型钢混凝土构件纯扭行为ABAQUS分析模型

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摘要：本文通过对型钢混凝土构件的分析基础上，简述采用ABAQUS建立分析模型的过程，并就对建立模型过程中各参数的确定予以确定。以期对后续学者们的研究提供参考或帮助。

关键词：型钢混凝土; ABAQUS ;纯扭; 模型;

中图分类号：TV331文献标识码： A

1 前言

近年来,国内很多学者做了大量关于钢筋混凝土构件和型钢混凝土构件的有限元分析，将有限元软件与实际课题研究结合的很好，并通过这些研究可以表明，设定合理的计算模型和材料参数,并采取较为精确的模拟形式，可以使有限元计算结果与试验结果可以吻合的很好[1-3]。

2 ABAQUS软件介绍

ABAQUS在土木工程中应用广泛，可以解决各类力学问题，软件容易学习、使用可靠、可进行各种各样的扩充、计算效率高，因此收到了广大科研人员的重视与青睐。通常ABAQUS由三大步骤组成：（ABAQUS/CAE）前处理、（ABAQUS/Standard）模拟计算、（ABAQUS/CAE）后处理组成。其中前处理主要是生成一个个输入文件：模拟计算是计算机在后台处理数值问题的过程，模拟计算的试件根据复杂程度和计算机的运行能力可以从几分钟到几个小时：后处理主要是对结果进行分析的过程。

3 ABAQUS模型的建立

3.1材料性质

试件中采用的混凝土、钢筋和型钢的具体材料特性如表2.1取用。

表2.2 钢材材料特性表

强度 钢材 混凝土 纵筋 箍筋 型钢

牌号 C30 HRB400 HRB400 Q345B（

密度 2400(kg/m3) 0.888(kg/m) 0.888(kg/m) 7850(kg/m3)

屈服强度（MPa） 23.5(压)/

2.25（拉） 400 400 345

极限强度（MPa） ―― 540 540 470

弹性模量（） 30000 200000 200000 206000

泊松比 0.2 0.3 0.3 0.2

3.2本构关系

3.2.1 型钢与钢筋本构关系

不同的受力状态对应着不同的本构关系模型。根据本文的研究目的，本文用ABAQUS软件进行有限元分析时，考虑的是单调加载的情况。因此，采用理想弹塑性模型的单轴应力―应变关系，并考虑有屈服点的应力―应变关系。

本构关系式为：

当时， （3-1）

当时， （3-2）

当时， （3-3）

当时， （3-4）

式中，―钢筋的弹性模量；―钢筋应力；―钢筋应变；―与对应的钢筋屈服应变，可取；―钢筋硬化起点应变； ―钢筋硬化段斜率，；―钢筋的极限强度代表值；―钢筋的屈服强度代表值；

3.2.2 混凝土单轴受压本构关系

在混凝土结构设计规范[4]中是应用了过镇海[5]的曲线模型，所以在本文的研究中便应用这一理论，其中规范对混凝土本构关系部分，在附录C中做了一下规定[4]，并且规范对这些公式的适用范围也予以确定，结合本次数值模拟的过程，应该可以确定是符合这些规定的。混凝土的抗压强度及抗拉强度的平均值、可按下列公式计算：

（3-5）

式中：、―混凝土抗压强度的平均值、标准值；、―混凝土抗拉强度的平均值、标准值；―混凝土强度变异系数，由试验统计确定。

（3-6）

当时，（3-7）

当时，（3-8）

；； （3-9）

式中，―混凝土的单轴抗压强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取、、；―混凝土单轴受压应变-应变曲线下降段的参数值；―与单轴抗压强度代表值对应的混凝土峰值拉应变；―混凝土单轴受压损伤演化参数。

