基于DIANA有限元软件的不同钢筋本构模型的对比分析

王 岩

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

钢筋本构模型作为有限元软件建模过程中的重要参数，对模型是否能正确模拟构件受力特性具有重要意义。针对钢筋混凝土本构模型，国内外许多学者开展了相关研究工作，王强等[1]使用ABAQUS用户子程序进行了二次开发，提出了适用于ABAQUS的混凝土本构模型，其提供的钢筋本构模型考虑了Bauschinger效应；展婷变等[2]提出了钢筋混凝土弹塑性损伤本构模型，很好地模拟了钢筋与混凝土之间的相互作用；张皓等[3]完成基于ABAQUS纤维梁的材料模型二次开发，开发模型可以更好地反映框架结构弹塑性地震反应；雷燕云等[4]对M-P钢筋滞回本构模型进行了修正，提高了弹塑性分析的分析效率。目前，对于混凝土剪力墙受低周往复荷载的有限元模拟，钢筋本构大都采用现行混凝土规范推荐的双折线本构模型，而由Menegotto提出的M-P模型，则可以更好地对剪力墙的滞回特性进行模拟分析，使用DIANA软件对剪力墙进行建模，使用双折线本构与M-P本构对同一片墙体进行模拟，并与试验数据进行对比分析。

1 模型处理

1.1 试验介绍

试验加载方案：在试件顶部施加1 000 kN竖向分布力，根据《高层建筑结构》[6]计算得到试验设计轴压比为0.32，实际轴压比为0.18。加载过程中，竖向轴压比保持不变，横向位移每级增加1 mm，从1 mm增加至10 mm，之后增加至12 mm，15 mm，20 mm，自12 mm位移起，每级荷载往复循环3次，之后从20 mm起每级增加10 mm至加载位移到达60 mm，试验结束。

表1 混凝土材料强度实测值 N/mm2

表2 钢筋材料强度实测值

1.2 模型建立

1.2.1钢筋本构模型的选择

为了通过对比得出钢筋两种不同本构模型对软件模拟剪力墙受低周循环往复荷载效果的影响，使用DIANA软件自带的M-P钢筋本构模型，取M-P钢筋本构模型和常用的双折线模型进行建模。

目前对剪力墙滞回性能的有限元模拟，常用的钢筋本构关系为GB 50010—2010混凝土结构设计规范[7]所提供的无屈服点的双折线型应力—应变本构关系曲线，见图2。

DIANA自带的M-P钢筋本构模型，由Menegotto于1973年提出，此种钢筋本构模型对于模拟钢筋受往复荷载具有计算速度快，精确度高的优点，使用DIANA有限元软件，可以直接调用M-P本构模型，见图3。

(1)

(2)

其中：

ε*=(ε-εr)/(ε0-εr)

(3)

σ*=(σ-σr)/(σ0-σr)

(4)

1.2.2模型建立

为使模型可以充分反映试验试件的几何和材料特性，使用Solid实体单元对墙体和加载梁进行建模，并将加载梁设置为弹性分析，用wire线单元对钢筋进行建模，DIANA软件材料属性赋值时可将wire单元自动设置为embedded，使钢筋以嵌固方式与墙体实体单元共同承载往复位移荷载。混凝土模型非线性分析选用弥散开裂总应变旋转裂缝模型，拉伸属性选用JSCE拉伸刚度模型，压缩属性选用前川模型。为使模型加载计算更加精确，根据试验加载方案对加载过程进行细化，共设置分析步115步，DIANA模型如图4所示。

2 计算结果及对比分析

通过计算，得出所建的两个模型，即M-P剪力墙模型和双折线剪力墙模型的计算结果及骨架曲线，并与实际试验结果进行对比。根据JGJ/T 101—2015建筑抗震试验规范[9]规定，取峰值荷载Fp的85%为模型计算所得极限荷载Fu，可得计算结果如表3所示，由表3可以看出，峰值荷载方面，采用M-P钢筋本构关系模型的计算误差在3%以内，而采用双折线关系的模型，其计算误差超过10%，同时可以看出，两种模型的计算值较实际试验所得数值均偏大，这是由于试验过程中加载梁实际加载位移受加载机械误差、加载梁自身形变等原因，实际的墙顶位移比理论值较小，而模型计算时，墙顶位移与理论值几乎一致，故计算所得结果比试验值偏大。由骨架曲线可发现，DIANA软件模拟剪力墙受力趋势与实际情况十分接近，采用M-P钢筋本构关系的模型吻合程度更高，见图5。

表3 计算结果与试验数值对比

3 结语

1)为对比M-P本构与双折线本构两种钢筋本构关系对剪力墙有限元模拟的影响，进行了有限元建模分析，计算结果显示，采用M-P钢筋本构关系的模型，极限荷载与试验结果误差在3%以内，双折线模型误差则超过10%，证明M-P钢筋本构对剪力墙低周往复荷载作用下的极限荷载以及滞回性能的模拟均好于目前常用的双折线钢筋本构关系，M-P本构更适用于模拟低周往复荷载下混凝土剪力墙的受力特征。

2)DIANA有限元软件作为欧洲开发的通用有限元软件，本身具有完善的结构计算单元以及各种材料属性可供用户自由调用，其在结构计算尤其是混凝土结构计算方面具有十分明显的优势，对混凝土开裂计算、混凝土滞回特性模拟计算结果十分理想。