采用标准的完全牛顿-拉夫森(Newton-Raphson,NR)算法来求解非线性有限元问题。
通常情况下,当全部荷载一次性施加时,NR 算法往往难以收敛。因此本文采用了一种常用方法:将荷载分为多个增量依次施加,并利用上一荷载增量的结果作为下一增量牛顿求解的初值。为此,在牛顿-拉夫森算法之上实现了荷载控制算法。若 NR 迭代未能收敛,则将当前荷载增量减半,并重新进行 NR 迭代。
荷载控制算法的第二个目的是确定临界荷载,该临界荷载对应于特定的“终止准则”——具体包括混凝土的最大应变、粘结单元中的最大滑移、锚固单元中的最大位移,以及钢筋中的最大应变。临界荷载通过二分法求得。若模型中任意位置超过终止准则,则舍弃上一荷载增量的结果,并重新计算一个为前一增量一半大小的新增量。该过程反复进行,直至以一定的误差容限求得临界荷载为止。
对于混凝土,终止准则设定为:在壳单元积分点处,受压应变达到 5%(即约比混凝土实际破坏应变大一个数量级),受拉应变达到 7%。在受拉方向,该数值的设定是为了使钢筋中的极限应变(通常约为 5%,未考虑拉力刚化效应)能够先行达到。在受压方向,该数值是在多个备选方案中选取的,既足够大以使压碎效应能够在结果中体现,又足够小以避免引发过多数值稳定性问题。
Fig. 17Constitutive relationship of bond and anchorage elements used for anchorage length verification:
(a) bond shear stress slip response of a bond element; (b) force-displacement response of an anchorage element.
对于钢筋,终止准则以应力形式定义。由于所模拟的是裂缝处的应力,因此受拉方向的准则对应于考虑安全系数后的钢筋抗拉强度。受压方向的准则采用相同数值。
粘结单元和锚固弹簧中的终止准则为 α·δumax,其中 δumax 为规范校核中所用的最大滑移量,α = 10。