火災(zāi)后鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)滑移模擬.doc

1、火災(zāi)后鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)鋼筋粘結(jié)滑移模擬鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)在受到火災(zāi)作用后，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力出現(xiàn)了大幅度的下降，這就導(dǎo)致了兩者之間較大的粘結(jié)滑移現(xiàn)象.在進(jìn)行鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)抗震性能研究的時(shí)候，其滯回曲線出現(xiàn)了大的滑移現(xiàn)象,這與兩者之間粘結(jié)力下降導(dǎo)致的滑移量增大有著直接的關(guān)系。在ABAQUS中利用非線性彈簧單元來模擬兩者間的粘結(jié)滑移是比較合適的，下面介紹彈簧單元及在本次模擬中的應(yīng)用.第一部分：彈簧單元彈簧單元時(shí)一種連接單元，在ABAQUS中它具有以下的性質(zhì)：1。能夠?qū)⒘拖鄬ξ灰坡?lián)系起來2.在ABAQUS/CAE中能夠?qū)⑾鄬D(zhuǎn)角和彎矩聯(lián)系起來3.可以是線性的也可以是非線性的4.如果是線性彈簧,可以

2、基于頻率直接進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析5.也可以基于溫度和其他場變量的求解6.可以通過虛擬的彈簧剛度來模擬理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)阻尼因子彈簧單元始終利用力和位移來描述。當(dāng)彈簧與某一自由度上的位移相關(guān)時(shí)，相對位移和力這些變量就在彈簧單元中表現(xiàn)。如果彈簧單元與某一自由度上的轉(zhuǎn)角相關(guān)，它就是扭轉(zhuǎn)彈簧，相對轉(zhuǎn)角通過彈簧轉(zhuǎn)化成彎矩.粘滯性彈簧的行為在ABAQUS/CAE中可以通過頻變彈簧和頻變阻尼的組合成功模擬。典型應(yīng)用彈簧單元被用來模擬實(shí)際的物理彈簧和理想化的軸向扭轉(zhuǎn)組件。還可以模擬阻止剛體運(yùn)動(dòng)的反力。它們還可以通過假設(shè)的彈簧剛度指定結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)來模擬結(jié)構(gòu)的阻尼.選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋蚐pring1，Spring2單元可

3、以應(yīng)用在隱式分析中，Spring1用在定義點(diǎn)和區(qū)域之間,Spring2用在定義點(diǎn)和點(diǎn)之間，這兩種單元作用的都是以特定的方向.SpringA可以應(yīng)用在顯示分析也可以應(yīng)用在顯式分析中，通過連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用線產(chǎn)生作用，因此在大的位移相應(yīng)分析中這個(gè)作用線可能會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。Spring1，Spring2彈簧單元都能夠定義位移和旋轉(zhuǎn)的自由度（后種情況被稱為扭轉(zhuǎn)彈簧）。然而，在大位移響應(yīng)分析時(shí)應(yīng)用扭轉(zhuǎn)彈簧需要仔細(xì)考慮在節(jié)點(diǎn)上整體的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。因此，在大位移響應(yīng)分析時(shí)，連接單元應(yīng)用的比扭轉(zhuǎn)單元更加廣泛。Input 文件使用方法使用下面的方式定義點(diǎn)和區(qū)域間的作用方向不變的彈簧Element，type=Spring

4、1使用下面的方式定義點(diǎn)和點(diǎn)的作用方向不變的彈簧*Element,type=Spring2使用下面的方式定義點(diǎn)和點(diǎn)的作用方向由兩點(diǎn)間的作用線定義的彈簧*Element，type=SpringAABAQUS/CAE使用方法在Property和Interaction模塊中：點(diǎn)擊SpecialSprings/DashpotsCreate，然后選擇下列方式定義不同的彈簧單元：Connect Points to Ground:選擇點(diǎn)，然后定義彈簧剛度（等同于Spring1）Connect two Points ：選擇Axis：specify fixed direction，然后定義彈簧剛度(等同于Spri

5、ng2)Connect two Points :選擇Axis：Follow line of action，然后定義彈簧剛度(等同于SpringA）在顯式分析中的穩(wěn)定性SpringA單元引入了兩點(diǎn)之間的剛度但是沒有引入與之相關(guān)的質(zhì)量。在隱式動(dòng)態(tài)分析中這代表著一個(gè)無可避免的不穩(wěn)定因素。彈簧的節(jié)點(diǎn)不可避免的會有一些附加質(zhì)量，通過相鄰節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)；如果這個(gè)條件不滿足，ABAQUS/Explicit將會出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤信息。如果這個(gè)彈簧單元不是太剛強(qiáng)（相對于相鄰的），穩(wěn)定的時(shí)間增量由隱式動(dòng)力方程確定將能夠保證計(jì)算的穩(wěn)定。相對位移的定義相對位移的定義是取決于單元類型的,不同的彈簧單元相對位移的概念是不同的.1.

