基于ABAQUS纤维梁的钢筋混凝土材料模型二次开发

目的研究ABAQUS纤维梁钢筋混凝土材料本构模型,以解决软件中缺乏可用的三维梁单元约束混凝土材料模型及软件自带金属塑性材料模型无法考虑加卸载过程中刚度退化等问题.方法采用FORTRAN语言,基于经典混凝土和钢筋单轴材料本构模型,开发用于显式模块的钢筋混凝土梁单元材料子程序.首先,通过对钢筋的变幅值拉伸试验和素混凝土柱往复拉、压过程的模拟对子程序的有效性进行了初步验证;其次,分别采用不同的材料本构模型对钢筋混凝土梁、柱拟静力试验进行数值仿真,验证子程序用于构件分析的准确性和有效性;最后,以一个12层方钢管混凝土平面框架结构为例,分别建立二维和三维有限元模型,并进行地震作用下动力弹塑性时程分析.结果钢筋混凝土梁、柱试验的数值模拟结果与试验结果吻合良好,对比误差均小于4%,对钢管混凝土平面框架结构弹塑性地震反应分析结果也较为理想.结论采用不同钢筋加载规则得到的构件荷载-位移骨架曲线大致相同,但滞回捏拢行为有显著改变.与ABAQUS自带材料本构模型相比,笔者所开发的材料子程序可以更好地反映循环荷载作用下钢筋混凝土构件及结构的力学特性,可用于构件及结构的非线性分析.     

钢筋混凝土柱滞回性能的数值模拟

为准确模拟钢筋混凝土柱的滞回性能,文章基于截面纤维模型,采用钢筋和混凝土的单轴本构关系,利用CANNY程序对框架柱在低周反复荷载作用下的滞回性能进行模拟;并将计算的结果与7根不同配筋、截面、混凝土强度等级以及轴压比的柱试件进行对比分析。分析计算结果与试验结果吻合较好,表明所采用的材料本构模型及其分析方法能够较全面准确地反映钢筋混凝土柱在反复荷载作用下的复杂受力行为。     

基于ABAQUS的钢筋混凝土剪力墙抗震性能研究

通过选取合理钢材和混凝土的本构模型,基于有限元软件ABAQUS建立了带暗柱的钢筋混凝土剪力墙滞回性能有限元模型。通过与实验结果的对比,验证了本文数值模型的正确性,并研究了该类剪力墙的强度退化和耗能能力,分析了暗柱和墙板含钢率对剪力墙抗震性能的影响。结果表明,该建模方法能够较好的模拟钢筋混凝土剪力墙的刚度退化及滞回耗能,可为该类构件抗震性能分析提供参考。     

铁路桥梁新型柱板式高墩双柱模型的抗震性能

采用往复荷载下的钢筋和混凝土本构,用非线性有限元分析法研究铁路桥梁新型柱板式高墩双柱模型在低周往复荷载作用下的滞回特性、延性及耗能等抗震性能,研究墩柱截面形式、腹板厚度、墩柱配筋率对这些特性的影响.通过对4个缩尺模型的拟静力试验,进一步研究轴压比、腹板厚度和水平加载制度等对柱板式高墩破坏性状的影响.研究结果与数值模拟结果吻合较好,说明本文采用的分析方法结果可靠,新型柱板式高墩具有较好的抗震性能.     

复杂受力状态下密肋复合墙体框格有限元模拟

基于通用有限元计算分析软件并结合自定义材料子程序模型,对水平往复荷载及轴压力下的密肋复合墙体框格试件进行了梁式建模、壳式建模及梁壳式建模方式下的数值模拟.基于不同有限元建模方式,混凝土材料模型分别选用汪混凝土本构模型和经典混凝土弹塑性+断裂本构模型,而钢筋材料模型统一采用汪钢筋本构模型.通过计算结果与试验结果的对比分析,探讨了影响往复荷载下密肋复合墙体框格数值模拟的主要因素.     

