箱型梁抗剪性能有限元分析

邱 凱 張 申 宋志超/華北理工大學(xué)

箱型梁抗剪性能有限元分析

邱 凱 張 申 宋志超/華北理工大學(xué)

在ABAQUS軟件中建立箱型梁的數(shù)值模型進(jìn)行分析，包括建立混凝土單元、建立鋼筋單元、分析步與參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分等部分，得出模擬狀態(tài)下的荷載位移圖及相應(yīng)抗剪性能指標(biāo)，通過對(duì)箱型梁有限元模擬分析完成三種不同剪跨比（0.82、1.63、2.45）箱型梁荷載位移曲線的對(duì)比分析。

非線性有限元；ABAQUS；箱型梁；抗剪性能

前言

ABAQUS為現(xiàn)有最強(qiáng)大的有限元分析軟件之一，尤其特點(diǎn)在非線性分析領(lǐng)域，ABAQUS軟件可以處理工程力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)以及流－固耦合、熱－固耦合、熱－電耦合、聲－固耦合。具體非常強(qiáng)大的實(shí)際問題處理能力。并且具有良好的前后處理程序以及強(qiáng)大的非線性求解器。[1]其用戶涉及到電氣、土木、港行、汽車、熱動(dòng)等許多工程行業(yè)，在我國里，也有越來越多的人使用和開發(fā)ABAQUS有限元軟件。通過研究可以表明：通過建立正確的模型、優(yōu)化合理的材料參數(shù)以及選取合適的加載方式，ABAQUS 非線性有限元的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擁有較為理想的一致性[2]。

一、材料參數(shù)及模型建立

在ABAQUS軟件中擁有許多實(shí)體單元類型，而混凝土需運(yùn)用實(shí)體單元。實(shí)體單元包括以下幾種：2D平面中有三角形、四邊形，3D立體中有四面體、五面體和六面體單元，考慮到構(gòu)件是箱型梁，研究其抗剪性能研究，選用六面體單元精度較高。因此，混凝土采用C3D8R單元。

模型中鋼筋應(yīng)用TRUSS單元來模擬，采用其中T3D2單元。此單元優(yōu)點(diǎn)在于可承受徑向拉伸與壓縮作用，但不可承受彎矩，本次模擬忽略鋼筋的彎曲及滑移粘結(jié)作用。鋼筋模塊組合時(shí)候，特別需要注意要以Merge Parts的形式來連接鋼筋，而非普通的節(jié)點(diǎn)連接，這樣能提高鋼筋的整體剛度，并且計(jì)算結(jié)果更加精確。如果單獨(dú)使用節(jié)點(diǎn)將鋼筋連接在一起，那么可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)候鋼筋錯(cuò)位和變形過大，嚴(yán)重影響到模擬結(jié)果。

（一）混凝土

在ABAQUS中，對(duì)于混凝土的本構(gòu)模型有三種，分別為混凝土損傷塑形模型（Concrete Damaged Plasticity）、脆性破壞（Brittle Crack Concrete）、和彌散開裂模型（Smeared Crack Concrete）?？紤]到梁的抗剪性能，混凝土塑形損傷模型更為適合作為本構(gòu)模型，塑形損傷模型能更好的體現(xiàn)混凝土內(nèi)部的裂縫開展和應(yīng)力變化，對(duì)于加載后混凝土損傷和塑性變形，此模型具有更加精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)[3][4]。

C40混凝土的密度為2500kg/m3，C40混凝土的彈性模量為3.25×104MPa

C40混凝土的泊松比為0.3，膨脹角為38*，偏心率為0.1，粘性參數(shù)一般用于ABAQUS動(dòng)態(tài)分析顯示求解器，為了已易于結(jié)果收斂取值為0.00001。

（二）鋼筋

底板縱筋選用16根直徑16mm的HRB335帶肋鋼筋，箍筋為直徑10mm的HRB335帶肋鋼筋，頂板及腹板縱向鋼筋均采用直徑6.5mm的HPB235鋼筋。鋼筋的質(zhì)量密度為7800kg/3比為0.3。

