基于ABAQUS塑性損傷模型分析型鋼混凝土梁的靜力性能

【摘要】 介紹了采用ABAQUS塑性損傷模型對型鋼混凝土結構進行非線性有限元數(shù)值模擬的實用技術和方法，其中重點介紹了模型中相關參數(shù)的設置。用該模型構件的抗彎、破壞性能進行模擬型鋼混凝土梁，并與文獻試驗結果進行對比分析。計算結果表明，在準確合理建模和設置參數(shù)的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性損傷模型準確地模擬型鋼混凝土組合構件的靜力性能。

【關鍵詞】 有限元 塑性損傷模型 型鋼混凝土梁 靜力分析

型鋼混凝土組合構件能充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點，在實際工程中具有廣闊的應用前景。目前常常采用試驗以及數(shù)值模擬的方法來研究混凝土構件的性能。而隨著計算機技術和有限元數(shù)值模擬方法的發(fā)展， 有限元法已成為研究混凝土結構性能的一種重要手段[1-2]，其中ABAQUS是有代表性的大型通用有限元軟件 ，在我國土木工程結構分析中的應用日益廣泛。

1. ABAQUS的塑性損傷模型

ABAQUS的損傷塑性模型采用各向同性彈性損傷結合各向同性拉伸和壓縮塑性理論來表征混凝土的非彈性行為。該模型的適用范圍比前述的彌散裂縫模型更廣泛，它不僅可用于分析一般的承受單調(diào)加載的混凝土結構，也可用于反復荷載作用下以及動力荷載作用下的混凝土結構的分析。文獻[3]采用塑性損傷模型對鋼管混凝土構件的力學性能進行了較為深入的研究，為本文的研究提供了良好的參考。

2. 型鋼混凝土梁實例分析

2.1 型鋼混凝土梁試件

本文分析采用文獻[5]箱形型鋼混凝土梁的試驗研究的KL5，截面尺寸及特征件圖1。

2.2 材料及單元選取

ABAQUS損傷塑性模型中混凝土單軸受壓時采用Hognestad建議的上升段二次拋物線和下降段直線的應力-應變關系曲線， 峰值應變?nèi)?.002， 為極限壓應變，取為0.0038。本模型中混凝土單軸受拉的應力-應變關系采用二折線， 取為0.01。鋼材及鋼筋的應力應變關系采用理想彈塑性模型。

在ABAQUS中，混凝土、型鋼采用三維實體單元C3D8R，鋼筋均采用三維空間桿單元T3D2。分析中近似地假定鋼筋、型鋼與混凝土之間為完全粘結而不考慮它們之間的粘結和滑移。建模時先建立混凝土模型，形成PART1，再建立縱筋、箍筋及腰筋筋的骨架模型，形成PART2，型鋼形成PART3，然后把PART2及PART3嵌入（Embed）到混凝土模型PART1中，使之在荷載作用下共同受力。這種方法沒有考慮鋼筋、型鋼和混凝土之間的粘結滑移作用。

為防止支座處應力集中，有方法是在邊界條件與混凝土梁之間設置了一個彈性過渡層[6]，通過設置有摩擦的接觸屬性實現(xiàn)與混凝土單元的變形協(xié)調(diào)。本文的模擬中采用在混凝土上直接延伸出加載和支座墊板，墊板單元為C3D8R，材料屬性為彈性，這樣可以減少混凝土與墊板之間的約束，加速數(shù)值計算的收斂。同時在單元劃分時混凝土在型鋼和鋼筋接觸的地方剖切開，除箍筋外，其余單元網(wǎng)格劃分時采取相同的size劃分，這些都可以保證單元節(jié)點在整體坐標系下保證一一對應。

2.4 有限元結果與試驗結果的對比

2.4.1 荷載位移曲線

圖2給出箱形型鋼混凝土梁荷載-撓度曲線試驗結果和有限元結果對比，由圖可以看到，雖然在試驗曲線與有限元曲線略有分歧，但總體上有限元分析結果與試驗結果吻合良好。試驗中梁的開裂荷載為838kN，有限元分析值為811kN。荷載位移曲線中有限元計算值有明顯的轉折，剛度部分表現(xiàn)得比試驗值要大，這可能是由于未考慮鋼材與混凝土之間的粘結滑移，而將其作為整體分析造成的結果，整體上有限元計算值是可靠的。

2.4.2 裂縫圖對比

塑性損傷模型在材料積分點處不會演化出現(xiàn)裂紋，而是通過圖示方法顯示裂紋的方向。當某點的拉伸等效塑性應變大于零切最大主塑性應變?yōu)檎禃r，初始裂紋就在該點產(chǎn)生，裂紋面的法向矢量與最大主塑性應變方向（PEMAX）平行，即裂紋方向與最小主塑性應變PEMin相同。以下圖3～圖4中給出了模型結果中838kN時PEMin圖與試驗記錄的裂縫圖對比，可以看出有限元在一定程度上能較好地顯示裂縫示意圖。

3 結語

本文通過試驗對比，介紹了ABAQUS的塑性損傷模型在研究型鋼混凝土梁的靜力性能中的應用。詳細討論了模型中在模擬時各個參數(shù)的設置方法。計算結果表明，在合理建模和參數(shù)設置情況下，ABAQUS的塑性損傷模型能基本能反映該模型各材料的荷載效應過程。但是 ，在該算例中 ，由于混凝土開裂后的軟化現(xiàn)象定義還存在大量的簡化， 以及鋼材、鋼筋與混凝土之間的連接采用的是“Embedded”植入技術，與實際也有出入。如何從數(shù)值分析更好地模擬鋼材與混凝土之間的關系以及混凝土開裂后的軟化是需要進一步深入研究的問題。

參考文獻

[1]沈聚敏，王傳志，江見鯨.鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M].北京：清華大學出版社，1993

[2]呂西林，金國芳，吳曉涵.鋼筋混凝土結構非線性有限元理論與應用[M].上海：同濟大學出版社， 1997

[3]韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐[M].北京：科學出版社，2007

[4]江見鯨，陸新征，葉列平. 混凝土結構有限元分析.北京：清華大學出版社.2005