但是受限于混凝土材料性能的随机性以及结构的尺寸效应，通过实验室缩尺试件得出的结论很难直接应用于实际桥梁结构的安全性能评估中。而基于实际桥梁的实验，不论采用静力还是动力的加载方式，都着重于研究钢筋混凝土桥梁在运营期间是否满足设计要求，若想准确掌握桥梁的极限承载能力和安全裕度，基于实际桥梁的破坏性试验是最直接的方法，但受限于高昂的试验费用且现场试验安全性难以保证等因素，目前对于实际桥梁的破坏试验研究较少。

近年来，随着计算机科学技术的发展，利用有限元进行数值模拟分析成为研究钢筋混凝土桥梁力学行为有效的辅助手段。国内外研究学者也分别就单元类型、约束方式、材料本构关系等方面对传统的模拟方法进行改良，但是对于大型钢筋混凝土桥梁的破坏分析，依旧存在着一些不可避免的缺点：一是普通钢筋框架构造繁琐，不同位置、不同布设方式的钢筋往往规格不同，这导致有限元建模十分复杂；二是混凝土进入塑性阶段后，应力应变曲线急剧下降所产生的应力失稳现象将大大增加计算过程中的收敛难度，计算硬件和时间成本也会大大提升。因此，创建出一种能够高效、准确计算出大体积钢筋混凝土桥梁非线性破坏的建模方法，用于评估实际桥梁的极限承载能力，是目前亟待解决的难题。

发明内容

为解决现有钢筋混凝土本构模型不能很好的适用于模拟大体积钢筋混凝土桥梁结构的非线性破坏行为，存在着建模过程复杂、计算成本极高的问题，本发明提供一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法，它以混凝土作为基础材料，钢筋作为辅助加强效应材料，建立三维正交单元并将其分解为一维轴向受力单元和二维法向受力单元，考虑钢筋对混凝土的加强系数，同时提出修正的钢筋混凝土本构模型，能够高效、准确的评估实际桥梁的极限承载能力。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取结构中混凝土和钢筋的材料力学性能；

步骤2：建立单轴受力的钢筋混凝土立方体单元，以混凝土作为基础材料，钢筋作为辅助加强效应材料，假设钢筋的加强效应均匀弥散到混凝土中形成三维正交单元，将其分解为一维轴向受力单元和二维法向受力单元，分别计算钢筋对混凝土的加强系数，得到单轴受力的钢筋混凝土立方体单元的弹性模量：

其中，κ为三维钢筋加强系数