3.2.3混凝土单轴受拉的应力―应变

混凝土是一种复杂的材料，在工程试验中，主要考虑混凝土的抗压性能，对其抗拉性能不重点研究，但是在模型模拟阶段，其抗拉性能依然需要考虑的。国内学术界大体认为，混凝土的受拉应力－应变曲线大体是和收压曲线是一样的，都是单峰曲线，只是曲线更加陡峭，随着应变的增加，在下降阶段，会与横坐标汇交,《规范》[4]和过镇海[5]所提及的公式如下：

（3-10）

当时， （3-11）

当时， （3-12）

, （3-13）

式中，―混凝土的单轴抗拉强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取、、；―混凝土单轴受拉应变-应变曲线下降段的参数值；―与单轴抗拉强度代表值对应的混凝土峰值拉应变；―混凝土单轴受拉损伤演化参数；

3.3 单元类型的选择

通过前期对本次研究中的型钢混凝土的结构特点的分析，在单元选择的过程，对混凝土、型钢、钢筋分别采用不同的单元类型。从计算经济的方面考虑，在本文的研究型钢混凝土构件纯扭过程中，混凝土单元都采用八节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R），如网格造成计算不收敛时再考虑换成二次单元（C3D20R）而钢筋则。本文主要研究型钢与混凝土间的相互作用，故对钢筋的粘结滑移作用，并同样选用Truss，T3D2单元予以简化。

3.4 型钢与混凝土间的相互作用

在构件在实际受力过程，模型中的型钢与混凝土之间的变形不一致，并且这种现是非常普遍的，故在模型模拟过程中必须予以考虑。通过对国内许多学者对用ABAQUS模拟过程分析，可以大体认定要十分准确模拟这一过程是十分困难的，现在比较认同的方式是通过添加摩擦系数的方式处理，而这个参数设定为。

除了前述的摩擦相互作用以模拟其粘结滑移作用外，另一个方面，要考虑到点与面的耦合，也考虑到在扭转过程，型钢与混凝土屈服应力的差距，如将参考点与混凝土作耦合，构件很快的失效，故在施加完参考点之后，将参考点与型钢做耦合，Coupling类型选择连续分布。

3.5 单元网格划分

网格划分是有限元分析中非常重要的一步，网格的划分情况对最终分析结果的精度影响很大。网格划分过细，可能因为计算量过大而出现不收敛的情况，而网格划分过大的话，会导致计算结果出现偏差。本文在网格划分过程中，对型钢、混凝土、钢筋采用分别布种的形式单独划分网格，并采取由大到小逐步递进的方式研究最适宜的网格划分形式。本章模型的网格划分密度取为15mm，型钢与钢筋的网格划分密度为10mm，经试算，网格密度选用15mm和10mm既可保证计算精度，又可保证收敛速度

3.6荷载

在边界条件的设定中，为较为准确的模拟纯扭的过程，本次模拟过程中主要是以在试件的顶部与尾部均试驾扭转角的形式，以实现较为准确的模拟过程。

4 结论

本文通过对型钢混凝土构件纯扭行为在abaqus中的模型建立过程予以描述，并对模型建立过程中的主要参数设定予以指出。虽然本文在研究纯扭行为的背景下提出的，但笔者认为在模型建立中的参数设定是可以有相同之处的，在后续学者研究过程复合受力过程中可以予以考虑。

参考文献

[1]李建清.型钢混凝土柱受力性能有限元分析[D].武汉:武汉大学,2005.

[2]卢明奇.含钢率对方钢管混凝土框架延性影响的有限元分析[J].三峡大学学报(自然科学版),2006(6).

[3]王连广.钢骨高强混凝土柱的非线性分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005(2).

[4] GB 50010.2010,混凝土结构设计规范.中国建筑工业出版社，2010

[5]过镇海，张秀琴．混凝土受拉应力－变形全曲线的试验研究．建筑结构学报，1988（4）：45~53.

附：

基金项目：2013年高等学校博士学科点专项科研基金联合资质课题（20133721110004）

个人简介：赵沛柳（1989―），男，硕士研究生，研究方向：型钢混凝土构件抗扭性能分析与研究。