基于abaqus中cohesive element 对钢筋混凝土粘结性能的研究

本文通过引入描述裂缝和断裂失效的界面单元，

采用分离式模型，

按空间轴对称的方法，

引入

cohesive element

模型，

利 用通用有限元

abaqus

对文献中试验得到的荷载一位移曲线 进

行数值模拟。

1

．界面单元

1.1

界面单元介绍

基于界面相对位移和应力之间关系 建立的的界面单元能够有效地模拟钢筋和混凝土界

面的力学行为，

对于钢筋和混凝土之间的界面，

更为实用的操作是将界面单元视为零厚度界

定义界面上各点的相对位移向量为，通过单元节点差值可得到，

,

分别为界面单元第个上表面节点 和下表面节点在方向的位移，为拉格朗日差值函数。

由于单元的形函数及数值积分一般都是在单元的局部坐标下 进行的，需要将相对位移向

量转化到局部坐标中描述，因此相对位移向量可以采用下式进 行转换

,

为由局部坐标系单位矢量组成的转换张量，

界面单元的本构方程可以表达为，

是

Kro necker

乘子，由于界面层非常薄，界面处法向上的变形非常小，对切向变形影响< /p>

较小，可简化计算，故采用非耦合的本构张量；为界面单元本构张量，表征界面单元开裂、

裂纹发展等力学行为，需要指出的是，不同于其他实体单元，本构张量系数为惩罚刚度。

由虚功原理得，

将代入得，

由得，

其中单 元刚度矩阵

K

为，

由于界 面单元的力学特征非常复杂，

上式的积分策略需要仔细选取以避免界面应力扰动

现象，

o

和

Newton- cotes

全积分求解上式。

1.2

钢筋混凝土界面单元的本构模型

对于钢筋一混凝土界面，提出如下本构模型的界面单元来模拟 粘结。在切向、法向上，

单元本构关系分别采用如下图

1

所示双线性本构关系，法向上不计压缩对单元的损伤。

2.< /p>

钢筋混凝土界面单元在

Abaqus

中的 实现

2.1 Cohesive element

内聚力单元

（

cohesive el ement

）主要是模拟裂纹的产生和扩展，应用

cohesi ve

单元模拟

复合材料失效，

包括两种 模型：

一种是基于

traction-separation< /p>

描述；

另一种是基于连续体描

述。其中基 于

traction- separation

描述的方法应用更加广泛。

对于钢筋与混凝土界面单元采用基于

traction-sep aration

描述的方法更为合适，

最常用的

本构模型为图

1

所示的双线性本构模型。

注意图中纵坐标为应力，

而横坐标为位移，

因此线< /p>

弹性段的斜率代表的实际是

cohesive

单元的刚度。

曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放

率。

因此在定义

cohesive

的力学性 能时，

实际就是要确定上述本构模型的具体形状：

包括刚

度、极限强度、以及临界断裂能量释放率，或者最终失效时单元的位移。

2.2

损伤准则（初始损伤准则）

初始损伤对应于材料开始退化，< /p>

当应力或应变满足于定义的初始临界损伤准则，

则此时