【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢筋混凝土结构数值模拟方法领域，特别涉及一种钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法及系统。
技术介绍
1、钢筋混凝土结构因其可模性高、承载能力强等特点，加上取材方便、成本可控等优势，在房屋建筑、铁路桥隧等领域中得到了广泛的应用。其中，钢筋与混凝土之间具有良好的粘结性能是保证钢筋混凝土构件充分发挥其力学性能的前提。然而，在大震、超载等工况下，钢筋混凝土结构中钢筋会发生脱粘和滑移，进一步降低结构力学性能。可见，为了更充分的分析钢筋混凝土结构在复杂荷载作用下的受力性能，两者之间界面性能的考虑必不可少。
2、有限元分析方法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法，由于具有低成本、可观察内部应力等优势而被人们广泛使用。在过去的几十年里，为了考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移效应，当今学者们已经建立了很多粘结滑移数值模型，这些既有粘结滑移数值模型可以分为嵌入型和离散型两类。嵌入模型通过修改钢筋或混凝土的材料属性，间接考虑粘结滑移的影响，计算效率较高，多用于大型结构计算。钢筋材料制定恢复力模型的同时，将粘结滑移与钢筋的材性一并考虑。但是该方法主要用于纤维模型分析中，在实体单元分析中往往无法得到预期的效果。
3、随着数值模拟工作的进一步推进，离散模型应运而生，即在钢筋与混凝土连接处增加连接或界面单元，并对该单元赋予钢筋与混凝土间的粘结滑移关系。部分学者采用连接模型模拟了钢筋混凝土结构中的粘结滑移性能，即在钢筋与混凝土有限元模型的共用节点上添加线弹性弹簧，通过弹簧约束节点间的相对位移来体现粘结的影响。该模型中
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术的不足，公开了一种新型钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法。
2、一种钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其步骤如下：
3、步骤1：基于实际工况在有限元软件中建立钢筋混凝土构件有限元模型，并对其进行网格划分后形成网格模型，提交计算作业，生成有限元软件求解文件；
4、步骤2：在有限元软件求解文件中添加界面单元，所述界面单元为自定义单元，并输入自定义单元的单元编号和节点编号；
5、步骤3：基于实际钢筋和混凝土材料参数，在有限元软件求解文件自定义单元信息中输入钢筋与混凝土轴向粘结应力-滑移关系曲线中的特征点参数、钢筋直径和纤维特征参数；
6、步骤4：设定所述自定义单元在局部坐标系下单元刚度矩阵、坐标转换矩阵和残差；
7、步骤5：在有限元软件中提交求解文件，并基于所述步骤4中设定的自定义单元在局部坐标系下单元刚度矩阵、坐标转换矩阵和残差进行计算。
8、进一步地，所述步骤1中建立钢筋混凝土构件有限元模型时，主要受力纵筋和混凝土均采用实体单元，其余钢筋采用桁架单元，主要受力纵筋无需建立钢筋肋；所述网格模型在几何上接触的钢筋与混凝土单元共节点。
9、进一步地，所述步骤2中界面单元为四节点零厚度单元，设置输入参数和求解过程中变量的个数，激活x，y和z三个方向的平动自由度；所述界面单元在有限元软件求解文件中先设定单元编号，再设定四个节点编号，其中节点1和节点4为混凝土单元，节点2和节点3为钢筋单元。
10、进一步地，所述输入参数的个数根据实际需要设置，包括钢筋直径、纤维特征参数、混凝土立方体抗压强度、初始粘结刚度以及钢筋中点整体坐标即除轴向方向外的两个坐标轴中的坐标值。
11、进一步地，所述步骤4中局部坐标系下单元刚度矩阵为12阶方阵，其包括界面单元在局部坐标系下u，v和w三个方向的刚度；所述坐标转换矩阵为12阶方阵，让自定义单元在局部坐标系下的单元刚度矩阵转换为整体坐标系下的单元刚度矩阵；所述残差为12行1列的矩阵，计算方法为外力减去内力，外力由有限元软件自动计算，内力为整体坐标系下单元刚度矩阵乘以单元位移矩阵。
12、进一步地，整体坐标系下单元刚度矩阵与局部坐标系下单元刚度矩阵转换关系如式(1)所示，两者无坐标轴重合时的单元转换矩阵如式(2)和(3)所示；
13、[k]＝[r]t·[klocal]·[r] (1)
14、
15、
16、式中，[k]为整体坐标系下单元刚度矩阵，[kloacl]为局部坐标系下单元刚度矩阵；[r]为单元坐标转换矩阵，[r1]、[r2]、[r3]和[r4]分别为1到4号节点的坐标转换矩阵；ux到wz分别为节点局部坐标系下坐标轴对总体坐标系下坐标轴的方向余弦。
17、进一步地，所述局部坐标系下单元刚度矩阵由局部坐标系下u，v和w三个方向的刚度矩阵组装得到，其中u方向刚度矩阵为轴向粘结应力与滑移值关系，v方向刚度矩阵为径向应力与滑移值关系，其中滑移值取关系曲线的割线刚度，w方向刚度矩阵为钢筋扭转方向的刚度，如式(4)-(6)所示，以上三个方向的刚度矩阵按全局坐标法组装后即可得到在局部坐标系下单元刚度矩阵：
18、