（三）模型尺寸

模型梁梁長度為4.3m，計(jì)算跨徑4.0m，截面高度0.5m，有效高度為0.46m，箱型梁每側(cè)腹板厚度為80mm，頂板厚度為70mm，底板厚度為80mm。

圖1 截面配筋圖

二、網(wǎng)格劃分、邊界條件及加載方式

（一）網(wǎng)格劃分

有限元軟件需對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而網(wǎng)格劃分前大小各有利弊，需要選取一個(gè)適中的取值。較大的網(wǎng)格容易收斂，但是精確度較差，而較細(xì)的網(wǎng)格保證了精確度，然后運(yùn)算時(shí)間長，結(jié)果不易收斂。在劃分網(wǎng)格時(shí)，C3D8R單元可能出現(xiàn)數(shù)值沙漏問題，為避免此類問題發(fā)生，在構(gòu)件厚度方向至少劃分兩層單元。網(wǎng)格劃分。

（二）邊界條件及加載方式

梁下部兩端增加鋼板墊塊作為跤支座進(jìn)行約束，梁上中部區(qū)域?yàn)榧虞d受力點(diǎn)。位移控制大小采用30mm一個(gè)進(jìn)行加載。

三、有限元模擬加載結(jié)果

通過在ABAQUS軟件中對(duì)箱型梁進(jìn)行的模擬，得出的得出三種不同剪跨比下混凝土和鋼筋骨架受力云圖。通過ABAQUS軟件模擬的混凝土部分和鋼筋骨架部分受力云圖可以看出：

主要受力區(qū)域從箱型梁頂部加載點(diǎn)到梁端部支座區(qū)域，在箱型梁頂部加載點(diǎn)處有明顯的應(yīng)力顏色層，其中藍(lán)色為低應(yīng)力區(qū)域（所有構(gòu)件箱型梁應(yīng)力圖藍(lán)色為低應(yīng)力區(qū)域，紅色為高應(yīng)力區(qū)域，顏色由冷色變暖色代表應(yīng)力數(shù)值越來越高）。構(gòu)件整體應(yīng)力云圖趨勢(shì)從頂部往端部支座斜向發(fā)展，但是從鋼筋骨架受力云圖可以看出在加載點(diǎn)處箱型梁底板鋼筋應(yīng)力數(shù)值較高。從混凝土受力云圖和鋼筋骨架受力云圖可以看出箱型梁斜截面混凝土和鋼筋應(yīng)變均有變大的趨勢(shì)，因此隨著剪跨比的增大箱型梁所需承受的剪力越大，對(duì)箱型梁的抗剪越不利。

四、數(shù)據(jù)處理與分析

在ABAQUS軟件中對(duì)已經(jīng)建立的箱型梁模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)行了一些簡單的數(shù)據(jù)處理。繪制不同剪跨比下右加載點(diǎn)的荷載-位移曲線如圖2所示（圖2右上角為設(shè)計(jì)剪跨比數(shù)值）。

圖2 加載點(diǎn)荷載位移曲線

五、結(jié)論

從圖可以看出位移荷載曲線基本上呈三段式曲線。通過對(duì)ABAQUS中箱型梁在不同剪跨比下抗剪性能的研究可以得出隨著剪跨比的增大箱型梁所能承受的極荷載減小，與混凝土和鋼筋應(yīng)力云圖相符合。

[1] 聶建國,王宇航.ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型用于模擬結(jié)構(gòu)靜力行為的比較研究[J].工程力學(xué),2013.

[2]孫典龍.基于ABAQUS的型鋼混凝土柱抗震性能數(shù)值模擬研究[D].北京.工業(yè) 建筑出版社2015.

[3]石亦平,周玉榮.有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]莊茁,張帆,岺松等.非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.