6、Spring1對于Spring1單元來說，相對位移就是在i方向上，彈簧幾點(diǎn)的位移.2。 Spring2對于Spring2單元來說,相對位移就是彈簧的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在i方向的位移與第二個(gè)節(jié)點(diǎn)在j方向的位移的差值。Spring2單元如何按照上述公式起作用是非常重要的,應(yīng)為這種彈簧可以完成許多不好描述的行為。例如，當(dāng)按照圖3-1所示方式建立Spring2單元就會形成一個(gè)壓縮彈簧。圖3-1:壓縮彈簧示意圖如果節(jié)點(diǎn)位移為、，彈簧就表現(xiàn)為壓縮，此時(shí)在Spring2上的力就是正的。要想獲得拉伸彈簧，Spring2單元需要按照圖3-2所示進(jìn)行建立。圖3-2:拉伸彈簧示意圖3.SpringA對于幾何線性分析來說，相

7、對位移就是沿著SpringA單元規(guī)定的方向上發(fā)生的位移。其中是彈簧單元在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的參考方向，是彈簧單元在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的參考方向.對于幾何分線性分析來說，SpringA單元的相對位移是彈簧單元咋長度方向上最初和當(dāng)前狀態(tài)的改變量。其中是當(dāng)前彈簧單元的長度,是最初的長度。這里的和是彈簧節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置。SpringA單元中任何一種情況，當(dāng)受拉時(shí)力就是正的。定義彈簧行為彈簧可以定義為線性的也可定義為非線性的，在任何一種情況中,用戶都必須將彈簧行為和作用的區(qū)域的定義出來。INP文件的定義方法:*Spring， Elset=name其中Elset（單元集合）需要指定一個(gè)彈簧單元集合.ABAQUS/CAE中的定

8、義方法：點(diǎn)擊主菜中SpecialSprings/DashpotsCreate，在提示區(qū)提示用戶選擇關(guān)聯(lián)的方式,一般選用Select points。定義線性彈簧的行為:用戶通過一個(gè)恒定的彈簧剛度來定義線性彈簧.（彈簧剛度定義為力與相對位移的比值）能夠定義彈簧剛度隨溫度和場變量的變化規(guī)律。對于直接解穩(wěn)定狀態(tài)的動(dòng)態(tài)分析,彈簧剛度還可以定義為依賴于頻率，當(dāng)然也依賴于溫度和場變量。INP文件的定義方法:Spring， Dependencies=nFirst data lineSpring stiffness ，frequency， temperature, field variable 1，ect.AB

9、AQUS/CAE中的定義方法：點(diǎn)擊主菜中SpecialSprings/DashpotsCreate,在提示區(qū)提示用戶選擇關(guān)聯(lián)的方式，一般選用Select points。在PropertySpring stiffness。定義非線性彈簧用戶可以通過一組力和相對位移的數(shù)據(jù)來定義非線性彈簧的力學(xué)行為。這些數(shù)據(jù)中的位移需要按照升序排列并且需要定義一系列大范圍位移數(shù)據(jù)來保證定義的正確性。圖3-3：非線性彈簧力和相對位移關(guān)系曲線關(guān)鍵詞彈簧定義彈簧行為這個(gè)關(guān)鍵詞被用來定義彈簧單元的彈簧行為。也被通過分配一個(gè)結(jié)構(gòu)阻尼因素來形成假設(shè)部件的彈簧剛度矩陣。在定義彈簧單元式需要定義的參數(shù)Elset定義這個(gè)參數(shù)是用來命

10、名哪些需要被定義為彈簧單元的單元集合可選參數(shù)復(fù)合剛度這個(gè)參數(shù)在直接求解，子空間的穩(wěn)態(tài)分析和基礎(chǔ)模態(tài)分析中是有價(jià)值的。利用Frequency來定義，Damping projection=0 在ABAQUS/Standard支持非對角矩陣。這定義真實(shí)或假定部件的剛度時(shí)需要定義這個(gè)參數(shù),在假設(shè)部件中代表的是結(jié)構(gòu)阻尼。如果沒有定義此參數(shù),系統(tǒng)默認(rèn)為真實(shí)剛度。Dependencies設(shè)定這個(gè)參數(shù)等同于設(shè)定這定義彈簧剛度數(shù)據(jù)時(shí)包含場變量的數(shù)目，除了溫度之外.如果這個(gè)參數(shù)省略，系統(tǒng)默認(rèn)為彈簧剛度是不依賴于場變量的。Nonliear利用這個(gè)參數(shù)來定義非線性彈簧行為,省略時(shí)，默認(rèn)為線性彈簧Orientation

11、（方向）這個(gè)參數(shù)只能在ABAQUA/Stanard分析中使用如果該選項(xiàng)被用來定義SPRING1或SPRING2單元的行為，這個(gè)參數(shù)可以用來指定一個(gè)方向,這樣彈簧可以作用到局部系統(tǒng)。利用Orientation來定義這個(gè)參數(shù) RtolThis parameter applies only to Abaqus/Explicit analyses。Set this parameter equal to the tolerance to be used for regularizing the material data. The default is RTOL=0.03。 See “Material

