1、2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 桥 梁 裂缝分析 崔杰 北京迈达斯技术有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 Part2：检测裂缝分析案例 1. 裂缝分析必要性 2. 分析步骤 3. 建立模型 4. 定义材料非线性本构 5. 定义分析工况 6. 定义输出控制 7. 定义分析控制 8. 查看分析结果 北京迈达斯技术有限公司 内
2、 容 Part 1: 裂缝分析理论 1. 钢筋混凝土模拟 2. 混凝土受拉行为 3. 裂缝模型 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 Part 1：裂缝分析理论 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 1. 钢筋混凝土的模拟 混凝土受拉行为 (Tensile behavior) 混凝土受压行为 (Compressive behavior)
3、混凝土剪切行为 (Shear behavior) 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2. 混凝土的受拉行为 混凝土产生的微观裂缝（ micro-cracking） 混凝土的受拉行为主要受微观裂缝 （ micro-cracks） 形成的控制 (Evans and Marathe 1968; Reinhardt 1984; Rots et al. 1985)。 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear
4、 and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 2. 混凝土的受拉行为 拉伸软化（ Tension softening） 拉应力到达一定受拉极限 ， 附加变形发生在局部区域 ，该区域为断裂过程区 （ Fracture Process Zone） 。 到达受拉极限后 ， 断裂过程区应力减小伴随应变增大 。 应力为 0时 ， 宏观裂缝出现在断裂过程区 。 该现象叫做拉伸软化 。 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2. 混凝土的受拉行为
5、剪力滞留（ Shear retention） 混凝土能够通过骨料间咬合作用与粗糙裂缝面呈垂直方向传递剪力。该特性叫做剪力滞留（ Shear retention）。固定裂缝就是可以考虑该剪力滞留特性的模型，并且曾被广泛地接受。但是，也有该模型在断裂过程中过大评价混凝土强度及刚度的观点。 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 离散模型 (Discrete model) 弥散模型 (Smeared model) 2007.02 MIDA
6、S IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 离散模型 (Discrete model) 假定整个断裂 过程 区位于 一个离散裂缝上（ Hillerborg et at. 1976）。位于该裂缝的断裂过程用应力 -裂缝宽度关系模拟。 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 弥 散模型 (Smeared
7、 model) 假定断裂过程区的非弹性变形分布于裂缝带宽度 (Crack band width) h中 (Baant and Oh 1983, Rots et al.1985)。 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 弥散模型 (
8、Smeared model) 断裂能 为材料的特性，定义为单位面积上产生一个裂缝需要的能量 (Hillerborg 1985)。 假定裂缝带宽度（ Crack band width） h内具有相同的裂缝应变 - 最小无应力 (Stress-free)裂缝宽度 -离散裂缝模型的受拉软化曲线可以转换为可用于弥散裂缝的应力 -应变曲线。 - 最小无应力 (Stress-free)裂缝应变 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 北京 迈达 斯技 术 有限公司 3. 裂缝模拟模型 CEB-F
9、IP 规范断裂能公式 最大骨料粒径为 8、 16、 32时， 分别为 4、 6、 10。 裂缝带宽度 。 - 有限元单元的面积 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 Part 2： 检测 裂缝分析案例 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 周边环境变化可能对桥梁 安全产生影响时，需要对既有桥梁 进行承载能力检测评定。桥梁结构承载能力应按承载能力极限状态及正常使用极限状态
10、进行检算评定。评定的内容应根据桥梁结构的实际情况。其中一项是正常使用极限状态时，结构构件的变形、混凝土构件的开裂情况。 在荷载作用下，为了准确模拟裂缝扩展情况，需要使用有限元仿真程序进行有限元分析。 1. 裂缝分析必要性 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 2. 分析步骤 混凝土发生开裂时，结构已丌再处于弹性状态，而是按非线性发挥其性能。所以，裂缝分析需要考虑材料的非线性特性进行非线性分析。 midas FEA 进行裂缝分析的步骤如下。 建模 定义
11、材料非线性本构 定义分析方法 查看裂缝结果 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 - 导入几何体 建立模型的几何形状及钢束形状是从 midas Civil 程序中，通过“杆系转换为实体 ” 功能导入进来的。当然，也可以在 FEA中画出曲线后扩展或导入 CAD图形后扩展生成。模型是对全桥进行三维仿真分析，所以 可以 把 Civil 中的整桥杆系模型及钢束形状导入进来。 1 3 2 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDA
