混凝土强度理论及非线性分析-毛小勇-第一讲
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混凝土结构非线性分析
毛 小 勇
2012年9月
主要内容
概述 混凝土的本构关系 混凝土的强度准则 混凝土截面的弯矩曲率关系 钢筋混凝土构件有限元分析 框架结构的非线性全过程分析 有限元软件简介
概述
参考文献 混凝土非线性种类 钢筋混凝土结构非线性分析的意义
钢筋混凝土结构设计理论发展的主要趋向 钢筋混凝土结构有限元分析的特点与现状 课程目的和要求
参考文献
钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用 （吕西林、金国芳、吴晓涵） 钢筋混凝土非线性分析（朱伯龙、董振祥） 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 （江见鲸） 钢筋混凝土非结构线性分析（何政、欧进萍） 钢筋混凝土抗震结构非线性分析 （张新培） 混凝土非线性力学基础 （董毓利）
相关研究论文------ 结合课题，文献阅读
第—个阶段（1967—1977年）：
在这个阶段中，在Ngo和scordelis的工作基础上，还提出了分布裂缝 (Smeared Crack Model)模式 ；
第二个阶段（1977一1985年）：
一方面是单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论，裂缝的模 拟和拉伸强化，骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。 另一方面是系统性的总结和交流工作 ；
钢筋混凝土结构设计理论 发展的主要趋向
早期：极限强度理论
极限强度理论（1886）－线弹性（允许应力法，半个多世纪）－极限强度理论
70年代开始：
（1）基于材料简单本构模型、构件层次的非线性分析 （2）基于混凝土塑性铰理论的混凝土连续梁和简单框架结构的极限状态 设计方法 （3）考虑塑性内力重分布的弯矩调幅方法
Leabharlann Baidu
目前：计算机技术+有限元技术
基于非线性有限元分析的设计，含静力、动力、接触……
钢筋混凝土结构设计理论 发展的主要趋向
复杂和多样的混凝土本构模型
多种能够反映混凝土构件特点的单元模式
较先进的迭代控制方法 结构整体非线性分析（考虑几何和材料非线性）
有限元方法进行钢筋混凝土结构的 非线性分析的优点
(1) 可以在计算模型中反映混凝土和钢筋材料的非线性特性； (2) 可以考虑、模拟钢筋与混凝土之间的粘结； (3) 可以在一定程度上模拟节点的构造和边界条件； (4) 可以提供大量的结构反应信息。例如应力、变形的全过程，结构开裂以后的 各种状态。借助于先进的计算机图形显示技术，还可以直观地看到结构受荷
软件使用手册------ SAP、Ansys、Abaqus、Adina……
混凝土非线性种类
材料非线性 几何非线性 状态非线性
钢筋混凝土结构非线性分析的意义
(1) 混凝土结构在正常使用状态下已经开裂而进入非线性状态，这时用弹性分 析方法求得纳结构内力和变形就不能反映结构的实际工作状态。 (2) 传统的线弹性结构分桥不能反映钢筋与混凝土之间的粘结滑移现象。 (3) 在内力分析按弹性计算，而构件截面设计却按极限状态进行计算，导致内 力分析和截面设计的结果都不能反映结构的实际受力状态，造成了钢筋混凝 土结构内力分析和截面设计的严重脱节。 (4) 节点和连接理想化为刚接(例如框架)或者铵接(例如衍架)均不能反映节点的 复杂受力状态和变形情况。 (5) 在长期荷载作用下，混凝土会产生一定的徐变变形，结构的内力和变形发 生了变化，按弹性分析求得的内力和变形就不能反映实际情况了。
钢筋混凝土结构有限元分析的 发展现状
美国学者D．Ngo和A．C．Scordelis最早把有限元分析方法应用于钢筋 温凝土简支梁的抗剪分析(1967年)： 三角形单元，平面应力问题和线弹性理论； 钢筋和混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹 簧，从而可以分析粘结应力的变化情况； 提出了离散裂缝(Discrete Cracks)的模式，即在梁中预先设置裂缝， 裂缝两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的联结弹簧，以模拟混凝 土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销拴作用。
第三个阶段（1985年-现在）：
这段时期，除在混凝土的本构关系的表述和试验研究方而继续进行 更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实 用方向发展，努力把现有的分析方法与工程设计结合起来。
学习要点和要求
1、认识混凝土材料的非线性性能 2、学习非线性分析基本方法 3、培养科学研究的方法和思路 4、掌握混凝土非线性分析的软件
载后从弹性变形到开裂、破坏的全过程，为进行合理的设计提供形象的依据；
(5) 可以部分代替试验，进行大量的参数分析，为制定设计规范和标准提供依据。
钢筋混凝土结构有限元分析的 特点与现状
(1)需要模拟混凝土的开裂和裂缝发展过程，特别是在反复荷载作用下裂缝的开 裂和闭合过程。 (2)需要在模型中适当地反映钢筋与混凝土之间的粘结和滑移机理。
(3)需要模拟混凝土材料在达到峰值应力以后的性能，因为一个部位的混凝土达
到峰值应力并不能说明整个结构达到极限状态。同理，也应模拟钢筋屈服以后 的性能。 (4)对于复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性问题与几何非线性问题同时存在， 使得计算分析的难度大大增加。 (5)分析结果强烈地依赖于混凝土材料和钢筋材料的本构关系以及钢筋与混凝土 之间钻结滑移的本构关系。因此对上述本构关系的深入研究和全面正确的描述 是保证钢筋混凝土有限元分析结果正确可靠和能应用于工程实际的基本条件。
考核
