abaqus与seismostruct软件拟静力分析[转载]

2017-06-15 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文参照2011年清华大学完成的钢筋混凝土框架柱拟静力试验的竖向轴力和水平位移数据,采用abaqus子程序pq-fiber和seismostruct软件对试验进行模拟分析,所得的滞回曲线与试验进行对比。

一、试验概况

清华大学完成了两根钢筋混凝土框架柱的拟静力实验,并依照试验举行了钢筋混凝土框架柱滞回分析竞赛,邀请各位研究者参与预测相应滞回反力的大小。实验数据和图像参见中国建筑学会抗震防灾分会建筑结构抗倒塌专业委员会的官方网站(http://www.collapse-prevention.net/show.asp?ID=11&adID=2)。

二、pq-fiber建模

1、本构模型

1)、混凝土本构

钢筋本构采用PQ-Fiber中UCONCRETE02模型,本模型与OpenSEES中的Concrete02模型相同(McKenna, 1997)。该模型通过改变混凝土受压骨架曲线的峰值应力、峰值应变以及软化段斜率来考虑横向箍筋的约束影响,且可以考虑混凝土的剩余强度;而混凝土受拉时的上升段和下降段均为直线,可考虑混凝土的初始开裂。UCONCRETE02混凝土模型是在简化与精确之间的一种较好的平衡,对钢筋混凝土桥墩非线性分析有良好的精度。其受压骨架曲线分以下3段加以描述:

图往复加载时的单轴应力应变关系

2)普通钢筋

普通钢筋本构采用PQ-Fiber中USteel02模型。钢筋在反复荷载作用下的本构关系对桥墩滞回曲线的模拟有重要影响,选择合理、恰当的钢筋应力-应变滞回模型是较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩非线性滞回反应的关键。USteel02模型使用Clough (1966)提出最大点指向型双线性模型,再加载刚度按Clough本构退化的随动硬化单轴本构模型。

图2.2往复加载时的单轴应力应变关系

2、数据文件

*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简介

SeismoStruct是一个屡获殊荣的有限元包,能够预测大排量空间框架下的静态或动态载荷的行为,同时考虑几何非线性和材料无弹性。包含混凝土,钢,玻璃钢以及小型材料模型,可用于各种各样的预先定义的钢,混凝土和复合段配置。

从我使用的情况来看,seismostruct是一款十分容易上手的纤维单元有限元抗震分析软件,其对结构抗震性能的分析较为准确,不过有一个缺点是不能加载预应力筋。

开始建模前要选择分析类型为:Static Time-history analysis

2、本构模型

1)、混凝土本构

混凝土采用Mander约束混凝土模型;

2)、钢筋本构

钢筋采用二直线模型:

3、建立截面

注意的是,C30_U是保护层混凝土本构,C30_C是核心混凝土本构。

4、建立Element Class

这里采用Inelastic displacement-based frame element,即使用刚度矩阵进行计算,截面有152个纤维单元。

除了Beam-Column Element,还需要建一个Link Element,我目前不太清楚这个单元是做什么的,应该有点像opensees中的零单元,如果不加这个单元,计算结构会出现小毛刺。

下一步是建立节点、单元和约束,不用多说了。

5、导入Time-history曲线

这是一个十分方便的功能,跟seismosignal导入地震波方法差不多,先在Excel中把位移与时间的数据复制到txt文件中,然后再导入即可。

然后编辑分析步,由上图可知,起止时间为0-460.7s,增量0.1s,那么我们就把End of stage设置成460.7,分析步设置成4607步。

6、建立荷载

轴力:

水平位移:

建好的模型如下:

三、分析结果

从上面滞回曲线对比可得,两款软件分析试件所能承担的最大水平力与试验较吻合。pq-fiber负向加载滞回曲线与试验复合较好,而正向出现了不可预知的结果,也可以说是错误,这可能是由于钢筋和混凝土本构取值不准确。而seismostruct分析结果在水平位移40mm以前与试验值吻合较好,而水平位移40mm以后出现了错误,可能是由于软件认定水平位移超40mm后混凝土不起作用,因此会呈现线性特征。对比而言,seismostruct软件由于便捷的材料定义、准确的分析结果、友好的交互界面,在钢筋混凝土抗震分析上有一定优势,而abaqus作为一款通用非线性有限元分析软件,可分析复杂多样的结构,更加灵活多样,比如预应力结构,这一点是seismostruct需要改进的。

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