双向往复加载下钢筋混凝土柱破坏过程的数值模拟

目的为准确地模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱构件的非线性及断裂破坏行为,实现钢筋混凝土框架结构强震作用下的倒塌破坏全过程仿真分析.方法基于通用有限元软件ABAQUS的显式求解模块,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序,并模拟了钢筋混凝土柱构件在单、双向水平往复荷载作用下的非线性性能发展以及断裂破坏过程.结果在加载幅值较小时,计算结果能够准确模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱的承载力与刚度变化、滞回捏拢行为以及双向弯曲耦合效应.在水平位移加载幅值分别达到45 mm、90 mm、165 mm时,构件中的保护层混凝土、核心混凝土、钢筋完全破坏,构件断裂.而单向加载构件的水平位移加载幅值达到285 mm时,构件才发生断裂破坏.结论计算结果与试验结果吻合良好.笔者方法能够较为准确地模拟钢筋混凝土柱在双向弯曲荷载作用下的非线性及断裂破坏过程.双向弯曲耦合作用严重降低了钢筋混凝土柱的承载能力及耗能性能.研究成果可用于钢筋混凝土框架结构在强震下的倒塌过程模拟分析.     

基于OpenSEES的SRC柱低周往复加载数值模拟

为研究型钢混凝土构件在往复荷载下的弹塑性滞回性能,采用开源的地震工程模拟系统OpenSEES进行有限元数值模拟。选用基于Kent-Scott-Park混凝土本构关系和Giuffr啨-Menegotto-Pinto钢筋本构关系的纤维模型,对钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)柱试件和型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete,SRC)柱试件建模。分析结果表明:将OpenSEES中基于纤维模型的位移型梁柱单元(Displacement-Based Beam-Column,DBBC)、零长度单元和P-Delta转换器结合使用,能体现SRC柱在不同轴压比下滞回环的特点,较好地反映型钢对混凝土柱强度与刚度的加强作用,模拟SRC柱试件在大变形下的非线性反应,可供SRC结构构件数值模拟和地震反应分析参考。     

基于纤维模型的型钢混凝土柱精细化建模分析

为研究型钢混凝土框架柱在反复荷载作用下的效应,采用开源的有限元分析软件OpenSEES,建立起基于纤维模型的型钢混凝土柱精细化模型,通过定义不同单轴材料本构模型的纤维来模拟其各自不同的应力—应变关系,结合非线性梁柱单元,形成完整的型钢混凝土柱模拟技术.并采用此模型对低周反复荷载作用下4个不同截面形式的型钢混凝土柱进行了滞回性能的全过程数值模拟.研究结果表明:此型钢混凝土柱精细化模型的数值模拟结果与试验结果吻合较好,所建立的型钢混凝土柱模型的OpenSEES数值模拟技术是合理、可行的,适用于基于纤维模型的型钢混凝土柱有限元数值模拟和受力性能的深入研究.     

装配式钢管混凝土梁柱节点的抗震性能研究

为了探究新型装配式钢管混凝土梁柱节点的抗震性能，本文利用ABAQUS有限元软件建立了5个节点数值模型，在合理选择材料本构模型及焊接模拟方法的基础上，计算各节点在水平低周往复荷载作用下的滞回性能，获得滞回曲线、骨架曲线、延性及耗能能力等抗震性能指标。结果表明：水平往复荷载作用下，随着节点域梁端延伸长度的增加，节点的位移延性系数呈增大趋势；当延伸长度在一定范围内时，节点的能量耗散系数及等效黏滞系数均会随之呈增大趋势。由此建议了钢管混凝土柱钢梁节点域梁端延伸长度的合理范围，以期为钢管混凝土梁柱节点在装配式住宅中的应用提供参考。     

混凝土密柱石膏复合墙板抗震性能及简化模型

混凝土密柱石膏复合墙板是一种由钢筋混凝土和石膏纤维板组成的可用于多高层建筑的新型组合墙体结构.本文对混凝土密柱石膏复合墙板在低周往复荷载作用下的滞回性能进行了数值分析,得到了复合墙板的滞回曲线和骨架曲线,讨论了剪跨比、轴压比等参数对复合墙板承载力、耗能能力及刚度退化等的影响.结果表明,混凝土密柱石膏复合墙板滞回曲线饱满,耗能能力较强,抗震性能较好,剪跨比对复合墙板滞回性能有较大影响.建立了混凝土密柱石膏复合墙板的等效带缝剪力墙简化分析模型.对等效带缝剪力墙的滞回分析表明,等效带缝剪力墙与混凝土密柱石膏复合墙板受力机理及滞回性能均较为接近,验证了采用等效带缝剪力墙进行混凝土密柱石膏复合墙板整体结构地震响应分析的适用性和可靠性.     

