新的LUSAS混凝土材料模型

新的LUSAS混凝土材料模型使得可以模拟混凝土结构失效的非线性的应力/应变行为。同时也可以考虑周期荷载。在业内，该模型被许多人看作为为如果不是目前有效的混凝土材料模型中的领先者也是其中之一。

• 它已经在热力学的常规框架下得到了发展，并允许建立素混凝土结构，钢筋混凝土结构以及后张法预应力混凝土结构的模型。

• 它可以模拟在指数软化下多个非正交的断裂，该软化可以与断裂能量参数，或者一个固定的应变限制参数联系起来。断裂能量方法适合于局部的断裂（例如大体积混凝土），限制应变的方法适用于分布式的断裂（例如钢筋混凝土）。

• 它可以模拟剪切区（由于骨料咬合产生的）和压缩区的裂缝闭合情况。这使得可以模拟一个结构在经受往复荷载作用下的反应。本模型也可以模拟由**个断裂应力的减小产生的压挤引起的开裂退化的扩散。

• 它可以模拟压缩和合并一个三轴破坏面的非线性行为，以及非线性的摩擦硬化和软化。二轴和三轴破坏面都能与实验确定的包络线精确地吻合。

• 它要求相对较少的材料参数，而且每一个参数可以直接与一个物理特性有关。如果对于某一个项目没有测试数据，那么一些参数可以用CEB FIB 1990模型标准来确定。

• 二次收敛确保了迭代次数的*小化，这就使得当与先前的以及其它的混凝土模型比较的时候，可以在很大程度上减少问题解决的时间。

表示开裂面发展的钢筋混凝土梁的应力结果图

背景

混凝土的数值模拟已经有了三十多年的历史，在这段时间内无论是在本构模型的基础理论方面，还是在为混凝土分析的有限元代码的实用性方面都取得了相当大的进步。新的LUSAS混凝土模型的发展已经将模拟混凝土开裂和收缩的分析能力延伸到了一个新的层次，并且可以以一致的和稳健的方式来模拟一系列完整的在下工作的混凝土特性行为。在业内，该模型被许多人看作为如果不是目前有效的混凝土材料模型的领先者也是其中之一。

破坏面

当解释破坏类型和表示在压缩状态下的混凝土行为特性的三轴摩擦反应的时候，LUSAS的混凝土模型以一种集中的方式来模拟方向性的开裂，开裂闭合，以及剪切接触（或骨料咬合）的行为。为了在热力学的一致框架下达到所有这些目的，模型计算在受载过程中在某一方向上固定的一个点上的方向破坏面。然而，源于模型中用来预测方向性损伤的问题是，在其它方向的强度保持不变的情况下，怎样去模拟某一方向上的全部强度损失。众所周知，这个以及其它的难点在于涉及到了混凝土材料模型的开发，一些存在已久的混凝土材料模型为这些问题提供了解决办法，然而，并不同于LUSAS的混凝土模型，它们不重视怎样恰当地去模拟已经形成的巨大裂缝的剪切行为或完全三维的行为。

在LUSAS的混凝土材料模型中嵌入的破坏接触面已经通过一个热学的一致塑性破坏框架将其与一个塑性的组件结合在一起了。

模型的必要元素是有：

• 一个局部的应力应变关系，在这里是一个破坏接触的模型。

• 一个可以计算出局部应变的函数，这样同时满足了局部和整体的本构关系。这被称作是整体-局部函数。

• 一个用来模拟摩擦行为和三轴限制强度增长的三轴塑性组件。

• 一个热学的一致全局应力-应变关系

• 模型已经在隐含的应力恢复---一致切线矩阵算法方面得到了发展

应用

FIB公布了45个钢筋混凝土结构的有限元模型的开发者向导。声明：“钢筋混凝土有限元分析的目前发展水平已经发展到了这种程度---有限元程序已经接近于成为办公室设计工程师的日常实用工具。它们不再单单属于研究者的领域了，它们在各个领域都有广泛的应用。一些应用与我们的老化基础设施有关。非线性的计算机分析程序可以用于提供可靠的强度评估，破坏或恶化的结构整体性评估，或者按照被今天看来是有缺陷的以前的规范，标准或做法建造起来的结构的评估。它们可以作为从改型过的结构中评估预期行为的实用工具，或是从各种整修方案中进行研究和理性选择的实用工具。”

使用LUSAS的非线性混凝土材料模型可以帮助我们能更好地为老化的结构做评估以及对结构资产的设计和长期管理。

验证测试试验

在LUSAS混凝土材料模型的开发阶段以及当它包含在LUSAS中之后，许多验证和质量保证测试的案例都被用于通过对比试验的和理论的结果来检验它的应用性。下面展示了这些已经开展过的案例中的三个例子：

• 由Barr和Brokenshire进行的刻痕试验

• 由Bresler和Scordelis进行的钢筋混凝土梁试验

• 由Arrea和Ingraffea进行的单边凹口梁试验

由Barr和Brokenshire进行的凹口试验

这个扭转破坏试验通过扭曲一个切口试样来逐步形成一个裂缝。开裂口的开展宽度（CMDD）是在凹口的开裂口表面测量的，也就是垂直于开裂口。通过结果图像中试验的和LUSAS计算的结果（红色的）的比较可以看出，两者取得了很好的相关性。

由Bresler和Scordelis进行的钢筋混凝土梁试验

在这个二维分析中，梁是两端简支的并受到一个中心点负载。梁中有两层纵向的钢筋，但没有抗剪的钢筋。由于梁的对称性，只是模拟了一半的梁。从新的LUSAS混凝土材料模型（红色显示的模型94）中得到的结果比以前更加接近试验数据了。

半横梁的模型	荷载矢量位移曲线
由Arrea和Ingraffea进行的单边凹口梁试验 这个由Arrea和Infraffea进行的单边凹口梁试验已经被许多研究者用来评估他们的模型（例如Rots 和de Brost，Rots，Tano等），并且用于展示沿着单元局部坐标系统的方向裂缝开展的路径。这个分析是通过一个弧长的方法来控制的，主要荷载是作用在上边缘的一小块地方，如图所示。从结果图可以看出相关性是很好的。
模型示意图和展示中间介质分级加载产生的开裂面和受压区的结果图