动力弹塑性研发报告

动力弹塑性研发报告曹乐（东南大学05级硕士，一级注册结构工程师，15998669327，[e-mail]）Abaqus为大型通用有限元软件，可以完全实现动力弹塑性时程分析。在非线性方面，它可以同时考虑几何非线性和材料非线性。几何非线性，使平衡建立在变形后的几何构形上，充分考虑“Ｐ－Δ”和“Ｐ－δ”效应。材料非线性，使其采用弹塑性的应力-应变本构关系。在积分模式方面，它拥有隐式积分和显式积分两种模式。隐式积分，可以计算出在重力荷载代表值下的各构件应力和结构的初始变形。显式积分，可以在隐式积分计算出的结构初始状态的基础上，进行动力时程分析，直至结构倒塌破坏。在单元选取方面，对剪力墙和楼板可以采用分层壳单元。分层壳单元可以通过设置剪力墙和楼板中的钢筋层和混凝土层来准确模拟他们的弹塑性受力状态，并且也可以通过设置钢板层来模拟钢板剪力墙。对钢材质的梁、柱单元，可以采用Abaqus自带的铁木辛柯梁单元，能够模拟杆件的所承受的剪切、弯曲以及拉压作用等。对钢筋混凝土的梁、柱单元，Abaqus没有现成的单元选取，需要进行二次开发。纤维单元示意见图1。图1.纤维单元示意在模型建立方面，需要进行二次开发将现有的模型转换为Abaqus计算分析所需要的模型。鉴于此，本人开发了转换程序“CJImport”，和用于Abaqus动力弹塑性时程分析的纤维梁单元“CJDEP”。CJImport转换流程见图2。图2.CJImport模型转换流程图图1中，“PK2ET”，“ET2SAP”和“SAA”均为自主开发程序。“PK2ET”为PKPM模型到ETABS模型的转换程序。与市面的转换程序不同，其可以自动识别剪力墙窗洞和连梁尺寸，可以自动导入弧形梁、弧形板、铰信息，导入的楼板干净（非三角形板），并且不丢梁上荷载及楼板荷载。“ET2SAP”为ETABS模型到SAP2000模型的转换程序。与ETABS中自带转换程序不同，其可识别截面名称长度为32字符（自带转换程序为8字符），可以自动导入型钢混凝土组合截面（自带转换程序导入为椭圆截面）。“SAA”为从SAP2000模型，导入到Ansys模型，再导入到Abaqus模型的转换程序。在Ansys中划分网格，确保剪力墙边缘构件，剪力墙身，连梁与楼板的每个连接节点处均连接。通过模型转换可以得到用于Abaqus动力弹塑性时程分析的模型。“CJDEP”为用于Abaqus动力弹塑性时程分析的纤维杆单元。下面将本人自主研发的纤维杆单元与清华大学研发的纤维杆单元做一个比较，并将基于新混凝土规范附录中的混凝土本构的纤维梁单元与基于其他混凝土本构的纤维梁单元做一个比较。模型采用一根钢筋混凝土悬臂杆，如图3所示。图3.悬臂杆ABAQUS模型为了保证开发的纤维杆单元的普遍通用性，比较用“逐渐增大”、“逐渐减小”、“复杂曲线”三种曲线，从下面5个方面进行比较。图4.逐渐增大曲线(Up)图5.逐渐减小曲线(Down)图6.复杂曲线(Complicated)1.混凝土受压采用Hognested骨架曲线，不考虑受拉应力本混凝土材料模型受压采用Hognested模型，不考虑受拉应力，本构曲线如图7所示。图1.1.曲线1混凝土本构关系（1）逐渐增大曲线比较图1.2.位移历程曲线比较图1.3.荷载历程曲线比较图1.4.荷载-位移曲线比较（2）逐渐减小曲线比较图1.5.位移历程曲线比较图1.6.荷载历程曲线比较图1.7.荷载-位移曲线比较（3）复杂曲线比较图1.8.位移历程曲线比较图1.9.荷载历程曲线比较图1.10.荷载-位移曲线比较2.混凝土受压采用Hognested骨架曲线，考虑受拉应力图2.1.曲线2混凝土本构关系（1）逐渐增大曲线比较图2.2.位移历程曲线比较图2.3.荷载历程曲线比较图2.4.荷载-位移曲线比较（2）逐渐减小曲线比较图2.5.位移历程曲线比较图2.6.荷载历程曲线比较图2.7.荷载-位移曲线比较（3）复杂曲线比较图2.8.位移历程曲线比较图2.9.荷载历程曲线比较图2.10.荷载-位移曲线比较3.混凝土受压、受拉均采用《新砼规》曲线图3.1.2010版砼规混凝土本构关系（1）逐渐增大曲线比较图3.2.位移历程曲线比较图3.3.荷载历程曲线比较图3.4.荷载-位移曲线比较（2）逐渐减小曲线比较图3.5.位移历程曲线比较图3.6.荷载历程曲线比较图3.7.荷载-位移曲线比较（3）复杂曲线比较图3.8.位移历程曲线比较图3.9.荷载历程曲线比较图3.10.荷载-位移曲线比较4.考虑钢筋-混凝土界面粘结滑移和混凝土保护层剥落等引起的综合退化效果（1）逐渐增大曲线比较图4.1.位移历程曲线比较图4.2.荷载历程曲线比较图4.3.荷载-位移曲线比较（2）逐渐减小曲线比较图4.4.位移历程曲线比较图4.5.荷载历程曲线比较图4.6.荷载-位移曲线比较（3）复杂曲线比较图4.7.位移历程曲线比较图4.8.荷载历程曲线比较图4.9.荷载-位移曲线比较5.数据总结从以上曲线比较来看，不考虑混凝土受拉的Hognested曲线－1，和考虑混凝土受拉的Hognested曲线－2，自编纤维单元的隐式计算结果与清华大学的隐式计算结果几乎完全重合。自编纤维单元的显式计算结果在递增曲线和递减曲线的加载方式下，与清华大学的计算结果也几乎重合，但在复杂曲线加载方式下由于积分时间的差异而有些许差别，但整体来看非常吻合。就连一些细节都吻合的非常好，如：图5.1曲线细节比较比较新混凝土规范中的建议曲线与不考虑混凝土受拉及考虑混凝土受拉的Hognested曲线可以看出，这三条曲线非常的接近。所以在分析钢筋混凝土构件时考虑和不考虑混凝土的受拉是没有本质差别的。从复杂加载方式来看，采用新混凝土规范中的建议曲线在滞回循环中比采用Hognested曲线时卸载刚度稍大，整体比较来看差别也不大。在考虑钢筋与混凝土的粘接滑移时，通过对逐渐增加和逐渐减小的加载方式比较，可以看出在这两种加载方式下各分析结果曲线吻合很多。在计算复杂加载方式时，清华大学的隐式计算在进行到8.76s时不收敛，自编的隐式计算在分析完60s。从分析结果上来看，整体趋势相同，但由于积分时间上有一些差别，曲线在局部上有一些差异。