[發(fā)明專利]一種混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的實(shí)體有限元計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910249626.9
• 申請(qǐng)日: 2019-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN110162827B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉榮;葉恒達(dá);李征;趙浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F17/16;G06F119/14;G06F119/02;G06F111/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 馬嚴(yán)龍

本發(fā)明涉及一種混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的實(shí)體有限元計(jì)算方法，包括如下步驟：1）依據(jù)逐步法將混凝土的應(yīng)力歷程離散化，推導(dǎo)出第n個(gè)時(shí)段內(nèi)的徐變應(yīng)變?cè)隽浚?）運(yùn)用Matlab軟件將徐變系數(shù)表達(dá)式擬合成指數(shù)級(jí)數(shù)形式；3）將徐變系數(shù)擬合表達(dá)式代入徐變應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算式，建立混凝土單軸徐變應(yīng)變?cè)隽窟f推計(jì)算式；4）考慮徐變泊松效應(yīng)，在實(shí)體單元材料本構(gòu)中建立混凝土?xí)r變本構(gòu)方程；5）運(yùn)用Fortran語言在ANSYS軟件的USERMAT子程序中開發(fā)混凝土的時(shí)變本構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力歷程中的時(shí)變效應(yīng)數(shù)值預(yù)測，與常用設(shè)計(jì)規(guī)范的徐變與收縮模型銜接良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及混凝土的徐變與收縮時(shí)變效應(yīng)數(shù)值預(yù)測領(lǐng)域，特別是涉及一種混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的實(shí)體有限元計(jì)算方法。

背景技術(shù)

混凝土的徐變與收縮特性對(duì)混凝土橋梁及其它暴露于干燥環(huán)境下的大體積混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能有顯著影響。以大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁為例，混凝土的時(shí)變特性使橋梁隨服役年限增長而出現(xiàn)跨中撓度增加，預(yù)應(yīng)力損失增大，混凝土抗裂安全儲(chǔ)備降低，影響橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全及耐久性。有必要提高混凝土結(jié)構(gòu)的時(shí)變效應(yīng)預(yù)測精度，以減小橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營期內(nèi)的損傷與病害，降低后期維護(hù)成本，避免結(jié)構(gòu)破壞或垮塌等嚴(yán)重后果。

工程結(jié)構(gòu)分析多采用桿系有限元程序，使用設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的混凝土?xí)r變本構(gòu)特性及徐變效應(yīng)線性疊加算法。但桿系有限元程序不能充分考慮混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的受力特點(diǎn)，例如箱梁剪力滯效應(yīng)，鋼與混凝土間的應(yīng)力重分布等。有必要開發(fā)適用于空間應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)分析的實(shí)體單元，以提高構(gòu)造或受力復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的預(yù)測精度。

使用通用有限元軟件開展混凝土?xí)r變效應(yīng)實(shí)體有限元分析，仍至少存在3處困難。首先，實(shí)體單元徐變理論尚不完善，對(duì)于多軸應(yīng)力工況，徐變泊松效應(yīng)的影響尚不明確。其次，與工程實(shí)踐所用的通用混凝土?xí)r變本構(gòu)銜接難度大。最后，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力歷程和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的預(yù)測精度有待進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的實(shí)體有限元計(jì)算方法，以解決多軸應(yīng)力狀態(tài)和復(fù)雜應(yīng)力歷程下，混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)預(yù)測精度不高，與設(shè)計(jì)規(guī)范的徐變與收縮時(shí)變本構(gòu)銜接不足等技術(shù)難題。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。

一種混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的實(shí)體有限元計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟a：采用逐步法將混凝土的應(yīng)力歷程離散化，推導(dǎo)出第n個(gè)時(shí)段內(nèi)的單軸徐變應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

步驟b：采取線性最小二乘法初步擬合，非線性規(guī)劃求極值法最終擬合的策略，將設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的徐變系數(shù)表達(dá)式擬合成指數(shù)級(jí)數(shù)形式。

步驟c：將徐變系數(shù)擬合表達(dá)式代入單軸徐變應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算式，建立混凝土單軸徐變應(yīng)變?cè)隽窟f推計(jì)算式。

步驟d：考慮多軸應(yīng)力工況的徐變泊松影響，在實(shí)體單元材料本構(gòu)中引入混凝土?xí)r變效應(yīng)遞推計(jì)算式，建立混凝土實(shí)體單元時(shí)變本構(gòu)方程。

步驟e：運(yùn)用Fortran語言在ANSYS軟件的USERMAT子程序中開發(fā)混凝土?xí)r變本構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)力狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力歷程中的時(shí)變效應(yīng)有限元分析。

所述的步驟a中，當(dāng)結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力連續(xù)變化時(shí)，將應(yīng)力歷程劃分為若干個(gè)相互銜接的小過程，在每一個(gè)小過程內(nèi)假定應(yīng)力為常量，并以該應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生徐變，則第n個(gè)時(shí)段內(nèi)的單軸徐變應(yīng)變?cè)隽咳缡?2.1)所示。