如何利用 ABAQUS有限元软件分析一个钢筋混凝土适筋梁受力特性？我们以钢筋混凝土简支梁为例，做一次有限元全流程概述。

 

01 模型参数概述

梁截面尺寸为150×300、跨度2400mm，混凝土强度等级为C30 ，采用混凝土塑性损伤模型。

为防止混凝土梁局部受压破坏，在支座和受力点处设置厚度为150×100×60mm的钢垫片，理想弹塑性钢材。

下部受拉筋2∅18 、架立筋2∅8 、箍筋双肢∅8@100 。箍筋采用HPB300 ，屈服强度为300MPa ，纵筋采用 HRB400 ，屈服强度为 400MPa ，均为理想弹塑性模型。

 

混凝土塑性损伤参数数据图

备注：箍筋由于是双肢，考虑用到Wire（线）单元，直接将截面积组合起来，面积为101。

 

02 Abaqus分析全流程

1. Part（部件）模块

在建立模型前，必须先确定量纲系统。ABAQUS 没有固定的量纲系统，一个项目所有的输入数据只能用同一个量纲系统,下表为常用的量纲系统，我们通常采用mm，N，t，Mpa对应的量纲。

本节的任务是用 Part 模块来生成分析所需的部件。部件是模型中每一部分的几何形体，它们是 ABAQUS/CAE 模型的基本构造块。

首选的是在ABAQUS/CAE环境中直接生成部件，也可以由其它软件生成几何体或有限元网格，再导入作为部件。

本文混凝土、垫块采用3D，solid（实体），通过Extrusion（拉伸）绘制；钢筋采用3D，Wire（线）直接绘制。

通常考虑到后期可能会分析部件材料特性对结果的影响，因此即使几何属性相同，也需绘制各自的部件，另外在未装配之前，部件颜色均默认为白色。

2. Property（特性）模块

在此模块中需定义混凝土、钢筋和垫片的材料本构参数和截面特性，并将截面特性赋予到相应的部件上，也就是先将材料赋给一个截面，然后再把截面赋给部件。

（1）混凝土的本构参数

需设置密度，弹性模量，泊松比等参数，再定义混凝土损伤塑性模型，填入塑性损伤参数，以及压缩特性和拉伸特性的批量数据，注意完成后返回检查，防止因BUG导致数据的错误。

塑性损伤相关参数

（2）钢筋的本构参数

定义HRP400钢筋的质量密度，弹性参数，塑性参数；定义HPB300钢筋的质量密度，弹性参数，塑性参数。

（3）截面特性的创建和指派

在创建截面时，一方面需要注意命名方式与之前部件命名相统一，防止在给部件赋予截面特性时混乱。

 

另一方面在定义Truss单元时，横截面积(Cross-Sectional area)指的是杆的横截面积。也就是当定义钢筋截面属性，如架立筋直径8mm时，横截面积为50.24，用户在定义时要特别注意单位的统一。

 

截面特性定义（如材料和横截面积）

 

截面名称与类型管理器

 

给箍筋部件赋予对应的截面

3. Assembly（装配）模块

每一个部件都是面向它自己的坐标系的，是互相独立的。用户需要在Assembly 模块中定义整个装配件的几何形体。

整个过程中可以对建立的各个部件进行移动，旋转，阵列复制，添加几何约束等操作，将多个部件组装成一个整体。

 

4. Step（分析步）模块

对模型施加荷载、边界条件或定义模型的接触问题之前，必须定义分析步，然后才可以指定在哪一步施加荷载，在哪一步施加边界条件，哪一步去定义相互关联。

ABAQUS 的各种载荷要分别加载在不同的分析步中，比如像竖向载荷、偏转角度、水平载荷要分别建立三个分析步。常用的分析类型有通用分析（General）和线性摄动分析（Linear perturbation）两种。

通常使用静力，通用分析较多，本次考虑到动态显式计算速度快，稳定性好，所以采用动力、显式分析步，分析步总时长为10s。

 

然后创建场变量，将需要输出的成果选中，如塑性损伤模型要输出损伤数据，需要自行选中，以便计算完毕可以显示出混凝土的损伤过程。

 

