(完整版)裂缝模型说明

裂缝模型说明1 裂缝模型介绍在钢筋混凝土结构的有限元分析中，常用的裂缝模型有以下几种：1，弥散（分布）裂缝模型；2，离散裂缝模型；3，断裂力学模型。

除此之外，还有其他一些形式的模型。

那么，如何在种类繁多的开裂数学模型中选用合适的模型用于实际结构分析呢，这取决于有限元分析的对象以及需要得出哪些数据。

如果需要获得结构的荷载位移特性曲线，而不需要裂缝的实际分布图形及局部应力状况，那么，就可以选择所谓“弥散裂缝模型”。

如果研究的兴趣在于结构局部特性的细节，那么采用离散裂缝模型更为适合。

对于某些特殊类型的问题，采用基于断裂力学原理的开裂模型也许更为方便。

弥散裂缝模型也被称为分布裂缝模型，其实质是将实际的混凝土裂缝“弥散”到整个单元中，将混凝土材料处理为各向异性树料，利用混凝土的材料本构模型来模拟裂缝的影响。

这样，当混凝土某一单元的应力超过了开裂应力，则只需将材料本构矩阵加以调整，无需改变单元形式或重新划分单元网格，易于有限元程序实现，因此得到了非常广泛的应用。

Baza等提出的钝带裂缝模型则进一步发展了传统的弥散裂缝模型，通过引入裂缝带、断裂能等概念，使弥散裂缝模型和断裂力学相结合，减小了单元尺寸的影响。

现在的大型商用非线性有限元程序包里面基本都集成了弥散裂缝模型，用于模拟混凝土、岩石等材料的开裂。

离散裂缝模型是最早提出的模拟混凝土开裂的裂缝模型，其基本思想是：将裂缝处理为单元边界，一旦出现裂缝就调整节点位置或增加新的节点，并重新划分单元网格，使裂缝处于单元边界与边界之间。

这样，由裂缝引起的非连续性可以很自然的得到描述，裂缝的位置、形状、宽度也可以得到较清晰的表达。

由于离散裂缝模型是使用单元边界来模拟裂缝，因此随着裂缝的发生和发展，需要不断调整单元网格。

这是—项非常复杂的工作，需要消耗大量的计算机时，也是妨碍分离裂缝模型发展的主要原因。

对于一个有着大量裂缝的实际混凝土结构．用网格重划来逐个追踪裂缝几乎是不可能的。

2 混凝土结构中的非荷载裂缝混凝土结构是我国工程结构中最常见、应用最广泛的结构形式之一。

但由于混凝土结构自身组成材料的弱点（抗拉强度较低），在使用条件下容易出现裂缝，这里所说的裂缝是指肉眼可见的宏观裂缝，而不是微观裂缝，其宽度应在0.05mm以上。

混凝土结构中常见的裂缝可分为两类，一类是由于结构承受荷载产生的裂缝，这类裂缝是结构在荷载作用下在某些部位产生的拉应力超过了材料的抗拉强度而引起的，又称为“荷载裂缝”；另一类是由于混凝土材料的收缩变形、温度变化以及混凝土内钢筋锈蚀等原因引起的裂缝，又称为“非荷载裂缝”。

目前，国内外对因荷载作用引起的“荷载裂缝”进行了较深入地研究，建立了相关的理论和控制标准，而对因其他原因引起的“非荷载裂缝”则主要是在设计和施工中规定了一些构造措施来防止和减轻，尚未建立起有效的计算理论和控制措施，因此，本文将混凝土结构中的“非荷载裂缝”作为主要的研究对象来加以分析。

2．1 非荷载裂缝的分类2．1．1 混凝土硬化以前新拌混凝土的塑性裂缝出现塑性裂缝的主要原因有：a）新拌混凝土在可塑状态下凝结收缩而产生的塑性收缩裂缝；b）可塑状态下新拌混凝土，其组成材料因受力下沉不均匀或下沉受阻而产生的塑性沉降裂缝；c）可塑状态下的混凝土因模板变形、支架下沉或受到施工过程中的扰动、移动等原因而产生的其他塑性裂缝。

