Abaqus火災后鋼管混凝土柱混凝土本構數據計算法

王 亮 王 蕊*

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024)

Abaqus火災后鋼管混凝土柱混凝土本構數據計算法

王 亮 王 蕊*

(太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024)

采用Abaqus軟件建立了模型，分析了鋼管混凝土柱經歷火災后承載力的變化，并用Excel軟件visual basic程序進行邏輯判斷和循環語句以解決復雜問題，將計算所得數據與既有書籍數據曲線進行了對比，分析了數據求解效果。

鋼管混凝土，Excel visual basic程序，Abaqus混凝土本構關系

1 鋼管混凝土中混凝土材料火災過程中關系模型

1.1 火災全過程混凝土本構關系

此本構關系采用宋天詣[1]博士論文中混凝土應力應變關系模型。

1)常溫狀態。

2)升溫階段。

其中，ξh為升溫階段約束效應系數，考慮了高溫下鋼管材性劣化造成的約束效應下降，按下式計算：

升溫中，核心混凝土的彈性模量取應力應變曲線過原點切線的斜率，混凝土泊松比在150 ℃時開始變化，400 ℃時下降為常溫時的50%，1 200 ℃時泊松比為0[3]。

3)降溫階段。

假定降溫階段核心混凝土的材性只與歷史最高溫度有關，與當前溫度無關，采用了高溫后混凝土的應力—應變關系模型來描述降溫階段混凝土的材性，取得了較好的計算效果。本文采用這種方法。

4)高溫后階段。

高溫后核心混凝土的彈性模量取應力—應變曲線過原點切線的斜率，對于高溫后混凝土泊松比的研究較少，這里暫定高溫后混凝土的泊松比只與歷史最高溫度有關，高溫后沒有得到恢復，采用升溫階段值。

1.2 有限元模型中真實應力和真實應變數據

混凝土受壓應變超過彈性極限應變εc,e0后，混凝土將進入強化階段和軟化階段，如圖1所示混凝土材料單軸應力—應變關系的強化段和軟化段曲線為混凝土壓應力σc與非彈性應變εc,in的關系，非彈性應變εc,in的計算公式：εc,in=εc-σc/E0。

εc和σc分別為混凝土受壓應力—應變關系曲線中強化段和軟化段曲線上任意一點的應變和應力。另外，需要保證混凝土應力卸載至零時塑性應變εc，p>0,εc，p=εc-σc/(1-d)E0。d為混凝土在往復荷載作用下的損傷因子[4]。

定義彈性段時，須首先確定彈性極限點(εc,e0，σc,e0)，建議一般取σc,e0=fc/3,E0=σc,e0/εc,e0[5]。

2 Abaqus有限元軟件火災過程中混凝土本構數據求解

1)火災全過程混凝土經歷了常溫、升溫、降溫和火災后恢復常溫四個階段。

四個階段混凝土本構不同，將本構數據輸入Abaqus軟件，輔助編寫子程序，實現軟件在各個階段對混凝土本構數據的調用。宋天詣[1]博士論文中涉及本構數據格式的設置，添加溫度場，場變量1，場變量2。溫度場為當前溫度，場變量1設置為歷史最高溫度，場變量2設置為常溫、升溫、降溫和火災后四個階段。數據格式如下：

常溫階段見表1。

表1 常溫階段混凝土應力應變關系

升溫階段見表2。

表2 升溫階段混凝土應力應變關系

表3 降溫階段混凝土應力應變關系

表4 火災后階段混凝土應力應變關系

降溫階段(降溫階段混凝土的材性只與歷史最高溫度有關，與當前溫度無關，采用了高溫后混凝土的應力—應變關系模型來描述降溫階段混凝土的材性)見表3。

火災后恢復常溫階段見表4。

2)各階段彈性段均使用聶建國理論確定彈性極限點(εc,e0，σc,e0)，取σc,e0=fc/3，E0=σc,e0/εc,e0。

在Excel表格中實現基本參數的計算后，以不同階段、不同溫度為邏輯判斷條件編制VB程序調取相應的混凝土本構關系。單次循環程序設計思路如圖2所示。

3 本構數據曲線趨勢分析

圖3為韓林海[6]圓鋼管混凝土在高溫下混凝土應力應變關系曲線Q345鋼、C60混凝土、含鋼率分別為0.05和0.15時核心混凝土不同溫度下的應力—應變關系。

圖4，圖5為通過Excel及所帶VB功能根據高溫下混凝土本構公式計算出的數據。

通過兩者對比，本程序計算出的應力應變數據反映出：隨溫度升高混凝土強度降低；含鋼率越高，混凝土因約束作用強度有加強的趨勢。

4 結語

筆者將實際操作中遇到的問題加以邏輯分析，使用Excel軟件VB程序進行邏輯判斷和循環語句的編程，使手工計算不好處理的問題變得簡單快捷。解決了Abaqus圓鋼管混凝土結構火災建模需要的大批量混凝土本構數據求解問題，得到彈性模量，非彈性應變與應力的對應數據。

[1] 宋天詣.火災后鋼—混凝土組合框架梁—柱節點的力學性能研究[D].北京：清華大學，2010.

[2] 陳肇元,朱金銓,吳佩剛.高強混凝土及其應用[M].北京:清華大學出版社,1992.

[3] Izzuddin B A,Elghazouli A Y， Tao X Y.Realistic modelling of composite floor slabs under fire conditions[C].Proceedings of 15th ASCE Engineering Mechanics Conference.Columbia University,New York,2002.

[4] 王金昌，陳頁開.abaqus在土木工程中的應用[M].杭州:浙江大學出版社，2006.

[5] 聶建國，王宇航.ABAQUS中混凝土本構模型用于模擬結構靜力行為的比較研究[J].工程力學，2013(4)：22.

[6] 韓林海.鋼管混凝土結構—理論與實踐[M].第2版.北京：科學出版社，2007.

Calculation of stress and strain data on concrete in Abaqus about post-fire of concrete filled steel tubular column

Wang Liang Wang Rui*

(CollegeofArchitecturalandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Analyze changes about the bearing capacity of the post-fire concrete filled steel tubular column in Abaqus model, the visual basic function Excel included which can program logic and loops to solve complex math problems is used. Compare the calculated data with existing data in books and analyze the data.

concrete filled steel tubular column, Excel visual basic program, the constitutive relation of concrete in Abaqus

2015-02-27

王 亮(1986- )，男，在讀碩士

王 蕊(1979- )，女，博士，副教授

1009-6825(2015)13-0031-03

TU398.9

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