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分析报告一、题目要求1.1试验简介试验研究对象为中柱失效的一榀框架，原型结构为一栋双向均为6跨的7层钢筋混凝土框架结构(抗震设防烈度为8度(0.2g))，结构底层层高为4.2m，其余层高为3.6m，纵横向跨度各为7.5m(图1(a))。试验选取图1(b)中红色线框中一榀单层平面框架，参考现有的倒塌试验研究，按1:3进行缩尺制作试件作为试验研究对象。考虑到楼板和框架梁传递的水平拉力是造成框架柱破坏的主要原因，因此在试件中制作了有效翼缘宽度的楼板以考虑其传力贡献。该试验为单调竖向拟静力加载实验，实验装置如图2所示，加载时中柱上方千斤顶向下加载，加载行程500mm。恒定轴力F=530kN位移加载千斤顶均可沿x方向水平滑动±175mm加载装置示意及试件一示意图(单位:mm)1.2构件配筋与材性试验结果节点配筋详图翼缘板截面配筋详图梁1（L1）板截面配筋梁2（L2）截面配筋柱截面配筋Foundationbeam7100250025001250425425150120060019501212L1L2xz地梁截面配筋混凝土墙配筋注：1、翼缘顶部横向钢筋起始位置在距边125mm，共58根；2、翼缘顶部6根纵向钢筋起始位置在距边15mm；3、墙竖向分布钢筋间距200mm采用双排配置，共4根；4、梁L1、L2、柱和墙保护层厚度8mm，地梁保护层厚度25mm，板保护层厚度7mm。试验框架的地基梁和上层梁柱分两次浇筑完成，其中地基梁采用C50混凝土，梁柱采用C30混凝土。梁柱中的纵筋采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB300钢筋，翼缘板内钢筋采用HPB300钢筋。所有试件的材性如表1所示。表1钢筋和混凝土材性钢筋种类屈服应力/MPa极限应力/MPa弹性模量/GPa伸长率δ/(%)混凝土立方体抗压强度/MPaA63945192202029.2B1041961721918B1262568517110.2注：混凝土强度试验采用150mm×150mm×150mm立方体试块，取试块抗压强度平均值。1.3加载机制在试件中柱位置上方安装行程为500mm的液压千斤顶来对试件进行加载，考虑到试验过程中边柱可能会发生较大侧移，在千斤顶上都安装了行程为±175mm的滑板。首先，在边柱顶端施加530kN的荷载，模拟边柱受到的重力荷载；然后，保持轴力不变，在中柱顶端采用位移控制的方式进行加载。1.4作业要求1.预测失效中柱的加载点力-位移曲线，计算结果要求提交Excel文件；2.提交计算模型与分析报告；3.程序不限，但应在分析报告中说明所使用的软件名称；4.可以分别用实体单元模型（必做）与杆系单元模型模型（选做）分析。二、建模说明1.1计算程序前处理ABAQUSCAE；计算程序：采用ABAQUSStandard隐式求解；后处理：ABAQUSViewer。本计算模型采用的统一量纲如下表：量长度力质量时间应力能量密度SImNKgsPa(N/m2)JKg/m31.2建模过程（1）创建部件（Part）在ABAQUS中的Part模块下根据题目要求的各种尺寸数据分别创建混凝土和钢筋部件。采用3D-solid单元创建混凝土部件：柱、梁L1和L2、地梁、墙、楼板。采用3D-wire单元分别创建纵筋和箍筋。（2）创建材料和截面在ABAQUS中的Property模块中定义混凝土和钢筋的本构模型和截面特性，并将材料和截面特性赋予到性对应的部件上。