ABAQUS 钢筋混凝土结构损伤塑性模型有限元分析研究

杨书灵

（国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京100010）

1 引言

作为一种具有非匀质特征的力学建筑材料，钢筋混凝土在建筑工程中得到广泛应用。在计算机技术发展的推动下，有限元算法逐渐在建筑工程中得到应用，并成了对钢筋混凝土结构进行研究的重要手段[1]。然而，与此同时，研究人员指出，在有限元软件中对混凝土材料进行模拟的难度相对较高，因此，相关机构应积极推动软件技术效果的优化。就目前而言，作为大型有限元分析软件之一，ABAQUS 在对材料进行非线性分析的问题上展现出了巨大的优越性。本次研究中，研究者以钢筋混凝土悬臂梁作为研究对象，选取损伤塑性模型对其进行了有限元分析与探索，从而为有限元分析工作提供了借鉴。

2 钢筋混凝土结构损伤塑性模型

在钢筋混凝土分析工作中，ABAQUS 具有较强的分析能力。现阶段，其所提供的混凝土模型主要包括混凝土材料裂缝模型、钢筋混凝土结构损伤塑性模型以及ABAQUS 混凝土开裂模型（见图1）。在应用过程中，钢筋混凝土结构损伤塑性模型多应用于动态加载、循环加载以及单向加载等场合中，通过各向同性损伤以及非关联塑性的方式对混凝土材料在破碎过程中出现无法恢复的损伤进行了有效的描述，从而进一步增强了模型所具有的收敛性[2]。

图1 ABAQUS 系统模型

3 模型工程材料及技法概念

3.1 钢筋本构关系

在本次研究中，研究对象所采用的本构关系是二折线模型为主，材料中无刚度退化的情况。在第一上升段中，折线的斜率是钢筋自身所具有的弹性模量，同时，在第二上升段中，钢筋以强化为主，在此段中，钢筋折线的斜率为第一段斜率的1%。

3.2 混凝土应力应变关系曲线

在本次研究所应用的模型中，混凝土所具有的本构关系依据有关部门发布的混凝土设计规范作为参照，在曲线中，所涉及到的应力应变关系可以通过函数表达式进行有效定义。

3.3 材料损伤

在工程建筑领域中，损伤主要指材料在重复加载与单调加载的情况下出现的材料性质劣化的现象。通常来说，宏观情况下的材料损伤主要指混凝土表面出现细微的裂纹。在对材料损伤状态进行描述的过程中，多使用损伤因子对损伤情况进行有效描述。同时，通过对材料在非弹性阶段所具有的应力应变关系进行分析，可以有效对材料的损伤因子数值进行计算。

3.4 混凝土塑性数值

一般来看，混凝土塑性数值主要指混凝土材料在压缩试验与单向拉伸试验中的数据，其主要用名义应力与名义应变进行表示，在计算过程中，为了对大变形过程中混凝土截面积的变化情况进行描述，应使用真实的应力与应变对其进行计算。

4 钢筋混凝土结构悬臂梁分析

4.1 钢筋混凝土结构模型的设计

通过对所选悬臂梁进行分析后可以得出，悬臂梁的相关参数如表1 所示。从力学参数的角度来看，该设备所具有的力学参数均符合相关规范的要求。

4.2 钢筋混凝土结构模型的有限元模型及参数计算

在计算过程中，使用T3D2 单元对钢筋进行计算，混凝土材料的计算采用C3D8R 单元进行，通过该方式，可以有效实现系统的分离建模。与此同时，通过Embedded 技术的应用，可以有效确保二者的自由度组合。此外，为了有效避免由于应用过于集中对梁端造成的局部破坏，应在梁端进行矩形离散刚片的设置，从而有效实现荷载的转移。在研究中，受到拉力影响的主筋，其屈服点应控制在335MPa，在这一过程中，其所对应的非弹性材料应变应回归到0，若应力到达355MPa，则材料的塑性应变公式如下：ε=335/摘要-355/摘要+（355-335）/摘要=0.摘要在计算过程中，为了便于数据的计算，应将应力355MPa时材料的塑性应变设置为0.01。

表1 钢筋混凝土悬臂梁相关参数

4.3 钢筋混凝土结构模型的计算结果

4.3.1 荷载控制

在荷载控制过程中，应在梁端施加向下的荷载，力度应控制在60kN，在受拉主筋屈服时，其所对应的荷载数量应控制在43.1kN，此时，主筋屈服位移应控制在9mm，此结果与相关资料中记载的结论具有较高的一致性[3]。

在屈服的同时，混凝土受拉区域中，其根部的损伤情况相对较为严重，由此可以证明，此时混凝土根部已经出现受拉开裂的情况，同时，由相关结果可以发现，从根部开始，混凝土的损伤逐渐减小，且损伤情况只出现在受拉的区域，该结论与相关研究中所表述的结论具有较高的符合度，由此表面，在对混凝土损伤情况进行描述的过程中，使用损伤因子可以对材料受损情况进行有效的描述。

4.3.2 位移控制

在梁端施加向下的位移，位移距离设为50mm，从而可以得出材料的荷载-位移曲线，曲线详见图2。通过曲线图可以得出，荷载在10kN 前，受拉混凝土未出现开裂情况，因此，相关构建保持在弹性阶段，当荷载达到10kN 时，混凝土受拉出现开裂的情况，此时，拉应力主要由主筋承担。当承载力达到51kN 时，材料位移距离约为20mm，由此可以得出，材料的屈服位移约为9mm。

5 数值相关分析

5.1 混凝土受损情况

通过荷载-位移曲线图（见图3）可以得出，混凝土受拉损伤的情况对于计算结果不会产生过大的影响，在无损伤的情况下，其极限承载力应上升10%，该结果与实际受力情况相吻合。

图2 悬臂梁荷载-位移曲线

图3 悬臂梁（损伤/无损）荷载-位移曲线

5.2 混凝土黏性系数

在对混凝土的黏性系数进行定义时，其黏性系数与结构硬度成正比，在分析过程中，研究者以0.01kN、0.001kN、0.005kN、0.摘要kN 作为参照进行了分析，结果发现，当荷载为0.01kN 时，相关曲线始终处于上升情况，由此证明，相关结构得到了相应的优化。

6 结语

经过对钢筋混凝土悬臂梁进行实测分析后可以得出，首先，在筋混凝土结构损伤塑性模型中，主要将混凝土受拉开裂与受压破碎作为基本准则，因此，在ABAQUS 中通过该模型对混凝土的非线性关系进行模拟具有较强的实用性。其次，在对混凝土进行计算的过程中，做好参数的合理取值，有利于实现材料收敛的有效计算。最后，在实际分析工作中，通过ABAQUS 中所应用的相关技术，可以有效对混凝土和钢筋之间所具有的黏连关系进行分析，从而有利于建模的精细化处理。然而，通过这种方式，无法有效实现钢筋滑移的模拟，因此还需要继续进行探索。