基于ABAQUS的砌体结构有限元模拟方法

第卜一届全国现代结构工程学术研讨会基于ＡＢＡＱＵＳ的砌体结构有限元模拟方法殷园园（重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５）郑妮娜（重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆４０００４５）摘要：本文基于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对某砌体结构进行模拟，对砌体结构模拟方法进行探讨，并利用ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ分析模块中的线性摄动分析步（Ｌｉｎｅａｒｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）进行模型的模态分析。结果表明，ＡＢＡＱＵＳ有限元软件能较好模拟砌体结构的振型特征。关键词：ａｂａｑｕｓ，混凝土损伤塑性模型，破坏特征一、引言在我国，砌体结构房屋在中小城市、乡镇和农村地区大量存在。由于砌体结构材料自身的抗剪强度较低，延性差，因此在地震中震害严重。传统的构造柱圈梁技术，可有效保证结构的整体效应，但砌体结构的数值模拟研究较为困难，本文将基于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对砌体结构进行模拟，并探讨其方法和效果。二、有限元分析方法（一）有限元分析方法简介有限单元法是目前在工程技术领域内常用的最数值模拟方法之～，简单的说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过结点相联系，所有的力和位移都通过结点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面上（内部边界）以及子域与外界分界面（外部边界）上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程，就可以得到结构的数值解。运用有限元软件模拟分析析结构的非线性性能，可以弥补试验研究所需大量的人力、物力和财力的缺点，在结构工程领域非常广泛，因此，用有限元软件分析砌体结构性能是具有较高可行性。（二）ＡＢＡＣｔＵＳ分析砌体结构的优点是目前应用非常广泛的大型商业有限元计算软件。ＡＢＡＱＵＳ功能强大，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题。目前砌体结构在有限元分析方面发展较为缓慢。国内方面对砌体结构的有限元分析不多，主要是采用ＡＮＳＹＳ有限元技术对砌体结构进行分析，有资料表明，大型通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ在钢筋混凝土分析方面有很强的能力，结构计算方面比ＡＮＳＹＳ强，尤其是其所独有的混凝土损伤塑性模型，可以较好的模拟材料的非线性性能，因此，本文选择ＡＢＡＱＵＳ软件进行砌体结构的有限元模拟。三、砌体结构有限元模型的建立方法探讨（一）有限元模型的类型砌体是由砌块和砂浆组成的二相复合材料，由于两种不同材料的属性差异，对其进行有限元分析通常可有两类模型：分离模型和整体连续体模型。分离式模型即是将砌块和砂浆分别建模；整体连续体模型即是将砂浆和砌块作为一个整体来考虑，工业建筑２０１１增刊１３５３第ｆ一届仝国现代结构Ｔ程学术目讨会总体来说．分离模型可以模拟砌块与砂浆之问的作用和砌体破坏机理．适用于模拟小型试验砌体的破坏行为，但¨算越＾，建模繁琐：整体连续体模型适于分析人规模的墙体．但对于详细的应力分析和理衅砌体多样的失散机理却显得不足。采用哪种模型一般应视分析ｆ１的而定…。本文分析的模型为砌体整体结构．分析模型较大．是对整体结构进行模拟．主要是考虑结构的宏观反应，宜选取整体式有限元模型进行计算，建模町更快捷，计算量更小。（二）单元选择厦建模方法对于结构的模拟，有两种思路，一种是采用粱单兀模拟构造梓，壳单元模拟堵体及愤制空心楼板，一种足聚用实体单元模拟柱和墙及楼板，鉴于当用第种方式模拟时，科！和墙，墙和楼板的连接小描处理，而且二维Ｂｅａｍ单元中不能采用ｃｏｎ饿ＩｃＤａｍａｇｅＰＬａｓｔｉｃｉｔｙ奉构ｆ混凝土损伤鞘性模型模拟效果较好１．摹于以上原因，本文采用实体单元模拟，对于模型中的混凝土和砌体部分，模型采用线性减缩积分单元Ｃ３ＤＳＲ，钒筋采用三结点二次三维桁颦单元Ｔ３Ｄ２。ａｂａｑｕｓ加钢筋的办亍去有几种：Ｉ、采用ｒｅｂ盘ｒｌａｙｅｒ的办法，在ｐａｒｔ里面画一个面，然后在ｐｒｏｐｅ对里面定义一个ｓｕｒｆａｃｅ为ｒｅｂａｒｌａｙｅｒ，然后在ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ中ｅｍｂｅｄ巾把钢筋层ｅｍｂｅｄ到混糍土实体中上。２、采用桁架单元的办法，在ｐａｎ里面建好纵筋和箍筋的钢筋骨架．在ｐｒｏｐｅｒｖ／－｝Ｊ分别赋予截面和属性，在ｉｎｔｅｒａｔｉｏｎ中的ｅｍｂｅｄ把韩ｆ筋骨架ｅｍｂｅｄ到混凝士的实体中击。