基于DIANA有限元軟件的不同鋼筋本構模型的對比分析

王 巖

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

鋼筋本構模型作為有限元軟件建模過程中的重要參數，對模型是否能正確模擬構件受力特性具有重要意義。針對鋼筋混凝土本構模型，國內外許多學者開展了相關研究工作，王強等[1]使用ABAQUS用戶子程序進行了二次開發，提出了適用于ABAQUS的混凝土本構模型，其提供的鋼筋本構模型考慮了Bauschinger效應；展婷變等[2]提出了鋼筋混凝土彈塑性損傷本構模型，很好地模擬了鋼筋與混凝土之間的相互作用；張皓等[3]完成基于ABAQUS纖維梁的材料模型二次開發，開發模型可以更好地反映框架結構彈塑性地震反應；雷燕云等[4]對M-P鋼筋滯回本構模型進行了修正，提高了彈塑性分析的分析效率。目前，對于混凝土剪力墻受低周往復荷載的有限元模擬，鋼筋本構大都采用現行混凝土規范推薦的雙折線本構模型，而由Menegotto提出的M-P模型，則可以更好地對剪力墻的滯回特性進行模擬分析，使用DIANA軟件對剪力墻進行建模，使用雙折線本構與M-P本構對同一片墻體進行模擬，并與試驗數據進行對比分析。

1 模型處理

1.1 試驗介紹

試驗加載方案：在試件頂部施加1 000 kN豎向分布力，根據《高層建筑結構》[6]計算得到試驗設計軸壓比為0.32，實際軸壓比為0.18。加載過程中，豎向軸壓比保持不變，橫向位移每級增加1 mm，從1 mm增加至10 mm，之后增加至12 mm，15 mm，20 mm，自12 mm位移起，每級荷載往復循環3次，之后從20 mm起每級增加10 mm至加載位移到達60 mm，試驗結束。

表1 混凝土材料強度實測值 N/mm2

表2 鋼筋材料強度實測值

1.2 模型建立

1.2.1鋼筋本構模型的選擇

為了通過對比得出鋼筋兩種不同本構模型對軟件模擬剪力墻受低周循環往復荷載效果的影響，使用DIANA軟件自帶的M-P鋼筋本構模型，取M-P鋼筋本構模型和常用的雙折線模型進行建模。

目前對剪力墻滯回性能的有限元模擬，常用的鋼筋本構關系為GB 50010—2010混凝土結構設計規范[7]所提供的無屈服點的雙折線型應力—應變本構關系曲線，見圖2。

DIANA自帶的M-P鋼筋本構模型，由Menegotto于1973年提出，此種鋼筋本構模型對于模擬鋼筋受往復荷載具有計算速度快，精確度高的優點，使用DIANA有限元軟件，可以直接調用M-P本構模型，見圖3。

(1)

(2)

其中：

ε*=(ε-εr)/(ε0-εr)

(3)

σ*=(σ-σr)/(σ0-σr)

(4)

1.2.2模型建立

為使模型可以充分反映試驗試件的幾何和材料特性，使用Solid實體單元對墻體和加載梁進行建模，并將加載梁設置為彈性分析，用wire線單元對鋼筋進行建模，DIANA軟件材料屬性賦值時可將wire單元自動設置為embedded，使鋼筋以嵌固方式與墻體實體單元共同承載往復位移荷載。混凝土模型非線性分析選用彌散開裂總應變旋轉裂縫模型，拉伸屬性選用JSCE拉伸剛度模型，壓縮屬性選用前川模型。為使模型加載計算更加精確，根據試驗加載方案對加載過程進行細化，共設置分析步115步，DIANA模型如圖4所示。

2 計算結果及對比分析

通過計算，得出所建的兩個模型，即M-P剪力墻模型和雙折線剪力墻模型的計算結果及骨架曲線，并與實際試驗結果進行對比。根據JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗規范[9]規定，取峰值荷載Fp的85%為模型計算所得極限荷載Fu，可得計算結果如表3所示，由表3可以看出，峰值荷載方面，采用M-P鋼筋本構關系模型的計算誤差在3%以內，而采用雙折線關系的模型，其計算誤差超過10%，同時可以看出，兩種模型的計算值較實際試驗所得數值均偏大，這是由于試驗過程中加載梁實際加載位移受加載機械誤差、加載梁自身形變等原因，實際的墻頂位移比理論值較小，而模型計算時，墻頂位移與理論值幾乎一致，故計算所得結果比試驗值偏大。由骨架曲線可發現，DIANA軟件模擬剪力墻受力趨勢與實際情況十分接近，采用M-P鋼筋本構關系的模型吻合程度更高，見圖5。

表3 計算結果與試驗數值對比

3 結語

1)為對比M-P本構與雙折線本構兩種鋼筋本構關系對剪力墻有限元模擬的影響，進行了有限元建模分析，計算結果顯示，采用M-P鋼筋本構關系的模型，極限荷載與試驗結果誤差在3%以內，雙折線模型誤差則超過10%，證明M-P鋼筋本構對剪力墻低周往復荷載作用下的極限荷載以及滯回性能的模擬均好于目前常用的雙折線鋼筋本構關系，M-P本構更適用于模擬低周往復荷載下混凝土剪力墻的受力特征。

2)DIANA有限元軟件作為歐洲開發的通用有限元軟件，本身具有完善的結構計算單元以及各種材料屬性可供用戶自由調用，其在結構計算尤其是混凝土結構計算方面具有十分明顯的優勢，對混凝土開裂計算、混凝土滯回特性模擬計算結果十分理想。