箱型梁抗剪性能有限元分析

邱凯　张申　宋志超

【摘 要】在ABAQUS软件中建立箱型梁的数值模型进行分析，包括建立混凝土单元、建立钢筋单元、分析步与参数设置、网格划分等部分，得出模拟状态下的荷载位移图及相应抗剪性能指标，通过对箱型梁有限元模拟分析完成三种不同剪跨比（0.82、1.63、2.45）箱型梁荷载位移曲线的对比分析。

【关键词】非线性有限元；ABAQUS；箱型梁；抗剪性能

前言

ABAQUS为现有最强大的有限元分析软件之一，尤其特点在非线性分析领域，ABAQUS软件可以处理工程力学、传热学、流体力学、声学、电学以及流-固耦合、热-固耦合、熱-电耦合、声-固耦合。具体非常强大的实际问题处理能力。并且具有良好的前后处理程序以及强大的非线性求解器。[1]其用户涉及到电气、土木、港行、汽车、热动等许多工程行业，在我国里，也有越来越多的人使用和开发ABAQUS有限元软件。通过研究可以表明：通过建立正确的模型、优化合理的材料参数以及选取合适的加载方式，ABAQUS 非线性有限元的计算结果与试验结果拥有较为理想的一致性[2]。

一、材料参数及模型建立

在ABAQUS软件中拥有许多实体单元类型，而混凝土需运用实体单元。实体单元包括以下几种：2D平面中有三角形、四边形，3D立体中有四面体、五面体和六面体单元，考虑到构件是箱型梁，研究其抗剪性能研究，选用六面体单元精度较高。因此，混凝土采用C3D8R单元。

模型中钢筋应用TRUSS单元来模拟，采用其中T3D2单元。此单元优点在于可承受径向拉伸与压缩作用，但不可承受弯矩，本次模拟忽略钢筋的弯曲及滑移粘结作用。钢筋模块组合时候，特别需要注意要以Merge Parts的形式来连接钢筋，而非普通的节点连接，这样能提高钢筋的整体刚度，并且计算结果更加精确。如果单独使用节点将钢筋连接在一起，那么可能会导致计算时候钢筋错位和变形过大，严重影响到模拟结果。

（一）混凝土

在ABAQUS中，对于混凝土的本构模型有三种，分别为混凝土损伤塑形模型（Concrete Damaged Plasticity）、脆性破坏（Brittle Crack Concrete）、和弥散开裂模型（Smeared Crack Concrete）。考虑到梁的抗剪性能，混凝土塑形损伤模型更为适合作为本构模型，塑形损伤模型能更好的体现混凝土内部的裂缝开展和应力变化，对于加载后混凝土损伤和塑性变形，此模型具有更加精准的优势[3][4]。

C40混凝土的密度为2500kg/m3，C40混凝土的弹性模量为3.25×104MPa

C40混凝土的泊松比为0.3，膨胀角为38*，偏心率为0.1，粘性参数一般用于ABAQUS动态分析显示求解器，为了已易于结果收敛取值为0.00001。

（二）钢筋

底板纵筋选用16根直径16mm的HRB335带肋钢筋，箍筋为直径10mm的HRB335带肋钢筋，顶板及腹板纵向钢筋均采用直径6.5mm的HPB235钢筋。钢筋的质量密度为7800kg/3比为0.3。

（三）模型尺寸

模型梁梁长度为4.3m，计算跨径4.0m，截面高度0.5m，有效高度为0.46m，箱型梁每侧腹板厚度为80mm，顶板厚度为70mm，底板厚度为80mm。

二、网格划分、边界条件及加载方式

（一）网格划分

有限元软件需对模型进行网格划分，而网格划分前大小各有利弊，需要选取一个适中的取值。较大的网格容易收敛，但是精确度较差，而较细的网格保证了精确度，然后运算时间长，结果不易收敛。在划分网格时，C3D8R单元可能出现数值沙漏问题，为避免此类问题发生，在构件厚度方向至少划分两层单元。网格划分。

（二）边界条件及加载方式

梁下部两端增加钢板垫块作为跤支座进行约束，梁上中部区域为加载受力点。位移控制大小采用30mm一个进行加载。

三、有限元模拟加载结果

通过在ABAQUS软件中对箱型梁进行的模拟，得出的得出三种不同剪跨比下混凝土和钢筋骨架受力云图。通过ABAQUS软件模拟的混凝土部分和钢筋骨架部分受力云图可以看出：

主要受力区域从箱型梁顶部加载点到梁端部支座区域，在箱型梁顶部加载点处有明显的应力颜色层，其中蓝色为低应力区域（所有构件箱型梁应力图蓝色为低应力区域，红色为高应力区域，颜色由冷色变暖色代表应力数值越来越高）。构件整体应力云图趋势从顶部往端部支座斜向发展，但是从钢筋骨架受力云图可以看出在加载点处箱型梁底板钢筋应力数值较高。从混凝土受力云图和钢筋骨架受力云图可以看出箱型梁斜截面混凝土和钢筋应变均有变大的趋势，因此随着剪跨比的增大箱型梁所需承受的剪力越大，对箱型梁的抗剪越不利。

四、数据处理与分析

在ABAQUS软件中对已经建立的箱型梁模型进行了数值模拟，进行了一些简单的数据处理。绘制不同剪跨比下右加载点的荷载-位移曲线如图2所示（图2右上角为设计剪跨比数值）。

五、结论

从图可以看出位移荷载曲线基本上呈三段式曲线。通过对ABAQUS中箱型梁在不同剪跨比下抗剪性能的研究可以得出随着剪跨比的增大箱型梁所能承受的极荷载减小，与混凝土和钢筋应力云图相符合。

参考文献：

[1] 聂建国，王宇航.ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J].工程力学，2013.

[2]孙典龙.基于ABAQUS的型钢混凝土柱抗震性能数值模拟研究[D].北京.工业 建筑出版社2015.

[3]石亦平，周玉荣.有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]庄茁，张帆，岺松等.非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.endprint