基于内聚力模型的钢筋混凝土梁断裂模拟

胡 响，武 杰*，张宝虎

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.天津市公路工程总公司，天津 300401)

目前，桥梁作为中国公路与铁路中的重要组成部分，在经济和国防中的地位和作用也越来越突出。随着使用时间的不断延长，材料出现损伤和老化等问题，导致桥梁结构开裂。裂缝的存在直接影响结构的安全性[1]。通过数值模拟的方法来模拟钢筋混凝土桥梁的裂纹扩展和计算桥梁结构的承载力，对于现役桥梁的安全状态评估有着非常重要的意义。

有限元法作为当前数值模拟的主流方法之一，对解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径[2]，以有限元为框架发展起来的混凝土断裂模拟方法主要有离散裂缝模型和弥散裂缝模型。文龙飞等[3]提出的改进型扩展有限元法虽然解决了传统扩展有限元法中总体方程高度病态[4]和计算收敛性问题，但是仍然没有解决扩展有限元法不能多裂缝联合扩展问题[5-6]。弥散裂缝模型通过降低单元刚度直至为零，来达到模拟开裂的效果。损伤在裂缝区的影响会由于网格的大小和方向的不同而造成不同程度的弥散，模拟钢筋混凝土结构中的裂缝效果与真实裂缝存在差异[7]。Molnar等[8]利用鲁棒交错方案使传统相场理论在ABAQUS上得到实现，解决了计算裂缝扩展需要单独的标准框架与断裂准则问题；Wu等[9]提出的统一相场理论，解决了传统相场理论基于牛顿法的单块算法[10-11]在求解耦合控制方程时的性能问题以及计算混凝土裂缝扩展误差过大的现象，但由于裂纹带内损伤分布所需的精细分辨率，该方法计算成本过大，使得该方法局限于理论和小规模问题[8，12]。……