1、学习报告------自学部分 2、算例分析------构件、结构 3、小论文------结合课题研究
毛 小 勇
2012年9月
主要内容
概述 混凝土的本构关系 混凝土的强度准则 混凝土截面的弯矩曲率关系 钢筋混凝土构件有限元分析 框架结构的非线性全过程分析 有限元软件简介
概述
参考文献 混凝土非线性种类 钢筋混凝土结构非线性分析的意义
钢筋混凝土结构设计理论发展的主要趋向 钢筋混凝土结构有限元分析的特点与现状 课程目的和要求
参考文献
钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用 （吕西林、金国芳、吴晓涵） 钢筋混凝土非线性分析（朱伯龙、董振祥） 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 （江见鲸） 钢筋混凝土非结构线性分析（何政、欧进萍） 钢筋混凝土抗震结构非线性分析 （张新培） 混凝土非线性力学基础 （董毓利）
相关研究论文------ 结合课题，文献阅读
第—个阶段（1967—1977年）：
在这个阶段中，在Ngo和scordelis的工作基础上，还提出了分布裂缝 (Smeared Crack Model)模式 ；
第二个阶段（1977一1985年）：
一方面是单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论，裂缝的模 拟和拉伸强化，骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。 另一方面是系统性的总结和交流工作 ；
钢筋混凝土结构设计理论 发展的主要趋向
早期：极限强度理论
极限强度理论（1886）－线弹性（允许应力法，半个多世纪）－极限强度理论
70年代开始：
（1）基于材料简单本构模型、构件层次的非线性分析 （2）基于混凝土塑性铰理论的混凝土连续梁和简单框架结构的极限状态 设计方法 （3）考虑塑性内力重分布的弯矩调幅方法
Leabharlann Baidu
目前：计算机技术+有限元技术
基于非线性有限元分析的设计，含静力、动力、接触……
钢筋混凝土结构设计理论 发展的主要趋向
复杂和多样的混凝土本构模型
多种能够反映混凝土构件特点的单元模式
较先进的迭代控制方法 结构整体非线性分析（考虑几何和材料非线性）
有限元方法进行钢筋混凝土结构的 非线性分析的优点
(1) 可以在计算模型中反映混凝土和钢筋材料的非线性特性； (2) 可以考虑、模拟钢筋与混凝土之间的粘结； (3) 可以在一定程度上模拟节点的构造和边界条件； (4) 可以提供大量的结构反应信息。例如应力、变形的全过程，结构开裂以后的 各种状态。借助于先进的计算机图形显示技术，还可以直观地看到结构受荷
软件使用手册------ SAP、Ansys、Abaqus、Adina……
混凝土非线性种类
材料非线性 几何非线性 状态非线性
钢筋混凝土结构非线性分析的意义
(1) 混凝土结构在正常使用状态下已经开裂而进入非线性状态，这时用弹性分 析方法求得纳结构内力和变形就不能反映结构的实际工作状态。 (2) 传统的线弹性结构分桥不能反映钢筋与混凝土之间的粘结滑移现象。 (3) 在内力分析按弹性计算，而构件截面设计却按极限状态进行计算，导致内 力分析和截面设计的结果都不能反映结构的实际受力状态，造成了钢筋混凝 土结构内力分析和截面设计的严重脱节。 (4) 节点和连接理想化为刚接(例如框架)或者铵接(例如衍架)均不能反映节点的 复杂受力状态和变形情况。 (5) 在长期荷载作用下，混凝土会产生一定的徐变变形，结构的内力和变形发 生了变化，按弹性分析求得的内力和变形就不能反映实际情况了。
钢筋混凝土结构有限元分析的 发展现状
美国学者D．Ngo和A．C．Scordelis最早把有限元分析方法应用于钢筋 温凝土简支梁的抗剪分析(1967年)： 三角形单元，平面应力问题和线弹性理论； 钢筋和混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹 簧，从而可以分析粘结应力的变化情况； 提出了离散裂缝(Discrete Cracks)的模式，即在梁中预先设置裂缝， 裂缝两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的联结弹簧，以模拟混凝 土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销拴作用。
第三个阶段（1985年-现在）：
这段时期，除在混凝土的本构关系的表述和试验研究方而继续进行 更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实 用方向发展，努力把现有的分析方法与工程设计结合起来。
学习要点和要求
1、认识混凝土材料的非线性性能 2、学习非线性分析基本方法 3、培养科学研究的方法和思路 4、掌握混凝土非线性分析的软件
载后从弹性变形到开裂、破坏的全过程，为进行合理的设计提供形象的依据；
(5) 可以部分代替试验，进行大量的参数分析，为制定设计规范和标准提供依据。
钢筋混凝土结构有限元分析的 特点与现状
(1)需要模拟混凝土的开裂和裂缝发展过程，特别是在反复荷载作用下裂缝的开 裂和闭合过程。 (2)需要在模型中适当地反映钢筋与混凝土之间的粘结和滑移机理。
(3)需要模拟混凝土材料在达到峰值应力以后的性能，因为一个部位的混凝土达
到峰值应力并不能说明整个结构达到极限状态。同理，也应模拟钢筋屈服以后 的性能。 (4)对于复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性问题与几何非线性问题同时存在， 使得计算分析的难度大大增加。 (5)分析结果强烈地依赖于混凝土材料和钢筋材料的本构关系以及钢筋与混凝土 之间钻结滑移的本构关系。因此对上述本构关系的深入研究和全面正确的描述 是保证钢筋混凝土有限元分析结果正确可靠和能应用于工程实际的基本条件。
考核
1、学习报告------自学部分 2、算例分析------构件、结构 3、小论文------结合课题研究