(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111521882.2 (22)申请日 2021.12.13 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114254534 A (43)申请公布日 2022.03.29 (73)专利权人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 李顺龙　崔洪涛　李忠龙　郭亚朋　 王鑫　 (74)专利代理 机构 哈尔滨龙 科专利代理有限公 司 23206 专利代理师 冯建 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01)G06F 30/13(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 119/14(2020.01) 审查员 王希 (54)发明名称 一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构 模型计算方法 (57)摘要 一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构 模型计算方法， 涉及一种钢筋混凝土桥梁非线性 破坏的建模 方法。 获取混凝土和钢筋的材料力学 性能； 建立单轴受力的钢筋混凝土立方体单元， 分解为一维轴向受力单元和二维法向受力单元， 分别计算钢筋对混凝土的加强系数并得到弹性 模量； 分别对 单轴受力的钢筋混凝土立方体单元 进行受拉和受压应力应变曲线的修正， 对损伤演 化参数进行修正， 得到修正后的本构关系曲线； 应用于有 限元中建立三维实体非线性有 限元模 型， 进行钢筋混凝土结构塑性损伤及承载能力的 计算。 考虑钢筋对混凝土的加强系数， 同时提出 修正的钢筋混凝土本构模型， 能够高效、 准确的 评估实际桥梁的极限承载能力。 权利要求书4页 说明书7页 附图4页 CN 114254534 B 2022.09.16 CN 114254534 B 1.一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法， 其特征在于： 所述计算方 法包括以下步骤： 步骤1： 获取 结构中混凝 土和钢筋的材 料力学性能； 步骤2： 建立单轴受力的钢筋混凝土立方体单元， 以混凝土作为基础材料， 钢筋作为辅 助加强效应材料， 假设钢筋的加强效应均匀弥散到混凝土中形成三维正交单元， 将其分解 为一维轴向受力单元和二维法向受力单元， 分别计算钢筋对混凝土的加强系 数， 得到单轴 受力的钢筋混凝 土立方体单 元的弹性模量： 其中， κ 为 三维钢筋加强系数 κ ＝κ1+κ2‑1＝( α‑1)es1+κ21/[(1‑es2)κ21+es2] α ＝Es/Econ为钢筋与混凝土弹性模量之比， Es为钢筋弹性模量， Econ为混凝土弹性模量， κ1为一维钢筋加强系数， κ2为二维钢筋加强系数， κ21为加筋层配筋 率， es1为一维轴向受力单 元的配筋率， es2为二维法向受力单 元的配筋率； 步骤3： 分别对单轴受力的钢筋混凝土立方体单元进行受拉和 受压应力应变曲线的修 正， 受拉应力应变曲线修正时考虑拉伸峰值应力以及钢筋屈 服应力的方程约束条件， 受压 应力应变曲线修正时考虑钢筋对混凝土单元的约束， 基于 《混凝土结构设计规范(GB50010 ‑ 2010)》 ， 假设混凝土开裂过程中不发生钢筋损伤且钢筋与混凝土不产生相 对滑移， 对损伤 演化参数进行修 正， 得到修 正后的本构关系曲线： 受拉损伤演化 参数按如下公式计算： 受压损伤演化 参数按如下公式计算： 拉应力σt按如下公式计算： 压应力σc按如下公式计算： 式中E0为素混凝土初始弹性模量， θ＝0.075ρs/ds， ρs为钢筋配筋率， ds为钢筋直径， ft为 拉伸峰值应力， εt为单轴受力的钢筋混凝土 立方体单元拉应变， εc为单轴受力的钢筋混凝土权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114254534 B 2立方体单元压应变， fc'c为约束混凝土峰值压应力， εcc为fc'c对应的压应变， Esec为核心混凝 土弹性模量； 步骤4： 将修正后的本构关系曲线应用于有限元中， 建立三维实体非线性有限元模型， 进行钢筋混凝 土结构塑性损伤及承载能力的计算。 2.根据权利要求1所述的一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法， 其 特征在于： 所述步骤1 中混凝土依据规范 《混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T  50081‑ 2019)》 进行轴心抗压强度试验， 同时进行静力受压弹性模量试验， 或对实际结构进行回弹 测试检测混凝土的材料力学性能， 钢筋依据规范 《金属材料拉伸试验第1部分： 室温试验方 法(GB/T 228.1‑2010)》 进行材料力学性能测试， 或依据 《铁路桥涵混凝土结构设计规范(TB   10092‑2017)》 对钢筋的屈服强度及弹性模量进行 取值。 3.根据权利要求1所述的一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法， 其 特征在于： 所述 步骤2中单轴受力的钢筋混凝 土立方体单 元建立过程如下： 步骤2.1、 结构内部由纵向钢筋和横向箍筋组成钢筋框架， 认为钢筋以三维正交 的方式 存在于混凝土内部， 假设三条正交的钢筋有一条在应力方向， 另外两条钢筋组成的平面的 法线方向与受力方向相同， 形成三维正交单 元； 步骤2.2、 基于均匀化理论将三维正交单元分解为一维轴向受力单元和二维法向受力 单元； 步骤2.3、 假设一维轴向受力单元中钢筋和混凝土符合变形协调假设， 钢筋起到加强效 应后一维轴向受力单 元的弹性模量表示 为： E1＝(1‑es1)Econ+es1Es＝[(1‑es1)+es1α ]Econ＝κ1Econ 式中， E1为一维轴向受力单元的弹性模 量， es1为一维轴向受力单元的配筋率， α ＝Es/Econ 为钢筋与混凝土弹性模量之比， Es为钢筋弹性模量， Econ为混凝土弹性模量， κ1为一维钢筋加 强系数； 步骤2.4、 将二维法向受力单元的钢筋分散到加筋面， 以加筋面的形式构成二维法向受 力单元的一部分， 根据等应力假设， 则二维法向受力单 元的弹性模量表示 为： E2＝κ21/[(1‑es2)κ21+es2]Econ＝κ2Econ 式中， E2为二维法向受力单元的弹性模量， es2为二维法向受力单元的配筋率， κ2为二维 钢筋加强系数， κ21为加筋层配筋率； 步骤2.5、 将分解后的一维轴向受力单元和二维法向受力单元效应叠加， 则三维钢筋加 强系数按如下公式计算： κ ＝κ1+κ2‑1＝( α‑1)es1+κ21/[(1‑es2)κ21+es2] 则单轴受力的钢筋混凝 土立方体单 元的弹性模量计算公式为： 4.根据权利要求3所述的一种基于钢筋三维加强效应的混凝土本构模型计算方法， 其 特征在于： 所述步骤3中单轴受力的钢筋混凝土立方体单元 的修正后的本构关系曲线计算 过程如下： 步骤3.1、 钢筋混凝土的破坏机制主要表现为拉伸开裂和压缩破碎， 当混凝土发生破坏 时， 以损伤系数表示 其破坏程度， 混凝 土单轴拉伸有效应力和单轴压缩有效应力分别为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114254534 B 3