abaqus與seismostruct軟件擬靜力分析[轉載]

2017-06-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文參照2011年清華大學完成的鋼筋混凝土框架柱擬靜力試驗的豎向軸力和水平位移數據,采用abaqus子程序pq-fiber和seismostruct軟件對試驗進行模擬分析,所得的滯回曲線與試驗進行對比。

一、試驗概況

清華大學完成了兩根鋼筋混凝土框架柱的擬靜力實驗,并依照試驗舉行了鋼筋混凝土框架柱滯回分析競賽,邀請各位研究者參與預測相應滯回反力的大小。實驗數據和圖像參見中國建筑學會抗震防災分會建筑結構抗倒塌專業(yè)委員會的官方網站(http://www.collapse-prevention.net/show.asp?ID=11&adID=2)。

二、pq-fiber建模

1、本構模型

1)、混凝土本構

鋼筋本構采用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力、峰值應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度;而混凝土受拉時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:

圖往復加載時的單軸應力應變關系

2)普通鋼筋

普通鋼筋本構采用PQ-Fiber中USteel02模型。鋼筋在反復荷載作用下的本構關系對橋墩滯回曲線的模擬有重要影響,選擇合理、恰當的鋼筋應力-應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的關鍵。USteel02模型使用Clough (1966)提出最大點指向型雙線性模型,再加載剛度按Clough本構退化的隨動硬化單軸本構模型。

圖2.2往復加載時的單軸應力應變關系

2、數據文件

*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是一個屢獲殊榮的有限元包,能夠預測大排量空間框架下的靜態(tài)或動態(tài)載荷的行為,同時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先定義的鋼,混凝土和復合段配置。

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,其對結構抗震性能的分析較為準確,不過有一個缺點是不能加載預應力筋。

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

2、本構模型

1)、混凝土本構

混凝土采用Mander約束混凝土模型;

2)、鋼筋本構

鋼筋采用二直線模型:

3、建立截面

注意的是,C30_U是保護層混凝土本構,C30_C是核心混凝土本構。

4、建立Element Class

這里采用Inelastic displacement-based frame element,即使用剛度矩陣進行計算,截面有152個纖維單元。

除了Beam-Column Element,還需要建一個Link Element,我目前不太清楚這個單元是做什么的,應該有點像opensees中的零單元,如果不加這個單元,計算結構會出現小毛刺。

下一步是建立節(jié)點、單元和約束,不用多說了。

5、導入Time-history曲線

這是一個十分方便的功能,跟seismosignal導入地震波方法差不多,先在Excel中把位移與時間的數據復制到txt文件中,然后再導入即可。

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

6、建立荷載

軸力:

水平位移:

建好的模型如下:

三、分析結果

從上面滯回曲線對比可得,兩款軟件分析試件所能承擔的最大水平力與試驗較吻合。pq-fiber負向加載滯回曲線與試驗復合較好,而正向出現了不可預知的結果,也可以說是錯誤,這可能是由于鋼筋和混凝土本構取值不準確。而seismostruct分析結果在水平位移40mm以前與試驗值吻合較好,而水平位移40mm以后出現了錯誤,可能是由于軟件認定水平位移超40mm后混凝土不起作用,因此會呈現線性特征。對比而言,seismostruct軟件由于便捷的材料定義、準確的分析結果、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,可分析復雜多樣的結構,更加靈活多樣,比如預應力結構,這一點是seismostruct需要改進的。

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