基于纤维模型的RC结构的钢筋本构关系研究

以基于纤维模型的OpenSees软件为平台,首先,选用常用的钢筋本构(Steel01,Steel02)和混凝土本构(Mander,Hoshikuma),对PEER数据库中的两个钢筋混凝土柱的拟静力试验进行了数值建模与对比分析;再采用OpenSees软件中Reinforcing Steel钢筋本构模型,对钢筋单调拉压试验、循环加载试验、疲劳试验以及钢筋混凝土柱拟静力试验进行了模拟与对比分析.结果表明:现有的混凝土本构模型已相对成熟,并能较好地满足非线性数值模拟的精度要求,混凝土本构模型的改变对计算结果的影响不大,而钢筋本构模型的改变则会对分析结果产生较大的影响;Reinforcing Steel模型有效地提高了非线性模拟分析的精度,但也存在着对钢筋滞回曲线捏拢效应体现不足、分析结果偏于保守、计算过程较为复杂且较难收敛等缺点,尚需要对钢筋本构模型进行进一步的改进与完善.     

基于纤维梁柱单元的钢筋混凝土柱往复荷载作用下破坏过程分析

为高效准确地模拟往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,基于结构精细化模拟分析平台(RSAPS)中的纤维梁柱单元模型,建立一种考虑损伤破坏的钢筋本构模型,并构建了材料破坏准则,从而建立了钢筋混凝土构件受力破坏的分析方法。应用RSAPS平台对钢筋混凝土柱往复加载试验进行模拟,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型可以很好地模拟构件的刚度和承载力退化过程,模拟结果与试验结果更为吻合;进一步对往复荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏过程进行模拟分析,结果表明考虑钢筋损伤破坏的模型能够准确地模拟由于局部材料失效破坏导致的钢筋混凝土构件承载力退化、耗能能力降低等非线性行为,可以较好地描述往复荷载作用下钢筋混凝土构件的破坏过程,可用于地震作用下建筑和桥梁结构倒塌过程分析。     

钢筋混凝土受弯构件正截面疲劳性能数值模拟

为了分析钢筋混凝土受弯构件在疲劳荷载作用下正截面力学性能随着时间不断变化的过程,用条带法数值模拟疲劳破坏的整个过程.在已有的钢筋和混凝土轴心疲劳本构关系基础上,根据粘结应力分布规律推导出平均截面的材料本构关系,运用条带法分析钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能,编制程序进行计算,程序计算结果与疲劳试验结果进行比较.数值模拟和试验结果表明:受压区高度及混凝土和钢筋的应变发展呈现两阶段规律,随着疲劳荷载次数的增加混凝土和钢筋的应力、应变发生重分布现象;程序和试验结果吻合较好.用编制的程序分析钢筋混凝土受弯构件的疲劳性能具有一定的精度,可部分代替冗长、昂贵的疲劳试验.     

钢筋混凝土板的三维非线性有限元分析

采用组合式钢筋混凝土非线性有限元方法,对集中荷载作用下钢筋混凝土板进行了极限承载力分析,混凝土材料采用弹塑性本构模型;为考虑材料达到极限强度后的性能,用弥散裂缝模式模拟混凝土拉裂后的应变软化及应力释放,用应变空间破坏面近似处理混凝土的压碎型破坏;钢筋采用等效薄膜模拟,经与试验结果对比,两者吻合性较好。     

有粘结和无粘结预应力型钢混凝土框架竖向抗震性能研究

为了研究预应力型钢混凝土(PSRC)结构在竖向地震作用下的抗震性能,完成了在梁中设置有粘结和无粘结预应力筋的两榀预应力型钢混凝土框架在竖向低周反复荷载作用下的试验研究,并采用ABAQUS有限元模型对试验曲线进行数值模拟。试验所得滞回曲线基本继承了型钢混凝土结构滞回曲线饱满的特点,并且有着预应力混凝土结构滞回曲线的捏拢效应。研究结果表明该结构形式具有较高的承载能力,优异的抗裂性能及裂缝闭合能力,以及较好的耗能能力和变形延性。ABAQUS计算所得滞回曲线与试验结果符合程度较好,模拟得到了滞回曲线的捏拢效应以及荷载下降段,说明了计算模型的可靠性,特别是所采用的损伤因子计算方法的可行性。     