19、
20、
21、式中，[kw]、[kv]和[ku]分别为界面单元在局部坐标系下轴向、径向和扭转三个方向的刚度矩阵；kw、kw和ku分别为界面单元在局部坐标系下轴向、径向和扭转三个方向的刚度；d为钢筋直径；l为界面单元在粘结方向上长度。
22、进一步地，所述轴向粘结应力和滑移值关系如式(7)-(10)所示；轴向粘结应力和径向应力关系如式(11)所示；所述钢筋扭转方向的刚度设定为预设值，
23、
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28、式中，τ为钢筋与混凝土之间的轴向粘结应力，τpeak为钢筋与混凝土之间的峰值粘结应力；s为滑移值，spwak为峰值粘结应力对应的滑移值；eb为初始粘结刚度；m为形状参数；λf,n为纤维特征参数，其为纤维体积掺量与纤维长径比相乘；cn和dn分别为纤维的掺入对界面峰值点滑移和对应粘结应力的增强系数，可按试验数据进行拟合得到。特别地，当n＝0时，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步骤1中建立钢筋混凝土构件有限元模型时，主要受力纵筋和混凝土均采用实体单元，主要受力纵筋无需建立钢筋肋，其余钢筋采用桁架单元；所述网格模型在几何上接触的钢筋与混凝土单元共节点。
3.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步骤2中界面单元为四节点零厚度单元，设置输入参数和求解过程中变量的个数，激活X，Y和Z三个方向的平动自由度；所述界面单元在有限元软件求解文件中先设定单元编号，再设定四个节点编号，其中节点1和节点4为混凝土单元，节点2和节点3为钢筋单元。
4.根据权利要求3所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述输入参数的个数根据实际需要设置，包括钢筋直径、纤维特征参数、混凝土立方体抗压强度、初始粘结刚度以及钢筋中点整体坐标即除轴向方向外的两个坐标轴中的坐标值。
5.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步
6.根据权利要求5所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：整体坐标系下单元刚度矩阵与局部坐标系下单元刚度矩阵转换关系如式(1)所示，两者无坐标轴重合时的单元转换矩阵如式(2)和(3)所示；
7.根据权利要求5所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述局部坐标系下单元刚度矩阵由局部坐标系下U，V和W三个方向的刚度矩阵组装得到，其中U方向刚度矩阵为轴向粘结应力与滑移值关系，V方向刚度矩阵为径向应力与滑移值关系，其中滑移值取关系曲线的割线刚度，W方向刚度矩阵为钢筋扭转方向的刚度，如式(4)-(6)所示，以上三个方向的刚度矩阵按全局坐标法组装后即可得到在局部坐标系下单元刚度矩阵：
8.根据权利要求7所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述轴向粘结应力和滑移值关系如式(7)-(10)所示；轴向粘结应力和径向应力关系如式(11)所示；所述钢筋扭转方向的刚度的预设值大于等于105Mpa；
9.一种钢筋-混凝土界面单元的数值建立系统，其特征在于：包括：
...【技术特征摘要】
1.一种钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步骤1中建立钢筋混凝土构件有限元模型时，主要受力纵筋和混凝土均采用实体单元，主要受力纵筋无需建立钢筋肋，其余钢筋采用桁架单元；所述网格模型在几何上接触的钢筋与混凝土单元共节点。
3.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步骤2中界面单元为四节点零厚度单元，设置输入参数和求解过程中变量的个数，激活x，y和z三个方向的平动自由度；所述界面单元在有限元软件求解文件中先设定单元编号，再设定四个节点编号，其中节点1和节点4为混凝土单元，节点2和节点3为钢筋单元。
4.根据权利要求3所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述输入参数的个数根据实际需要设置，包括钢筋直径、纤维特征参数、混凝土立方体抗压强度、初始粘结刚度以及钢筋中点整体坐标即除轴向方向外的两个坐标轴中的坐标值。
5.根据权利要求1所述的钢筋-混凝土界面单元的数值建立方法，其特征在于：所述步骤4中局部坐标系下单元刚度矩阵为12阶方阵，其包括界面单元在局部坐标系下u，v和w三个方向的刚度；所述坐标转换矩阵为12阶方阵，让自定义单元...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄乐，童治豪，徐礼华，余春雷，池寅，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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