第二种办法建的比较精确，而且后处理比较方便，卉看钢筋单兀的应力比较直观．故奉文采用在ｃａｅ中Ｉ｝ｊ仃ＬＩｓｇ单元模拟钢筋再采用ｃｍｂｅｄ约束到构造柱寅体中的办法，由］。这种模拟方法要限制＝辞９漉问的自由度．因此不必要建市箍筋的模型。四、模态分析（一）算悄模型本文选设计－－＇ｂ型砌体结构进行模拟，结构共两层，长４４ｍ，宽２２ｍ．层高２８ｍ．兆５６ｍ，墙厚２４０ｒａｍ，接扳厚８０ｒａｍ，房屋四角布置构造杆，率文按照前文的方法建立有限元模型ｔ分别在ａｂａｑｕｓ巾的部件模块中分别建立构造柱，墙体、楼板、钢筋，并在ｐ唧非ｒ【ｙ赋予材料属性．村料定义如下文：墙体材料聚用ＭＵｌ５砖砌块，砂浆ＭＩ５，密度取１５ＫＮＩｎＧ，泊松比为０ｌ５，弹性模量按砌体结构设计规范进行取值。构造柱采用Ｃ２０摁凝土，按《混凝土结构设计规范》“ｏ进行取值，构造柱密度取２５ＫＮ／ｍ３，泊松比０．２．弹性模量２．５５・１０…（Ｎ，Ｍ２）．由１。楼板材料也是混凝土，战楼板材料参数与构造挂材料参数相同。模型构造挂纵筋钢筋采用ｍ１０钢筋．．密度为７８００ｋｇ／ｍ３．泊格比０．３，弹性模量按２ｌ＂１０“（Ｎ／Ｍ。）建立部件模型后，在ａｓｓｅｍｂｌｙ模块中将以上模型组合到一起昂后有限，Ｌ模型如图１所示模型的实体单Ｊ【划分全部采用六面体单元划分，且保证在模型的任意图Ｉ有限元模型个坐标轴上有两个或以上的单兀数，以保证计算精度。模型中墙体厚度０２４ｍ，因此单元划分的控制系数最好小超过０１２，本文将采取０１２ｍ和００６ｍ两种阿格ｊｔ寸进行对比分析。模奋分析是各种动力学分析类犁中基础的内容，在进行其他动力学分析２前首先要进行模盎分析，提取结构自由振动时的频率和振型等，本文将采用ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ丹＃ｉ模块中的线性擞动分析步（Ｌｉｎｅａｒｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）计算各组模型的模态。求解器选片ｊＬａｎｃｚｏｓ，采用单辅度肆法”’。（二）结果分析本文进行ｒ不同纠格划分，计算阶数不同的几组模型的模忐分析，其结果如袁一］＿Ｌ建筑２０Ｉｌ坩Ｈ表１网格尺寸０．１２ｍ０．０６ｍＡＢＡＱＵＳ单元划分控制系数不同的情况下模态分析计算时间和频率对比运算时间１分６分６００％第一振型频率频率频率差别１０．７８４１１．５８４第二振型１２．０４６１３．３１４第三振型１６．９２８１９．３６３时长差别７％９．５％１２．５％在本例的情况中，当单元划分控制系数由０．１２ｍ细化到０．０６ｍ时，计算时间由１分钟提高到６分钟，第一振型刚度仅相差７％，二者精度相差不大，而在有限元模拟中，计算量的控制也是一个比较重要的问题，因此，在保证精度的前提下，为提高计算速度，采取Ｏ．１２ｍ的计算网格尺寸。对与砌体结构的的周期，有经验公式【４】：Ｔ１＝０．０１６８（Ｈｏ＋１．２）采用经验公式得Ｔｌ＝ｏ．０１６８（５．６＋１．２）４．１ｌ模型的周期１／１０．７８４＝０．０９３，二者相差１５％，可见采用ａｂａｑｕｓ有限元软件分析进行砌体结果模态分析是具有较好效果的另外，计算速度也与设置的运算内容有关，例如当进行模态分析时，在同等计算机硬件配置下，采用０．０６ｍ网格尺寸，如果把计算阶数由２０阶提高到１００阶，其计算机时间将到达５０分钟，而在模态分析时，我们一般比较关注前几个周期的模态，因此，在建立模型时，应尽量减少无用输出。五、结论本文通过对一典型二层构造柱约束砌体结构进行不同网格划分下的模态分析，得到以下结论：ｌ、通过对砌体结构建模发现，采用Ｃ３Ｄ８Ｒ实体单元和Ｔ３Ｄ２单元对砌体和钢筋分别建模具有较好效果，能完成复杂结构的精细建模。２、采用ａｂａｑｕｓ软件对砌体进行建模，模态分析具有较好效果，３、进行有限元分析速度与网格划分，参数选择等有密切联系，因此应谨慎选择网格尺寸，本文认为对于本文中的小型砌体结构，选用０．１２ｍ的网格尺寸是合适的。参考文献（１）李英民，韩军，刘立平．ＡＮＳＹＳ在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究ｍ．重庆建筑大学学报．２００６，（０５）：９０－９６。（２）ＧＢ５００１０－２００２混凝土结构设计规范，中华人民共和国建设部，２００２（３）ＡＢＡＱＵＳ，Ｉｎｃ．ＡＢＡＱＵＳＴｈｅｏｒｙＭａｎｕａｌ［Ｍ］．２００６．（４）杨玉成、杨柳、高云学等，多层砖房的地震破坏和抗裂抗倒设计Ｍ■匕京：地震出版社，１９８１工业建筑２０１Ｉ增刊１３５５基于ABAQUS的砌体结构有限元模拟方法

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殷园园， 郑妮娜

殷园园(重庆大学土木工程学院，重庆 400045)， 郑妮娜(重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

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