abaqus與seismostruct軟件擬靜力分析[轉(zhuǎn)載]

2017-06-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文參照2011年清華大學(xué)完成的鋼筋混凝土框架柱擬靜力試驗(yàn)的豎向軸力和水平位移數(shù)據(jù),采用abaqus子程序pq-fiber和seismostruct軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析,所得的滯回曲線與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

一、試驗(yàn)概況

清華大學(xué)完成了兩根鋼筋混凝土框架柱的擬靜力實(shí)驗(yàn),并依照試驗(yàn)舉行了鋼筋混凝土框架柱滯回分析競賽,邀請(qǐng)各位研究者參與預(yù)測相應(yīng)滯回反力的大小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像參見中國建筑學(xué)會(huì)抗震防災(zāi)分會(huì)建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌專業(yè)委員會(huì)的官方網(wǎng)站(http://www.collapse-prevention.net/show.asp?ID=11&adID=2)。

二、pq-fiber建模

1、本構(gòu)模型

1)、混凝土本構(gòu)

鋼筋本構(gòu)采用PQ-Fiber中UCONCRETE02模型,本模型與OpenSEES中的Concrete02模型相同(McKenna, 1997)。該模型通過改變混凝土受壓骨架曲線的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及軟化段斜率來考慮橫向箍筋的約束影響,且可以考慮混凝土的剩余強(qiáng)度;而混凝土受拉時(shí)的上升段和下降段均為直線,可考慮混凝土的初始開裂。UCONCRETE02混凝土模型是在簡化與精確之間的一種較好的平衡,對(duì)鋼筋混凝土橋墩非線性分析有良好的精度。其受壓骨架曲線分以下3段加以描述:

圖往復(fù)加載時(shí)的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2)普通鋼筋

普通鋼筋本構(gòu)采用PQ-Fiber中USteel02模型。鋼筋在反復(fù)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系對(duì)橋墩滯回曲線的模擬有重要影響,選擇合理、恰當(dāng)?shù)匿摻顟?yīng)力-應(yīng)變滯回模型是較可靠地模擬鋼筋混凝土橋墩非線性滯回反應(yīng)的關(guān)鍵。USteel02模型使用Clough (1966)提出最大點(diǎn)指向型雙線性模型,再加載剛度按Clough本構(gòu)退化的隨動(dòng)硬化單軸本構(gòu)模型。

圖2.2往復(fù)加載時(shí)的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2、數(shù)據(jù)文件

*Node
1,0,0
2,0,25
3,0,50
4,0,75
5,0,100
6,0,125
7,0,150
8,0,175
9,0,200
10,0,250
11,0,300
12,0,350
13,0,400
14,0,450
15,0,500
16,0,550
17,0,600
18,0,650
19,0,700
20,0,750
21,0,800
22,0,850
23,0,900
24,0,950
25,0,1000
26,0,1030
*Element,type=B21,elset=all
1,1,2
2,2,3
3,3,4
4,4,5
5,5,6
6,6,7
7,7,8
8,8,9
9,9,10
10,10,11
11,11,12
12,12,13
13,13,14
14,14,15
15,15,16
16,16,17
17,17,18
18,18,19
19,19,20
20,20,21
21,21,22
22,22,23
23,23,24
24,24,25
25,25,26
*Nset,nset=Fix
1,
*Nset,nset=Load
20,
*Nset,nset=Load1
26,
*BeamSection,elset=All,material=UCONCRETE02,temperature=GRADIENTS,section=RECT
200.,200.
0.,0.,-1.
25,
*TRANSVERSE SHEAR STIFFNESS
1.0e16,1.0e16,SCF
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar01
All,50.24,75,75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar02
All,50.24,-75,75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar03
All,50.24,-75,-75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar04
All,50.24,75,-75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar05
All,50.24,0,75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar06
All,50.24,0,-75
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar07
All,50.24,-75,0
*rebar,element=beam,material=USTEEL02,name=rebar08
All,50.24,75,0
*Amplitude,name=Cyclic
0.,0.,1.,5.,2.,0.,3.,-5.
4.,0.,5.,10.,6.,0.,7.,-10.
8.,0.,9.,15.,10.,0.,11.,-15.
12.,0.,13.,20.,14.,0.,15.,-20.
16.,0.,17.,25.,18.,0.,19.,-25.
20.,0.,21.,30,22.,0.,23.,-30.
24.,0.,25.,35.,26.,0.,27.,-35.
28.,0.,29.,40.,30,0,31,-40
32,0,33,45,34,0,35,-45
36,0,37,50,38,0,39,-50
40,0,41,60,42,0,43,-60
44,0
*Material,name=UCONCRETE02
*Depvar
5,
*UserMaterial,constants=8
38.5,0.0026,21.175,0.048,0.11,3,3000.,0.002
*Material,name=USTEEL02
*Depvar
5,
*UserMaterial,constants=3
200000.,582,0.01
*Boundary
Fix,1,1
Fix,2,2
Fix,6,6
*Step,name=Axial,inc=100,nlgeom=yes
*Static
0.1,1.,1e-5,1.
*CLoad
Load1,2,-140780.
*Output,field
*NodeOutput
U,
*ElementOutput,directions=NO
E,PE,PEEQ,S
*EndStep
*Step,name=Lateral,inc=10000,nlgeom=yes
*Static
0.1,44,1e-7,.2
*Boundary,amplitude=Cyclic
Load,1,1,1.
*Controls,reset
*Controls,parameters=line search
8,,,,0.15
*Controls,parameters=field,field=displacement
0.05,0.05,,,0.02,1e-05,0.001,1e-08
,1e-05,1e-08
*Controls,parameters=time incrementation
,,,,,,,10,,,
*Output,field
*NodeOutput
U,
*ElementOutput,directions=NO
E,PE,PEEQ,S
*Output,history
*NodeOutput,nset=load
RF1,U1,U2
*EndStep

