钢筋混凝土构件ABAQUS有限元模拟分析理论研究

钢筋混凝土构件 ABAQUS有限元模拟分析理论研究

闫丽萍

淄博职业学院

摘 要：ABAQUS是一套功能非常强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。ABAQUS有限元分析混凝土损伤塑性模型理论主要有弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、断裂力学理论、损伤力学理论和内时理论等。

关键词：ABAQUS；有限元分析

1 ABAQUS有限元软件介绍

ABAQUS是一套功能非常强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。ABAQUS具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状。ABAQUS也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料（例如土壤和岩石）等。作为一种通用的模拟工具，应用ABAQUS不仅能够解决结构分析（应力/位移）问题，而且能够模拟和研究热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热-电耦合分析）、声学、土壤力学（渗流-应力耦合分析）和压电分析等广阔领域中的问题。

ABAQUS为用户提供了广泛的功能，使用起来十分简便，即便是最复杂的问题也可以很容易的建立模型。例如，对于多部件问题，可以通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将他们组装成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性的问题，用户仅需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件和载荷工况等工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则。ABAQUS不仅能够自动选择这些参数的值，而且在分析过程中也能不断地调整这些参数值，以确保获得精确的解答。用户几乎不必去定义任何参数就能控制问题的数值求解过程。

ABAQUS由两个主要的分析模块组成：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。其中在ABAQUS/Standard中还附加了三个特殊用途的分析模块：ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design和ABAQUS/Foundation。另外，ABAQUS还分别为Moldelow和MSC.ADAMS提供了Moldelow接口和ADAMS/Flex接口。ABAQUS/CAE是集成的ABAQUS工作环境，包含了ABAQUS模型的建立、交互式提交作业和监控运算过程以及结果评估（即后处理）等能力。ABAQUS/Viewer是ABAQUS/CAE的子模块，它只包含其中的后处理功能。

2 ABAQUS有限元分析的基本理论

在混凝土的数值分析中，必须考虑混凝土组成材料的力学性能，其中混凝土本构关系的模型对钢筋混凝土结构的非线性分析有重大影响。所谓混凝土的本构关系主要是指混凝土在多轴状态下的应力-应变关系。在连续介质力学中，有关变形体的本构关系有很多模型或理论。在建立混凝土的本构关系时往往基于已有的理论框架，再针对混凝土的力学特性，确定以及适当调整本构关系中的各种材料参数。已有的理论模型主要有：弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、断裂力学理论、损伤力学理论和内时理论等。由于混凝土材料的复杂性，还没有哪一种理论已被公认可以完全描述混凝土材料的本构关系，在分析结构时，不同的学者基于不同的理论会建立不同的本构模型。

ABAQUS软件对于钢筋混凝土结构，具有很强的分析能力。它主要提供了两种混凝土本构关系模型，分别是：混凝土损伤塑性模型(Concrete Damaged Plasticity)和混凝土弥散开裂模型(Smeared Crack Concrete)，另外在ABAQUS/Explicit模块中还提供了一种脆性破坏模型(Brittle Crack Concrete)。

损伤塑性模型提供了一种对混凝土以及准脆性材料进行建模分析的能力，模型采用各向同性的损伤弹性理论与各向同性的拉伸、压缩塑性理论结合的概念来定义混凝土的非弹性行为，在定义混凝土材料时，考虑到混凝土在受力过程中刚度的退化、性能的变化等，引入损伤概念，并且将非关联硬化引入弹塑性本构模型中，以期更好的模拟混凝土的受压弹塑性行为，还可以认为控制裂缝闭合前后的行为，更好模拟反复荷载作用下的混凝土构件，即运用ABAQUS混凝土损伤塑性模型可以较好的模拟单向加载、动力加载以及反复加载状态下的构件。

因此在采用ABAQUS/Standard模块进行分析时，混凝土的本构模型采用损伤塑性模型。

由于混凝土是一种性能复杂的非线性材料，许多学者都提出了各自的本构关系模型，大体可分为两种：其一，由Mizuno- Hatanakad、Casey- Naghdi及Yoder- Iwan等人提出的基于应变空间的本构关系模型；其二，基于应力空间的本构关系模型。其中损伤力学模型能够更好地从本质上反映混凝土材料的非线性性能，利用该本构模型计算分析的结果也较为准确。

ABAQUS自身携带一种混凝土本构模型——塑性损伤模型（Concrete Damaged Plasticity Model），它是在Hillerborg等人的研究基础上发展而来的。此模型中的混凝土的非弹性行为是通过各向同性损伤弹性、各项同性拉伸和压缩塑性相结合来表征的，而在破坏过程中材料的不可逆损伤行为则是通过各向同性弹性损伤理论和非关联多重硬化塑性理论来表征的。

混凝土塑性损伤模型是一个基于塑性的连续介质损伤模型，主要在以下几方面做了一些假定：1）考虑单轴压缩拉伸力学行为对模型损伤的贡献；2）模型的失效是通过拉伸开裂及压碎来表现的；3）塑性应变曲线和单轴应力─应变关系曲线间存在一定的联系，通过一定的方式可进行两者间的转化。所以该模型具有良好的数值收敛性，可以用于单向加载，循环加载及动态加载的加载模式，故通常选取混凝土塑性损伤模型作为混凝土的本构模型。