1）混凝土本构：采用ABAQUS中的损伤塑性模型（CONCRETEDAMAGEDPLASTICITY），应力应变关系采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中的混凝土单轴受压应力-应变曲线，表达式为σ=(1−𝑑𝑐)𝐸𝑐𝜀𝑑𝑐={1−𝜌𝑐𝑛𝑛−1+𝑥𝑛𝑥≤11−𝜌𝑐𝑛𝛼𝑐(𝑥−1)2+𝑥𝑥1混凝土单轴受拉应力-应变曲线表达式为σ=(1−𝑑𝑡)𝐸𝑐𝜀𝑑𝑡={1−𝜌𝑡[1.2−0.2𝑥5]𝑥≤11−𝜌𝑡𝛼𝑡(𝑥−1)1.7+𝑥𝑥1计算中取𝑓𝑐,𝑟=29.2𝑀𝑃𝑎，𝐸𝑐=30000𝑀𝑃𝑎，𝑓𝑡,𝑟=2.92𝑀𝑃𝑎，计算（详细过程见附件ABAQUS-C30混凝土塑性损伤本构）得到的混凝土受压真实应力应变曲线和受拉真实应力应变曲线如下图：图1.1混凝土本构模型0510152025303500.0020.0040.0060.0080.010.012真实应力真实应变受压真实应力应变曲线00.511.522.533.500.00020.00040.00060.00080.001真实应力真实应变受拉真实应力应变曲线ABAQUS中混凝土塑性损伤模型参数标定如下：参数取值剪胀角（DialationAngle）30流动势偏移量（Eccentricity）0.1双轴受压与单轴受压极限强度比𝜎𝑏0/𝜎𝑐01.16不变量应力比𝐾𝑐0.667粘滞系数μ0.0005受拉损伤恢复因子（TensionRecovery）0受压损伤恢复因子（CompressionRecovery）1在ABAQUS中输入的本构模型数据及计算过程详见附件ABAQUS-C30混凝土塑性损伤本构。图1.2混凝土塑性损伤模型2）钢筋本构：采用ABAQUS中的理想弹塑性模型定义钢筋本构，各种级别钢筋如下表：钢筋直径屈服应力/MPa极限应力/MPa杨氏模量/GPa泊松比D63945192200.3D104196172190.3D126256851710.3钢筋应力-应变曲线如下图所示：图1.3钢筋本构模型（3）定义装配（Assembly）在ABAQUS的Assembly模块中对各部件进行装配，各部件均设置为Indepdent。首先将各个梁、柱、楼板、反力墙中的纵筋和箍筋进行组装，利用旋转、移动和阵列工具，组装出各个钢筋笼，对于截面属性相同的部件可以用Merge命令将其合并成一个整体；然后将混凝土梁、柱、楼板、反力墙部件导入，将钢筋笼放置到混凝土构件中；最后通过移动和旋转各个梁、柱、楼板、反力墙构件，组装出完整的结构模型。如下图所示：图1.4整体模型010020030040050060070000.0010.0020.0030.0040.0050.006stressstrain钢筋应力-应变关系曲线Φ6Φ10Φ12图1.5钢筋骨架模型（4）设置分析步（Step）在ABAQUS的Step模块中创建一个新的分析步Step1，分析步为静力分析类型，即Static,General，分析步时间为1，增量类型为Automatic，允许增量步最大数目为1000，初始增量步大小为0.01，最小增量步为0.00001。图1.6设置分析步（5）设定相互作用（Interaction）在ABAQUS的Interaction模块中设定相互作用，将所有钢筋笼用Embedded命令嵌入到混凝土中，混凝土部件之间的接触面采用Tie命令连接。同时将需要施加荷载的两个面采用命令Coupling约束至参考点RP-1和RP-2，以便在参考点RP-1和RP-2上施加荷载。图1.7设定相互作用（6）定义荷载（Load）在ABAQUS的Load模块下定义荷载。在RP-1点上施加一集中荷载（Concentratedforce）Load-1，沿CF2方向向下，大小为-530000N。在BoundaryCondition命令中创建位移控制的荷载BC-2，施加于RP-2点，沿U2方向，大小为-0.5m。混凝土和钢筋的自重荷载在定义材料特性的时候已经考虑。同时对地梁地面施加边界条件BC-1，完全固接，限制6个方向自由度均为0。