三、seismostruct建模

1、seismostruct簡介

SeismoStruct是一個(gè)屢獲殊榮的有限元包,能夠預(yù)測大排量空間框架下的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷的行為,同時(shí)考慮幾何非線性和材料無彈性。包含混凝土,鋼,玻璃鋼以及小型材料模型,可用于各種各樣的預(yù)先定義的鋼,混凝土和復(fù)合段配置。

從我使用的情況來看,seismostruct是一款十分容易上手的纖維單元有限元抗震分析軟件,其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的分析較為準(zhǔn)確,不過有一個(gè)缺點(diǎn)是不能加載預(yù)應(yīng)力筋。

開始建模前要選擇分析類型為:Static Time-history analysis

2、本構(gòu)模型

1)、混凝土本構(gòu)

混凝土采用Mander約束混凝土模型;

2)、鋼筋本構(gòu)

鋼筋采用二直線模型:

3、建立截面

注意的是,C30_U是保護(hù)層混凝土本構(gòu),C30_C是核心混凝土本構(gòu)。

4、建立Element Class

這里采用Inelastic displacement-based frame element,即使用剛度矩陣進(jìn)行計(jì)算,截面有152個(gè)纖維單元。

除了Beam-Column Element,還需要建一個(gè)Link Element,我目前不太清楚這個(gè)單元是做什么的,應(yīng)該有點(diǎn)像opensees中的零單元,如果不加這個(gè)單元,計(jì)算結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)小毛刺。

下一步是建立節(jié)點(diǎn)、單元和約束,不用多說了。

5、導(dǎo)入Time-history曲線

這是一個(gè)十分方便的功能,跟seismosignal導(dǎo)入地震波方法差不多,先在Excel中把位移與時(shí)間的數(shù)據(jù)復(fù)制到txt文件中,然后再導(dǎo)入即可。

然后編輯分析步,由上圖可知,起止時(shí)間為0-460.7s,增量0.1s,那么我們就把End of stage設(shè)置成460.7,分析步設(shè)置成4607步。

6、建立荷載

軸力:

水平位移:

建好的模型如下:

三、分析結(jié)果

從上面滯回曲線對(duì)比可得,兩款軟件分析試件所能承擔(dān)的最大水平力與試驗(yàn)較吻合。pq-fiber負(fù)向加載滯回曲線與試驗(yàn)復(fù)合較好,而正向出現(xiàn)了不可預(yù)知的結(jié)果,也可以說是錯(cuò)誤,這可能是由于鋼筋和混凝土本構(gòu)取值不準(zhǔn)確。而seismostruct分析結(jié)果在水平位移40mm以前與試驗(yàn)值吻合較好,而水平位移40mm以后出現(xiàn)了錯(cuò)誤,可能是由于軟件認(rèn)定水平位移超40mm后混凝土不起作用,因此會(huì)呈現(xiàn)線性特征。對(duì)比而言,seismostruct軟件由于便捷的材料定義、準(zhǔn)確的分析結(jié)果、友好的交互界面,在鋼筋混凝土抗震分析上有一定優(yōu)勢,而abaqus作為一款通用非線性有限元分析軟件,可分析復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu),更加靈活多樣,比如預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),這一點(diǎn)是seismostruct需要改進(jìn)的。

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