12、S IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 印 刻支座形状 印刻支座形状到底板上，以便划分网格时，考虑支座形状生成网格。支座形状图形是 CAD中画好，导入进来的。 1 3 2 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 划分实体网格 使用 FEA 中的，自动网格划分功能，将主梁实体划分 3维网格单元。 FEA350版本开始支持自动划分六面体主
13、导的网格。 自动 划分网格时 ， 建议勾选 “ 自适应播种 ” 选项 。 在选择的面的边界上单元的分割不是很准确时将不能正确模拟几何体 ， 此时如果满足自适应播种条件 ， 则程序将忽略原来的播种设置而按自适应播种条件分割单元 。 1 3 2 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 特性及材料定义 定义混凝土及预应力钢筋的特性及材料。 此处定义的混凝土特性号应该与自动划分网格时指定的特性号一致 。 否则 ， 混凝土特性将不能与混凝土实体单
14、元相匹配 。 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 特性及材料定义 定义混凝土及预应力钢筋的特性及材料。 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 特性及材料定义 定义支座从属节点不主节点相连的刚性连接特性。在 FEA中连接及弹簧是按照单元去定义。所以，需要给连接定义特性。 将
15、支座形状的中心设为主节点 ， 形状内除主节点外的所有节点设为从属节点 ， 采用刚性连接模拟的方式是较常用边界模拟方法 。 认为支座形状上所有位置抵抗外力的刚度一致 。 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 建立钢筋单元 通过，“自动网格线”功能，自动划分钢束曲线的 1维网格，并指定前面定义的钢束特性。 建立钢筋单元或预应力钢筋单元时 ， 需勾选 “ 强化 ” 选项 。 1 3 2 4 5 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02
16、 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 建立钢筋单元 利用建立连接单元功能，将支座位置上的主节点不从属节点用刚性连接相连。 1 3 2 4 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 定义边界条件 利用约束功能，定义主梁的边界条件。 1 3 2 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA
17、 Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 定义 荷载 定义结构的自重及预应力钢筋的预应力。 1 3 2 4 5 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 3. 建立模型 定义 荷载 利用压力功能及任意线荷载功能定义铺装及护栏的均布荷载。 1 3 2 4 5 1 3 2 4 5 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced N
18、onlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 对于桥梁结构检算的汽车荷载，检测规范规定桥梁需要通过特殊重型车辆荷载，重车效应大于设计荷载效应时，按重车实际载重检算。本例题中使用城市规范的特 -160重车进行了加载。根据 Civil中分析得到重载下跨中弯矩最大时的影响线，通过“移动荷载追踪器确定加载位置。然后，按照加载位置在 FEA 中以任意点荷载形式施加在模型上。 定义完任意荷载后 ， 需要在荷载目录树上 ， 选中荷载后 ， 右键点击“ 将荷载转换到节点 ” ，这样荷载才能够以节点荷载真正施加在模型上 。 1 4 3 2 5 6 3. 建立模型 定义 荷载 北京
19、 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 4. 定义 材料非线性本构 混凝土 的裂缝分析方法有 离散裂缝模型 (discrete crack model)和 弥散裂缝 模型 (smeared crack model)。 离散裂缝模型用以裂缝为边界的互相分离的单元 模拟 ， 弥散裂缝模型认为裂纹呈分散分布状态 ， 在裂纹位置单元丌分离 。 优 点：模 拟 裂 缝 引起的 不 连续 、钢 筋 破坏 及 滑移 缺点：分析精确度受 输 入特性 的影 响较 大，建模相
20、 对 复杂 假定局部裂 缝 分布 较 大面 ， 适合 用于 钢 筋布置较 多的 钢 筋混凝土 结构 优 点：建模相 对 简单 北京 迈达 斯技 术 有限公司 2007.02 MIDAS IT MIDAS FEA Advanced Nonlinear and Detail Analysis 桥 梁裂 缝 分析 不分离 各 种应变 而是使用 总 应变 。裂 缝 受 压 、受 拉 分析各使用一 个应 力 -应变 关 系。 优 点： 易理解 计 算 过 程、 输 入特性 较 简单 、 易 工程 应 用 将总应变 分解 为 材料 应变与 裂 缝应变 。 缺点： 计 算 过 程 较 复杂 ， 决 定 特性 较 难 ，收 敛 性 较 差 。 弥散裂缝模型根据应变计算方法分为分散应变模型不总应变模型 。 弥散裂 缝 模型 分解 应变 模型 总 应变 模型 4. 定义 材料非线性本构 北京 迈达 斯技 术 有限公司