图1.8施加荷载和边界条件（7）划分网格（Mesh）在ABAQUS的Mesh模块下对模型进行网格划分。首先创建种子Seed，然后以此划分网格，网格划分尺寸为0.1m，采用相同的网格尺寸划分混凝土和钢筋。注意要在AssignElementType中将所有钢筋设置为Truss类型。图1.9划分网格（8）提交分析文件（Job）在ABAQUS的Job模块下创建分析作业Job2，进行计算分析。因为划分网格尺寸较大（0.1m），所以计算较快，总共207步完成计算。还有一次按照较小网格尺寸进行计算（0.05m），结果很接近，但耗时太长，因而选用效率更高的大尺寸网格计算进行分析。图1.10分析计算三、计算分析2.1总体受力情况和变形模型的总体Mises应力云图和变形图如下所示：图2.1总体模型Mises应力云图图2.2总体位移变形前与变形后对比图可以看到在加载点（梁L1中段）处的的竖向位移是最大的，在梁L1和楼板中间以及梁柱节点处的应力是最大的，混凝土和钢筋都已经屈服。在后面的混凝土应力和钢筋应力云图中可以更清晰地看到。2.2混凝土变形与应力混凝土的竖向位移云图（U2）、Mises应力云图、最大主应力云图、最小主应力云图分别如下图所示：图2.3混凝土竖向位移云图图2.4混凝土Mises应力云图图2.5混凝土大主应力（压应力）云图图2.6混凝土小主应力（拉应力）云图可以看到在梁L1和楼板的中间段以及梁柱节点处的混凝土的应力都达到屈服应力，因而在这三个区域内形成了三个塑性铰。中间段的竖向位移也是最大的。2.3钢筋变形与应力钢筋的竖向位移云图（U2）、Mises应力云图、楼板钢筋Mises应力云图、梁L1钢筋Mises应力云图、左侧柱子钢筋Mises应力云图和反力墙钢筋Mises应力云图如下图所示：图2.7钢筋竖向位移云图图2.8钢筋Mises应力云图图2.9楼板钢筋Mises应力云图图2.10梁L1钢筋Mises应力云图图2.11左侧柱钢筋Mises应力云图图2.12反力墙钢筋Mises应力云图可以看到楼板内的钢筋基本全部达到屈服应力，全部处于受拉状态，几乎全部达到受拉屈服强度。梁L1内钢筋在中间段和两端也都达到了屈服强度，所有钢筋都受拉应力。可以判断该梁L1内的梁拱机制已经完全失效，在梁中形成的三个塑性铰产生了“悬链线”，继续维持该梁一定的承载力。2.4加载点荷载-位移曲线通过计算分析得到的结果，绘制加载点的荷载-位移曲线如下图所示：图2.13加载点力-位移曲线通过加载点力-位移曲线可以看到，当位移超过80mm后该结构的承载力有所下降，但下降幅度不大，在240mm后荷载保持稳定，值里可以看到梁内塑性铰形成的“悬链线”机制发挥出来抗倒塌的作用。但是之后还有些许上升，可能是因为计算模型对于下降段的模拟不够准确所致。四、总结通过本次课程大作业，我对ABAQUS有限元计算软件有了一次实际操作和深入的认识，不仅学会了一个新的计算软件，也对课程中老师所讲过的混凝土有限元知识有了更深入的学习。一开始学习建模也存在很多问题，遇到了很多困难，建立的第一个模型在提交后程序报告了很多错误，于是我便通过看书和上网查找问题的原因，并一一改正和优化模型，调整材料本构，在经过六次大的改动后我的模型终于能够成功地进行计算，这个过程给我深刻的印象，让我学到了很多ABAQUS建模中需要注意的细节问题，也对很多功能和参数有更全面的学习，以后我也应该多加练习，多去发现和解决各种细节问题，用ABAQUS分析一些实际问题，来不断提高自己的建模分析能力。同时我也发现了采用不同本构模型计算出的结果的差异性，只有正确的本构才能得出正确的分析结果，明白了本构模型在有限元计算中的重要性。0204060801001200100200300400500600荷载/KN位移/mm加载点力-位移曲线