2．1．2 硬化混凝土的早期收缩裂缝硬化混凝土早期收缩裂缝主要包括干燥裂缝、自生收缩裂缝和温度收缩裂缝。

1）干燥收缩裂缝干燥时收缩，受湿时膨胀，这是水泥基混凝土材料的固有特性，其主要原因是混凝土内的固体水泥浆体体积会随含水量而改变。

混凝土中骨料对水泥浆体积的变化起到了很大的约束作用，使混凝土的体积变化远低于水泥浆体的体积变化。

在硬化水泥浆体中，部分水存在于浆体的毛细孔隙内，而相当一部分水则存在于水泥硅酸钙凝胶体之中。

混凝土干燥时，首先失去的是较大孔径的毛细孔隙中的自由水份，但这几乎不会引起固体浆体体积的变化，只有很小孔径毛细孔隙水和凝胶体内的吸附水与胶体的层间孔隙水减少时才会引起明显的收缩。

混凝土结构裂缝裕度预测模型一、混凝土结构裂缝裕度概述混凝土结构裂缝问题一直是建筑领域关注的焦点之一。

裂缝的出现不仅影响结构的美观，更重要的是可能对结构的安全性和耐久性造成威胁。

因此，对混凝土结构裂缝的预测和控制具有重要的实际意义。

混凝土结构裂缝裕度预测模型是一套用于评估和预测混凝土结构在不同条件下可能出现的裂缝宽度及其对结构性能影响的数学模型和计算方法。

1.1 混凝土结构裂缝形成机理混凝土结构裂缝的形成是一个复杂的过程，涉及到材料特性、施工工艺、环境因素等多方面的影响。

裂缝的形成机理主要包括：混凝土的收缩、温度变化、荷载作用等。

混凝土的收缩包括塑性收缩、干燥收缩和自生收缩等，这些收缩在混凝土硬化过程中可能导致内部应力的产生，当应力超过混凝土的抗拉强度时，便会产生裂缝。

1.2 混凝土结构裂缝的影响因素混凝土结构裂缝的形成受多种因素影响，主要包括：水泥品种和用量、骨料种类和粒径、水胶比、混凝土配合比、施工工艺、环境温度和湿度、结构设计等。

这些因素通过影响混凝土的力学性能和收缩行为，进而影响裂缝的产生和发展。

二、混凝土结构裂缝裕度预测模型的构建构建混凝土结构裂缝裕度预测模型需要综合考虑裂缝的形成机理和影响因素，通过数学建模和计算分析，预测裂缝的发展趋势和结构的裂缝裕度。

2.1 裂缝裕度预测模型的理论基础裂缝裕度预测模型的理论基础主要包括：材料力学、断裂力学、混凝土收缩理论等。

材料力学提供了混凝土受力分析的基本方法；断裂力学用于分析裂缝的扩展和结构的破坏过程；混凝土收缩理论则解释了裂缝形成的内在原因。

2.2 裂缝裕度预测模型的构建方法构建裂缝裕度预测模型的方法包括：实验研究、理论分析、数值模拟等。

实验研究通过实际混凝土试件的测试，获取裂缝形成和扩展的数据；理论分析基于材料力学和断裂力学原理，建立裂缝发展的数学模型；数值模拟则利用计算机软件，模拟混凝土结构在不同条件下的裂缝行为。

2.3 裂缝裕度预测模型的应用裂缝裕度预测模型的应用主要体现在：结构设计优化、施工过程控制、结构健康监测等方面。

断裂模拟方法：一.弥散裂缝模型弥散裂缝模型也可以称为分布裂缝模型,是在年提出的`叫。

此模型假设当单元的最大主应力超过混凝土抗拉强度时,单元在最大主应力垂直的方向形成无数平行的微裂纹如图一所示。

单元发生损伤,需对单元的本构矩阵进行调整。

弥散裂缝模型认为开裂的混凝土还具有一定的连续性,将实际的裂缝“弥散”到整个单元中。

在第一条裂缝出现后,认为混凝土变成了一种“正交异性体”。

裂缝不是离散的或单个的。

此模型一开始认为,当单元开裂时,沿裂纹面垂直方向的应力立刻为零,裂纹面垂直方向与裂纹面切线方向失去了任何抵抗拉应力、剪应力的能力,而另外方向的刚度不变,如果三个方面都发生开裂,则认为这个单元完全失效。