5. Interaction（相互作用）模块

创建接触对是比较麻烦和耗时的，这里面要注意下面几个问题：主面和从面的选择，滑动模式的选择，离散方法的选择等，其中主从面的选择要特别注意。

一般是将刚度较大，网格较粗的面作为主面。本次选取垫块为主面，梁为从面。支座垫块和跨中加载垫块与混凝土梁之间采用 Tie（绑定）约束——T1/B1/B2。

 

为了防止加载过程中出现应力集中，在三个垫块中心建立参考点，同时建立参考点与垫块表面的Coupling（耦合）约束——T11/B11/B22。再利用 Embedded region（内置区域）将钢筋骨架嵌入到混凝土中。

 

6. Load（加载）模块

在加载模块（load）中施加边界条件和荷载。施加边界条件和载荷也依赖于所建立的分析步。

按照简支梁边界条件，左边固定铰（限制 U1、U2、U3、UR1），右边竖向链杆（限制 U2、U3、UR1）。

为了提高计算收敛性，荷载加载方式为位移加载，在梁跨中施加沿 y 轴负方向的位移，大小为 15 mm。在这里不考虑扭转的作用，梁分析作为纯弯或压弯构件，只需限制UR1。

 

7. Mesh（网格）模块

划分网格前，首先要指定各个部件的网格单元类型。混凝土梁和垫块的类型为 C3D8R，为了避免出现较严重的沙漏现象和网格扭曲，打开网格扭曲控制开关，同时沙漏控制设置为增强。钢筋骨架的单元类型选为T3D2，其余设置默认。

 

布种时，有“边界布种”和”全局布种”两类，对于规则的部件，我们选择后者“实例布种“，三个部件的近似全局尺寸统一取20，尺寸控制依据预期模型精度和整体尺寸而定。

这里可以做很多优化，划分网格通常可以在自己关注的地方精度高些，不关注的地方划分粗略些，提高计算速度。

 

需要注意的是实体之前被定义为dependent（非独立）时，是无法被划分网格的，另考虑到后期的复制操作，建议在装配完，及时为整个装配件划分网格。

 

8. Job（分析作业）模块

当前面的所有设置完成以后就可以提交分析，只需要选择分析类别（完全分析，重启动分析），提交分析作业即可。

 

 

03 计算结果分析

计算完毕，进入后处理模块，在场变量 DAMAGET和DAMAGEC模块下观看钢筋混凝土裂缝开展，下图为第187帧变形图，选取跨中结点，输出其荷载—位移曲线。

通过观察动画，简支梁首先在跨中出现竖向裂缝，之后荷载增加，竖向裂缝数量增加，在弯矩和剪力共同作用下，竖向裂缝向斜向发展，形成弯剪斜裂缝，发展方向大体向集中荷载作用点延伸。

从开始加载到即将出现裂缝之前的状态，为梁为开裂阶段，荷载—位移曲线为直线，此阶段末的荷载为梁开裂荷载，近似为17KN，之后梁进入带裂缝工作阶段，梁的刚度减小，随着荷载增加，位移增长速度明显加快，钢筋应力此时还未到达屈服应力。

钢筋应力达到屈服强度时，荷载—位移曲线出现第二个在转折点，梁的刚度迅速下降，位移急剧增大，曲线变得十分平缓，几乎呈水平状发展，梁进入了破坏阶段，破坏荷载近似为 102 KN。

 

04 理论计算分析

1. 开裂荷载计算

2. 极限荷载计算

单筋矩形截面受弯极限承载力计算公式

 

3. 结果对比分析

通过对比分析理论解与数值解，发现数值解的开裂荷载与理论解十分接近，但极限荷载之间相差25%。

经过分析，认为原因如下：钢筋骨架与混凝土之间利用 Embedded region 可以很方便的粘结在一起，但是无法实现钢筋的滑移，这与实际情况有所偏差，导致梁的计算刚度比实际大很多。另外本文采用的极限状态理论是简化计算方法，得到的并不是精确解，也有一定的影响。

有限元分析是将钢筋混凝土模型简化为具有均匀性、各向同性等特点，很明显这种简化与实际结构性能本身就存在差异；边界条件设置也会影响结果，将结构取四分之一，采用对称边界条件，同时直接建立参考点与梁之间的约束，弃用 Tie 约束，可能结果会有所改善，同时可以大幅降低计算时间。

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