ABAQUS模拟钢筋混凝土节点低周反复荷载试验

1. 建模要点

采用ABAQUS CAE有限元软件建立命名为RC-node的模型，现浇梁柱节点中的纵筋、构造筋和箍筋取Truss单元中T3D2单元进行钢筋的模拟。现浇式节点中的混凝土选用三维实体（3D-Solid）减缩积分单元C3D8R进行模拟。对模型先进行切分，后划分。采用ABAQUS Standard隐式求解，在完成有限元模拟计算后采用ABAQUS Viewer进行后处理。在建模过程中需统一量纲，本次采用的量纲见表1。

表1. 统一量纲

量	长度	力	质量	时间	应力	密度
SI	mm	N	ton	s	MPa	ton/mm3

2. 建模过程

启动ABAQUS/CAE后，选择Create Model Database，创建新模型数据库。

2.1 创建部件（Part）

在ABAQUS中的Part模块下根据节点模型尺寸数据分别创建混凝土和钢筋部件。采用3D-Solid单元创建梁、柱的混凝土部件，采用3D-Wire单元分别创建梁、柱的纵筋和箍筋部件。各部件的尺寸等相关建模信息如表2所示。

表2. RC-node的部件（Part）创建

Name	Modeling Space	Type	Shape	Type	H×B / d	L
BeamCon	3D	Deformable	Solid	Extrusion	400×400	1000
ColumnCon	3D	Deformable	Solid	Extrusion	400×250	2450
BeamBar_8mm	3D	Deformable	Wire	Planar	8	2400
BeamBar_12mm	3D	Deformable	Wire	Planar	12	2400
BeamBar_20mm	3D	Deformable	Wire	Planar	20	2400
ColumnBar_8mm	3D	Deformable	Wire	Planar	8	2450
ColumnBar_20mm	3D	Deformable	Wire	Planar	20	2450

2.2 创建材料和截面（Property）

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相对应的部件上。

（1）混凝土本构

采用ABAQUS中的损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity，简称CDP模型），混凝土单轴受拉、受压应力-应变关系，均采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中的附录C.2提供的混凝土本构关系。混凝土塑性损伤本构模型数据为另外的重点，非建模技术要点，在此不作详细介绍，详情可移步相关课程介绍。

ABAQUS中混凝土塑性损伤模型（CDP模型）参数标定如表3所示。

表3. 混凝土塑性损伤模型参数标定

参数	取值
剪胀角（Dilation Angle）	30
流动势偏移量（Eccentricity）	0.1
双轴受压与单周受压极限强度比	1.16
不变量应力比	0.667
粘滞系数（Viscosity Parameter）	0.00001
受拉损伤恢复因子（Tension Recovery）	0
受压损伤恢复因子（Compression Recovery）	1

（2）钢筋本构

钢材本构关系采用简化的双线性模型。采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中的附录C.1提供的钢筋本构关系。

完成材料C30和HRB400的定义，随后进行截面Section类型的设置，其中钢筋定义为Beam类型，包括直径8 mm、12 mm和20 mm等3种截面类型，混凝土则定义为Solid类型，且假定为均质Homogeneous。最后将定义的截面类型制定到相应的部件，即混凝土和不同直径的钢筋中，即完成本步骤操作。

2.3 定义装配（Assembly）

在ABAQUS的Assembly模块对各部件进行装配，各部件Instant Type均设置为Independent。首先，组装节点的钢筋笼，涉及梁、柱的纵筋和箍筋，利用旋转、移动和阵列等工具完成装配，并用Merge命令将梁的柱的钢筋笼分别合并成整体BeamBars和ColumnBars。完成Merge命令后，应返回Property模块，指定梁、柱钢筋的截面方向。其次，组装节点的梁、柱混凝土部件，该部分不进行Merge操作。在ABAQUS内梁、柱的钢筋笼和混凝土部件，组装完成的情况如图1所示。

图1. ABAQUS部件装配示意

2.4 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 Region命令嵌入到混凝土中，而梁、柱的混凝土之间的接触面采用Tie命令连接。此外，由于柱子上下在加载过程中为铰接，则可通过MCP Beam约束进行设置，限制参考点的位置，以控制柱子上下截面的转动，如图2所示。

图2. 设定相互作用

2.5 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，以此划分网格Mesh，混凝土部分网格划分尺寸为80 mm；采用相同的网格尺寸划分梁、柱的钢筋笼。其次，注意要在Assign Element Type中将所有梁、柱的钢筋设置为Truss（T3D2），混凝土为3D Stress（C3D8R）缩减单元。网格划分结果如下图所示。

图3. 划分网格

2.6 设置分析步（Step）

在ABAQUS的Step模块中创建一个新的分析步cyclic，分析步为静力分析类型，即Static，General，分析步时间为32，增量类型为Automatic，允许增量步最大数目为320000，初始增量步大小为0.２，最小增量步为1E-010，最大步长为0.４。如图4所示。

图4. 设置分析步

2.7 定义荷载（Load）

在ABAQUS的Load模块下定义荷载。在Boundary Condition命令中创建如图5所示的位移控制的荷载cyclic，施加于梁的两端的U1方向，具体设置如图6。节点的柱子上下边界条件设置为topPin和bottomPin，即铰接，限制参考点在U1、U2和U3的水平位移，以及限制 UR2和UR3的转动方向，即仅UR1反向为自由，参数设置如图6所示。边界和荷载条件设置完成后如图7所示。

图5. 低周反复加载制度曲线

图6. 节点的荷载和边界条件

图7. 边界和荷载条件设置

2.8 创建分析文件（Job）

在ABAQUS的Job模块下创建分析作业（Job）cyclic，进行计算分析。作业成功运行，监控窗口如图8所示。

图8. 模型作业cyclic成功运行

3. 模拟结果

图9. 节点的等效塑性应变PEEQ

图10. 节点Mises应力云纹图（1/2剖面处）

图11. 加载点的滞回曲线

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