基于ABAQUS的再生混凝土框架中节点抗震性能

文章利用有限元软件ABAQUS对再生混凝土梁柱节点进行建模分析和数值模拟,再生混凝土本构关系以普通混凝土本构模型为原型,结合再生混凝土材料性能试验进行修正,得到相应的本构关系及塑性损伤模型,能较好地模拟再生混凝土节点的受力状态,将框架中节点试验与分析结果进行对比分析。结果表明,试件Mises应力云图和极限阶段混凝土、钢筋变形图、刚度退化曲线模拟值与试验值吻合较好,证明了ABAQUS软件的模型及参数能较好地模拟再生混凝土构件的力学行为。     

OpenSees中Mander模型用于模拟钢筋混凝土柱滞回性能的适用性

对OpenSees软件提供的Concrete04和Concrete07两种基于Mander模型开发的混凝土本构模型的计算原理和参数取值进行详细的归纳;并建立有限元模型,对钢筋混凝土柱进行滞回性能分析.同时选取不同的塑性铰长度和等效刚度计算公式,分析其对钢筋混凝土柱滞回性能计算结果的影响.研究表明:采用Concrete07模型和中国规范给出的塑性铰长度计算公式,对钢筋混凝土柱滞回性能模拟的稳定性较好;不同的等效刚度取值对钢筋混凝土柱滞回性能计算结果的影响较小.     

钢管轻集料混凝土柱滞回性能影响因素研究

对钢管轻集料混凝土构件在水平往复荷载作用下的滞回性能进行了试验研究和有限元计算。分别以材料强度、轴压比和含钢率的变化为参数设计构件。混凝土本构模型采用修正后的塑性损伤模型,计算得到的各构件滞回曲线与试验结果对比,验证了模型的准确性。研究结果表明,钢管轻集料混凝土柱的破坏形态为钢管底部位置的局部鼓曲破坏,核心混凝土以受压损伤破坏为主;构件滞回曲线饱满,骨架曲线完整,表现出较好的滞回性能。核心轻集料混凝土强度、轴压比、径厚比和钢管强度分别对骨架曲线产生了一定的影响。各构件等效粘滞阻尼系数基本在0. 35左右,表现出了较好的耗能性能。     

基于离散单元法的杆段纤维模型研究

目的为使离散单元法能够适用于钢筋混凝土梁柱构件在往复荷载作用下的非线性分析.方法在离散单元法中杆段多弹簧模型的基础上,提出了杆段纤维模型.该模型将梁柱构件划分为若干刚体单元,相邻单元间由多个混凝土与钢筋轴向纤维组成的纤维束连接.并建立单元位移与纤维变形、纤维内力与单元约束力之间的变换矩阵,以形成单元与纤维束的力-位移关系.混凝土与钢筋轴向纤维,分别采用相应材料的单轴应力-应变本构模型.并开发了基于杆段纤维模型的钢筋混凝土结构非线性分析程序DEM-COLLAPSE.对钢筋混凝土柱进行算例分析,并与有限元分析结果进行对比.结果实现了将杆段纤维模型用于低周往复荷载作用下钢筋混凝土柱的非线性性能模拟.杆段纤维模型的计算结果与有限元模拟结果及试验结果均较为吻合.杆段纤维模型中纤维数量对计算结果影响较小,截面纤维束划分方式取5×5或7×7较为合理.结论笔者提出的杆段纤维模型使得离散单元法能够模拟钢筋混凝土梁柱构件在断裂破坏前的非线性性能,并具有与有限单元法相近的计算精度,拓展了离散单元法的应用范围与计算能力.     

基于OpenSEES的钢管混凝土组合柱抗震性能数值分析

为了研究低周往复荷载作用下钢管混凝土组合柱的抗震性能,采用有限元软件OpenSEES对其进行数值模拟.研究结果表明:OpenSEES可以很好地模拟钢管混凝土组合柱在往复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线,模拟的峰值承载力和试验结果吻合良好,误差小于10％.滞回曲线形状基本一致,能反映组合柱试件在反复加载过程中的刚度及强度的退化现象.