12、data definition，” Section 17。1。2 of the Abaqus Analysis User's Manual, for a discussion of data regularization.利用數(shù)據(jù)線來定義Spring1，Spring2和Jointc單元第一行1。與彈簧單元第一個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的自由度，對于Jointc單元，彈簧行為定義的自由度2。對于Spring2 單元給定與其第二個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的自由度如果orientition參數(shù)包含在*spring選項(xiàng)中,當(dāng)定義彈簧單元或在*joint選項(xiàng)定義節(jié)點(diǎn)單元時(shí),此處的自由度使用局部體系中定義的自由度。第二行1。

13、 真實(shí)的剛度(力/相對位移）2。Frequency .僅適用于STEADY STATE DYNAMICS， DIRECT； STEADY STATE DYNAMICS, SUBSPACE PROJECTION； and *STEADY STATE DYNAMICS and *MODAL DYNAMIC analyses that support nondiagonal damping。3。溫度4第一場變量5第二個(gè)場變量6等等，知道第五個(gè)場變量后續(xù)行1第六個(gè)場變量2等等，直到到達(dá)每行最多的八個(gè)場變量第二部分:彈簧單元在模擬中的應(yīng)用ABAQUS/CAE中并不支持非線性彈簧的直接添加，因此需要在in

14、p文件中使用keyword來添加Spring2。第一部分已經(jīng)介紹了在inp文件中添加非線性彈簧的格式，下面結(jié)合實(shí)際模型介紹添加非線性彈簧的方法。本次模擬的模型較大，相關(guān)的彈簧和混凝土采用直接用彈簧連接的方式。首先將模型創(chuàng)建完成,如圖3-1所示.應(yīng)為是模擬火災(zāi)后鋼筋混凝土抗震性能,主要關(guān)注的梁上鋼筋的粘結(jié)滑移對模擬的影響,所以梁上的縱筋采用彈簧單元與混凝土連接,其他的鋼筋(柱的縱筋、箍筋和梁上的箍筋）都采用Embedded的方式與混凝土相連，如圖3-2所示。為方便添加彈簧,混凝土部件在鋼筋插入的地方都作出了切面,這樣在劃分網(wǎng)格的時(shí)候能夠保證鋼筋部件與混凝土部件連接的地方能夠緊密的連接，更接近真實(shí)

15、情況。在mesh模塊中，將鋼筋和混凝土實(shí)體劃分網(wǎng)格，并保證它們節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同。為了方便在inp中添加彈簧，需要清楚混凝土內(nèi)部網(wǎng)格分布，節(jié)點(diǎn)的編號。ABAQUS后處理模塊提供了切片工具，可以利用這個(gè)工具方便的觀察混凝土內(nèi)部的編號情況。首先建立一個(gè)job并提交一下，然后點(diǎn)擊kill，中止分析，點(diǎn)擊result進(jìn)入后處理模塊。點(diǎn)擊主菜單OptionCommon，彈出Common Plot Options對話框，如圖33（a）所示，點(diǎn)擊Lables選項(xiàng)卡，如圖33（b）所示，選中show node lables前的選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK按鈕，模型上節(jié)點(diǎn)編號就出現(xiàn)了，如圖34所示。點(diǎn)擊主菜單ToolsDispla

16、y GroupCreate,彈出Create Display Group對話框，如圖3-5所示。在Item（項(xiàng)目)選項(xiàng)中選中part instance選項(xiàng)，在右側(cè)的對話框中選擇concrete實(shí)體,點(diǎn)擊下方的replace按鈕,繪圖區(qū)就僅顯示混凝土實(shí)體了。點(diǎn)擊主菜單ToolsView CutManager，彈出View Cut Manager對話框，如圖3-6所示，選中Y-Plane前的選項(xiàng)，在position選項(xiàng)中選擇合適的數(shù)值，繪圖區(qū)如圖3-7（a）所示，選擇合適的觀測方向，如圖37（b）所示,同理可以觀察鋼筋在此處的編號，如圖3-8所示，他們的相對位置如圖39所示。圖31：鋼筋混凝土三維

17、模型圖32：模型中嵌入鋼筋的位置 （a） (b）圖33：Common Plot Options對話框圖3-4：模型中所有節(jié)點(diǎn)編號圖35:Create Display Group對話框圖3-6：View Cut Manager對話框（a）（b）圖3-7：混凝土切片圖38：鋼筋切片圖39：鋼筋和混凝土在切片處的相對位置在job模塊中,點(diǎn)擊主菜單JobManager,彈出Job Manager對話框，如圖310所示，點(diǎn)擊Write Input按鈕，在ABAQUS默認(rèn)工作目錄下就生成了此模型的Inp文件,找到并打開inp文件.圖310：Job Manager對話框在inp文件中鍵入以下關(guān)鍵詞，Element， type=Spring2（單元類型）, elset=Springs/Dashpots-1-spring（單元集合名稱）1（編號）, beam16-1.2（鋼筋實(shí)體節(jié)點(diǎn)編號）, concrete1.49(與之對應(yīng)的混凝土編號）Spring， elset=Springs/Dashpots1-spring（單元集合名稱),nonlinear(非線性）1,1（約束的方向)（力） ， （相對位移）,，不同位置的彈簧的F-S取值是不同的，這需要根據(jù)彈簧位置