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A B A Q U S 的砌体结构有限元模拟方法 殷园园郑妮娜 重庆大学土木工程学院 重庆4 0 0 0 4 5 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室 重庆4 0 0 0 4 5 摘要 本文基于A B A Q U S 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A B A Q U S S t a n d a r d 分析模块中的线性摄动分析步 L i n e a rp e r t u r b a t i o n 进行模型的模态分析 结果表明 A B A Q U S 有限元软件能较好 模拟砌体结构的振型特征 关键词 a b a q u s 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A B A Q U S 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 A B A C t U S 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 A B A Q U S 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 A N S Y S 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A B A Q U S 在钢筋混凝土分析 方面有很强的能力 结构计算方面比A N S Y S 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A B A Q U S 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2 0 1 1 增刊 1 3 5 3 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f 1 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B e a m 单元中不能采用c o n 饿I cD a m a g ePL a s t i c i t y 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C 3 D S R 钒筋采用三结点二次三维桁颦单元T 3 D 2 a b a q u s 加钢筋的办亍去有几种 I 采用r e b 盘r l a y e r 的办法 在p a r t 里面画一个面 然后在p r o p e 对里面 定义一个s u r f a c e 为r e b a r l a y e r 然后在i n t e r a c t i o n 中e m b e d 巾把钢筋层e m b e d 到混糍土实体中上 2 采用 桁架单元的办法 在p a n 里面建好纵筋和箍筋的钢筋骨架 在p r o p e r v J 分别赋予截面和属性 在i n t e r a t i o n 中的e m b e d 把韩f 筋骨架e m b e d 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c a e 中I j 仃L I s g 单元模拟钢筋再采用c m b e d 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44 m 宽22 m 层高28 m 兆56 m 墙厚2 4 0 r a m 接扳厚8 0 r a m 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a b a q u s 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M U l 5 砖砌块 砂浆M I5 密度取1 5 K N I n G 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C 2 0 摁凝土 按 混凝土结构设计规范 o 进行取值 构 造柱密度取2 5 K N m 3 泊松比0 2 弹性模量2 5 5 1 0 N M 2 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m 1 0 钢筋 密度为7 8 0 0 k g m 3 泊格比0 3 弹性模量按2l 1 0 N M 建立部件模型后 在a s s e m b l y 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 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 图I 有限元模型 02 4 m 因此单元划分的控制系数最好小超过0 1 2 本文将采取0 1 2 m 和0 0 6 m 两种阿格j t 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A B A Q U S S t a n d a r d 丹 i 模块中的线性擞动分析步 L i n e a r p e r t u r b a t i o n 计算各组模型的模态 求解器选片jL a n c z o s 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2 0 I l 坩H 表1 A B A Q U S 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 网格尺寸 运算时间第一振型第二振型 第三振型 0 1 2 m1 分频率1 0 7 8 41 2 0 4 6 1 6 9 2 8 0 0 6 m6 分 频率1 1 5 8 41 3 3 1 4 1 9 3 6 3 时长差别6 0 0 频率差别7 9 5 1 2 5 在本例的情况中 当单元划分控制系数由0 1 2 m 细化到0 0 6 m 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 1 2 m 的计算网格尺寸 对与砌体结构的的周期 有经验公式 4 T 1 0 0 1 6 8 H o 1 2 采用经验公式得T l o 0 1 6 8 5 6 1 2 4 1 l 模型的周期1 1 0 7 8 4 0 0 9 3 二者相差1 5 可见采用a b a q u s 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 0 6 m 网格尺寸 如果把计算阶数由2 0 阶提高到1 0 0 阶 其计算机时间将到达5 0 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C 3 D 8 R 实体单元和T 3 D 2 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a b a q u s 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 1 2 m 的网格尺寸是合适的 参考文献 1 李英民 韩军 刘立平 A N S Y S 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 2 0 0 6 0 5 9 0 9 6 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 中华人民共和国建设部 2 0 0 2 3 A B A Q U S I n c A B A Q U ST h e o r yM a n u a l M 2 0 0 6 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 1 9 8 1 工业建筑2 0 1 I 增刊 1 3 5 5 基于ABAQUS的砌体结构有限元模拟方法基于ABAQUS的砌体结构有限元模拟方法 作者 殷园园 郑妮娜 作者单位 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 本文链接