基于ABAQUS的混凝土梁受弯破坏实验非线性分析.pdf

第 2卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 V0 1 2 No 1 Ma r 20l0 基 于 AB AQUS的混凝 土梁 受弯 破 坏 实验 非 线性 分析 北 京建筑 工程学 院 北 京 1 0 0 0 4 4 f 摘要 本文采用 A B A Q U S有 限元分析软件 对铜筋混凝土梁进 行非线性分析 针对小梁试验 中的一根 简支梁进 行有限元分析 采用混凝土损伤塑性模型 对比了试验分析与使用 A B A Q U S分析的计算结果 探讨了结果产生差异 的原 因 为进 一步进行 A B A Q U S钢筋混凝 土结构有限元分析提供 了参考 关键词 非线性仿真 钢筋混凝土梁 正截面破坏 中图分类号 T U 3 7 5 1 T U 3 1 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 4 7 4 6 1 2 0 1 0 0 1 0 0 6 4 0 4 1 前言 随着有限元理论和计算机技术 的不断发展 有 限元分析软件的发展也 日趋成熟 A B A Q U S作为其 中一种大型通用有限元分析软件在科研工作 和实 际工程中的应用也越来越普遍 因为它不仅具备其 它有限元分析软件 的数值计算快 结果精度高以及 分析成本低等优点 还具有更人性化的操作界面和 可视化结果 尤其是运用于钢筋混凝土结构非线性 分析 中能得到更精确的 更贴合实际的结果 2 A B AQU S钢筋混凝 土非线性分析 钢筋混凝土结构非线性来源主要分为三类 材料非线性 几何非线性 边界条件非线性 材料 非线性是指钢筋和混凝土两种材料在结构受力分 析过程中 不仅要考虑其弹性性 能即线性 阶段 也 要考虑 其 塑性 性 能 即非 线性 阶段 在 A B A Q U S中 是通过分 别 定 义 钢筋 和混 凝 土 的 本 构模 型来 实 现 其材料非 线性 的特性 弹 性 阶段 须分 别 输入 两 种 材 料的弹性 模 量 和泊 松 比 塑性 阶段 的定 义则 不 同 钢筋只需输入其塑性阶段应力应变关 系 而混凝土 塑性 有 三 种 模 型 可 以选 择 J 包 括 有 C o n cr e t e S me a r e d C r a ck in g 弥散 裂纹混凝土模型 C o n cr e t e D a m a g e d P l a s t i ci t y 混 凝 土 损 伤 塑 性 模 型 以 及 A B A Q U S E x p li cit中 的 C r a ck in g m o d e l f o r co n cr e t e 混凝土裂缝模型 其中混凝土损伤塑性模型具有 一 定的优越性 它可用于单项加载 循环加载 以及 动态加载等场合 且具有较好的收敛性 因此一般 采用混凝土损伤塑性模型进行混凝土塑性定义 边界条件在分析过程 中发生变化就会产生边 界非线性问题 包括构件之间的接触也属于边界条 件的定义范畴 其 中钢筋与混凝 土的摩擦接触在 A B A Q U S中是通过 E m b e d d e d技术将钢筋单元埋人 混凝土单元中来实现的 几何非线性 发生在位移的大小影 响到结构响 应的情况下 只需要在 S T E P选项 中加入 N L G E O M 参数 即可 但 一般静 力非线性 分析不 需要选 N L G E O M参数 以免造成冗繁的计算量 3 钢 筋混凝土简支梁分析 实例 3 1 模 型建立 该简 支 梁 长 1 5 0 0 m m 截 面 尺寸 为 1 8 0 m m 1 0 0 mm 混凝土强度等级为 C 2 5 纵筋和箍筋均采用 H P B 2 3 5钢筋 具体情况见图 1 建立 A B A Q U S 模型 混凝土采用 C 3 D 8 R单元 钢筋采用 T 3 D 2单元 将 钢筋埋入 E m b e d d e d 混凝土单元 中来模拟钢筋混 凝土之间的粘结关系 为 防止加载过程 中梁上加 载 面及支 座处 出现 应 力 集 中 因此 建模 时 在梁 加 载 作者简介 王丽 女 研究生 主要研究方向 结构工程 1 3 8 1 0 9 9 8 3 9 4 ia m w a n g l i 8 3 y a h o o co i n C I I 基于 A B AQ US的混凝土梁受弯破坏实验 非谈性分析 6 5 处和支座处设置钢垫片 以增加接触 面积和 刚度 模 型 图如 图 2所 示 图 1简支梁配筋图 图 2 简支梁模型图 3 2 钢 筋混 凝 土相关 参数 计算 钢筋本构模型采用双直线模型 上升段的斜率 为钢筋 的弹性模量 即 E s 2 1 0 G P a 屈服应力 f y 2 1 0 M P a 对应屈服应变为 0 0 0 1 水平段钢筋应力不 变 钢筋破坏时应变为 0 0 0 6 混凝土弹性模 量 E s 2 8 G P a 混凝 土单 向受压本 构模 型采 用美 国 E Ho g n e s t a d 建议的模型计算公式 2 旦E 0 一 旦S O J l l 1 0 1 5 三 一 二 I s 0 s 8 u Co 其中 混凝土单轴抗压强度 1 1 9 MP a 屈服 应 变 0 0 0 2 极 限应 变 s 0 0 0 3 8 混凝土单 向受拉本构模型采用 钢筋 昆 凝土结 构设计规范 6 中计算公式 小 2 o 2 詈 其中 混凝土单轴抗拉强度 1 2 7 M P a 混凝 土峰值拉应变 8 7 3 6 4 1 0 一 3 3分 析结 果 钢筋混凝 土简支梁模 型垫片上施加均布荷载 3 2 MP a 计算得 P 1 6 K N 分析得 Mis e s 应力如 图2所示 Mi s e s 应力最大值 4 1 1 6 MP a出现在支 座垫板上 施加荷 载垫板周 围也存在较 大应力 应 力值在 3 MP a lg MP a之问 并从加载垫板处向支 座方向由大到小变化 从而两支座之 间形成应力供 体 值 由小到大交替变化 形成传力途径 这与传统 理论 中有腹筋梁拱形 桁架受力模型相类 似 由于 梁的肩部受力小 因此 Mis e s 应力值较小 在受拉筋 作用下梁的底部 Mis e s 应力值也较小 在加载垫片上施加均 布荷载 3 2 MP a 计算得 P 1 6 K N 得 简支梁跨 中节点的位移为 2 2 1 0 mm 见图 4 其时间变化图如图 5所示 可以看出 随 分析计算 时间的增加 跨 中挠 度增长速度逐 渐加 快 这是 由于钢筋混凝 土材料在弹性 阶段强度大 刚度强 因此梁刚承受 荷载时跨 中挠度变 化量 小 而进入塑性阶段 以后 钢筋混凝土材料性 能下降 梁受力后挠度增加速度 随之加快 从而形成跨 中的 挠度 加速 变 化 的 曲线 由此 看 出此 次模 拟 分 析 具 有可靠的理论依据 是非常可信的 图 3简 支梁 应力图 詈 一 6 6 图 4简支梁位移 图 H u 2 D i ac em ent atIthe m i spa j 0 O 0 0 2 O O 4 1 0 60 0 80 1 o o l 1 m e 4 小梁试验 图 5跨 中位 移 一时 间图 经设计计算确定一个钢筋混凝土适筋梁的正 截面尺寸 采用材料参数 配筋量等数据 实施两端 简支 两点加载 试验模型如图 1 所示 试验时按计 算承载 力 分级 加 载 两 点 加载 值 P相 同 控 制 加载 速度 使用百分表和位移计量测钢筋混凝土梁的挠 度 并记录对应 荷载 同时观察梁 的裂缝及破坏情 况 加 载至钢 筋混 凝 土梁 完 全破 坏 为止 整 理试 验 数据 后绘制 简支梁荷 载 一 挠度 曲线 如图 6所示 5结果比较 为方便进行数值模拟和试验结果的分析 比较 改变对简支梁的施加荷载 使用 A B A Q U S软件重新 计算分析 得出跨 中节点 的挠度值数据 将其与试 验结果比较绘制出荷载 一 挠度曲线如图7所示 一 蚤 一 山 锚 豫 厂 一 l 何 嵋埙吲 强 厂 O l0 l5 2 0 梁跨 中接伎 m m 图 6荷载 一挠 度 曲线 粱跨中挠度 m m 图 7 简支梁跨 中挠度值比较图 由上图看出 A B A Q U S有限元分析 的跨中挠度 随荷载变化的趋势与试验结果相同 在荷载值 P达 到 8 K N前 构 件处 于 弹性 阶段 其 刚 度 强 度大 荷 载值 与挠 度值基 本成 线 性 变化 之 后 构件 进入 塑 性 阶段 挠度增加值加快 当达到极限承载力 2 4 K N 时 A B A Q U S有 限 元 分 析 计 算 得 跨 中 挠 度 为 1 0 5 2 1 m il l 试 验结 果 为 1 2 7 9 5 m l T l 最后 梁 屈 服 鲫 5 O 一 销稼 基于 AB AQ US的混凝土梁受弯破坏实验 非绂性 分析 6 7 挠度值增加进一步加快 可 以看出 A B A Q U S有 限 元分析能够得到与实 际试验基本相符 的结果 但两 种方法计算 的数值之 间存 在差异 经分析 原 因可 能 有 以下几点 1 模拟 中有限元单元假设具有均匀 各 向同 性 单元 间接 触形 式 统 一 的特 点 j 而 实 际 混 凝 土 构件材料构成复杂 有水 泥等细小颗粒 也有砾石 细沙等构成成分 其相互之间的接触摩擦作用大不 相同 另外各种材料性 能各不相 同 取用统一综合 标准进行定义本身与实际就存在差异 2 有 限元 分析 中混 凝 土 与钢 筋 之 间 的粘 结是 采用 E m b e d d e d技术处 理的 该方法有 效简化 了建 模 但 无 法实现 随荷 载 的增 加 混凝 土 与 钢 筋 的摩 擦时刻变化的特性 尤其是钢筋 滑移 的模拟难度很 大等 容易导致结果失真 3 其他一些因素也会影响分析结果 比如 有 限元分析的收敛性 模拟 中参数 取值 的合理性 有 限元单 元 的划分形 式 和 数 量 试 验 中试 件浇 筑 质 量 及加载情况等 总之 A B A Q U S有限元分析模拟试验具有较高 的相似度 虽有一些差异 但用 A B A Q U S有限元方 法针对小粱试验进行非线性分析是切实可行的 6 结束语 本文通过使用 A B AQ U S有限元软件模拟小梁 试验 采用了混凝土损伤塑性模型以及钢筋与混凝 土 的 E m b e d d e d粘 结 技 术 介 绍 了采 用 的 钢 筋 与 混 凝土材料的本构模 型 得到了与试验结果相 近的分 析结果 并探讨 了结果产生差 异的原 因 证 明 了用 A B A Q U S有 限元 分析 钢筋 混凝 土结 构非线 性 问题是 十分有效 的 但如何能得 到更精 确的结果 仍需作 更 深入 的 研 究 本 文 得 到 了 北 京 市 教 委 面上 项 目 的资助 参 考文 献 1 刘劲松 刘 红军 A B A Q U S钢 筋混 凝 土有 限元 分析 装 备制造技术 2 0 0 9 6 2 吕西林 金 国芳 吴 晓涵 钢 筋混 凝土结 构非 线性 理论 与应用 M 同济大学 出版 1 9 9 7 3 庄茁 张帆 岑松 A B A Q U S非线性有 限元分 析与实 例 科学出版社 2 0 0 5 4 A B A Q u s A n a l y s i s U s e r S Ma n u a l A B A Q U S I n c 2 0 0 6 5 东南大学等 混凝土结构 设计原理 中国建筑工业 出版 社 2 0 0 8 6 6 混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 7 江见鲸 陆新征 叶列平 混凝土结构有限元分析 清华 大学 出版社 2 0 0 5 8 张国丽 苏 军 基 于 A B A Q U S的钢 筋 混凝 土 非线 性 分 析 科学技术与工程 2 0 0 8 1 0 No n lin e a r Ana ly s is o f Re in f o r ce d Co ncr e t e Be a m Be nd in g Da ma g e E x p e r ime n t a t io n B a s e d On AB AQUS B e i j i n g U n i v e r s it y o f C iv il E n g in e e r in g a n d A r ch it e ct u r e B e q in g 1 0 0 0 4 4 C h in a Ab s t r a ct Ba s e d o n t h e t h e fin it e e le me n t a n a ly s is s o f t wa r e AB AQ US t h e n o n lin e a r a n a ly s is o f a r e in f o r ce d co n cr e t e b e a m wa s ca r r ie d o u t I n t h is s i mp le b e a m a n a ly s is t h e co n cr e t e d a ma g e p la s t icit y mo d e l in AB AQ US