因而单元的弹性矩阵为零。

后来人们发现混凝土开裂后,由于裂纹面颗粒与颗粒之间的相互叹合,裂纹面的抗拉能力并不立即降为零,并且裂纹面还具有一定的抗剪能力。

并且,应力应变曲线具有明显的下降阶段。

于是在本构模型中引进了剪力传递系数,它反映了骨料咬合作用,并且考虑开裂的受拉软化特性,在应变可加性基础上建立开裂单元的本构关系,得到有多条、固定裂纹的单元本构关系或考虑最大主应力方向在加载过程中不断改变的旋转裂纹模型、考虑材料塑性的弹塑性断裂模型。

因为此类模型只需改变开裂单元的本构关系,无须改变单元形式或重新划分单元网格,因此,广泛使用于混凝土结构断裂模拟。

,提出裂缝带模型和非局部连续模型,引入裂缝带、断裂能概念,减少了单元尺寸的影响。

但裂缝带模型假设断裂过程区的宽度是单元的宽度与实际不符。

非局部连续模型的物理意义不明确,且只针对工型张开型裂缝。

二.据北建工一常使用损伤模型的学生说，用损伤模型模拟效果也不错。

《混凝土抗压强度与断裂参数尺寸效应的数值模拟研究》三.《混凝土塑性弥散裂缝模型和应用》混凝土梁的尺寸为600 mm×180 mm ×100 mm［3］，2 个支撑点间长度为500 mm，载荷作用点离左端支撑点距离为175 mm，预设在混凝土梁上的裂缝深度为30 mm，见图1．试验中混凝土参数属性见表1．四.ABAQUS中的混凝土模型开裂问题应用弥散裂纹模型。

ABQUS中的三种混凝土本构模型ABAQUS 用连续介质的方法建立描述混凝土模型不采用宏观离散裂纹的方法描述裂纹的水平的在每一个积分点上单独计算其中。

低压力混凝土的本构关系包括：Concrete Smeared cracking model (ABAQUS/Standard)Concrete Brittle cracking model (ABAQUS/Explicit)Concrete Damage plasticity model高压力混凝土的本构关系：Cap model1、ABAQUS/Standard中的弥散裂缝模型Concrete Smeared cracking model (ABAQUS/Standard)：——只能用于ABAQUS/Standard中裂纹是影响材料行为的最关键因素，它将导致开裂以及开裂后的材料的各向异性用于描述：单调应变、在材料中表现出拉伸裂纹或者压缩时破碎的行为在进行参数定义式的Keywords：*CONCRETE*TENSION STIFFENING*SHEAR RETENTION*FAILURE RATIOS2、ABAQUS/Explicit中脆性破裂模型Concrete Brittle cracking model (ABAQUS/Explicit) ：适用于拉伸裂纹控制材料行为的应用或压缩失效不重要，此模型考虑了由于裂纹引起的材料各向异性性质，材料压缩的行为假定为线弹性，脆性断裂准则可以使得材料在拉伸应力过大时失效。

在进行参数定义式的Keywords*BRITTLE CRACKING,*BRITTLE FAILURE,*BRITTLE SHEAR3、塑性损伤模型Concrete Damage plasticity model：适用于混凝土的各种荷载分析，单调应变，循环荷载，动力载荷，包含拉伸开裂(cracking)和压缩破碎(crushing)，此模型可以模拟硬度退化机制以及反向加载刚度恢复的混凝土力学特性在进行参数定义式的Keywords：*CONCRETE DAMAGED PLASTICITY*CONCRETE TENSION STIFFENING*CONCRETE COMPRESSION HARDENING*CONCRETE TENSION DAMAGE*CONCRETE COMPRESSION DAMAGE。