基于ABAQUS塑性损伤模型分析型钢混凝土梁的静力性能

【摘要】 介绍了采用ABAQUS塑性损伤模型对型钢混凝土结构进行非线性有限元数值模拟的实用技术和方法，其中重点介绍了模型中相关参数的设置。用该模型构件的抗弯、破坏性能进行模拟型钢混凝土梁，并与文献试验结果进行对比分析。计算结果表明，在准确合理建模和设置参数的前提下，可以利用ABAQUS中的塑性损伤模型准确地模拟型钢混凝土组合构件的静力性能。

【关键词】 有限元 塑性损伤模型 型钢混凝土梁 静力分析

型钢混凝土组合构件能充分发挥钢材和混凝土的优点，在实际工程中具有广阔的应用前景。目前常常采用试验以及数值模拟的方法来研究混凝土构件的性能。而随着计算机技术和有限元数值模拟方法的发展， 有限元法已成为研究混凝土结构性能的一种重要手段[1-2]，其中ABAQUS是有代表性的大型通用有限元软件 ，在我国土木工程结构分析中的应用日益广泛。

1. ABAQUS的塑性损伤模型

ABAQUS的损伤塑性模型采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来表征混凝土的非弹性行为。该模型的适用范围比前述的弥散裂缝模型更广泛，它不仅可用于分析一般的承受单调加载的混凝土结构，也可用于反复荷载作用下以及动力荷载作用下的混凝土结构的分析。文献[3]采用塑性损伤模型对钢管混凝土构件的力学性能进行了较为深入的研究，为本文的研究提供了良好的参考。

2. 型钢混凝土梁实例分析

2.1 型钢混凝土梁试件

本文分析采用文献[5]箱形型钢混凝土梁的试验研究的KL5，截面尺寸及特征件图1。

2.2 材料及单元选取

ABAQUS损伤塑性模型中混凝土单轴受压时采用Hognestad建议的上升段二次抛物线和下降段直线的应力-应变关系曲线， 峰值应变取0.002， 为极限压应变，取为0.0038。本模型中混凝土单轴受拉的应力-应变关系采用二折线， 取为0.01。钢材及钢筋的应力应变关系采用理想弹塑性模型。

在ABAQUS中，混凝土、型钢采用三维实体单元C3D8R，钢筋均采用三维空间杆单元T3D2。分析中近似地假定钢筋、型钢与混凝土之间为完全粘结而不考虑它们之间的粘结和滑移。建模时先建立混凝土模型，形成PART1，再建立纵筋、箍筋及腰筋筋的骨架模型，形成PART2，型钢形成PART3，然后把PART2及PART3嵌入（Embed）到混凝土模型PART1中，使之在荷载作用下共同受力。这种方法没有考虑钢筋、型钢和混凝土之间的粘结滑移作用。

为防止支座处应力集中，有方法是在边界条件与混凝土梁之间设置了一个弹性过渡层[6]，通过设置有摩擦的接触属性实现与混凝土单元的变形协调。本文的模拟中采用在混凝土上直接延伸出加载和支座垫板，垫板单元为C3D8R，材料属性为弹性，这样可以减少混凝土与垫板之间的约束，加速数值计算的收敛。同时在单元划分时混凝土在型钢和钢筋接触的地方剖切开，除箍筋外，其余单元网格划分时采取相同的size划分，这些都可以保证单元节点在整体坐标系下保证一一对应。

2.4 有限元结果与试验结果的对比

2.4.1 荷载位移曲线

图2给出箱形型钢混凝土梁荷载-挠度曲线试验结果和有限元结果对比，由图可以看到，虽然在试验曲线与有限元曲线略有分歧，但总体上有限元分析结果与试验结果吻合良好。试验中梁的开裂荷载为838kN，有限元分析值为811kN。荷载位移曲线中有限元计算值有明显的转折，刚度部分表现得比试验值要大，这可能是由于未考虑钢材与混凝土之间的粘结滑移，而将其作为整体分析造成的结果，整体上有限元计算值是可靠的。

2.4.2 裂缝图对比

塑性损伤模型在材料积分点处不会演化出现裂纹，而是通过图示方法显示裂纹的方向。当某点的拉伸等效塑性应变大于零切最大主塑性应变为正值时，初始裂纹就在该点产生，裂纹面的法向矢量与最大主塑性应变方向（PEMAX）平行，即裂纹方向与最小主塑性应变PEMin相同。以下图3～图4中给出了模型结果中838kN时PEMin图与试验记录的裂缝图对比，可以看出有限元在一定程度上能较好地显示裂缝示意图。

3 结语

本文通过试验对比，介绍了ABAQUS的塑性损伤模型在研究型钢混凝土梁的静力性能中的应用。详细讨论了模型中在模拟时各个参数的设置方法。计算结果表明，在合理建模和参数设置情况下，ABAQUS的塑性损伤模型能基本能反映该模型各材料的荷载效应过程。但是 ，在该算例中 ，由于混凝土开裂后的软化现象定义还存在大量的简化， 以及钢材、钢筋与混凝土之间的连接采用的是“Embedded”植入技术，与实际也有出入。如何从数值分析更好地模拟钢材与混凝土之间的关系以及混凝土开裂后的软化是需要进一步深入研究的问题。

参考文献

[1]沈聚敏，王传志，江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京：清华大学出版社，1993

[2]吕西林，金国芳，吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海：同济大学出版社， 1997

[3]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京：科学出版社，2007

[4]江见鲸，陆新征，叶列平. 混凝土结构有限元分析.北京：清华大学出版社.2005

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