Abaqus软件在土木工程中的应用研究-ABAQUS用户大会

元，可以模拟地基无穷远处的边界条件，因此，ABAQUS 软件在岩土工程具有较好的适应性。以下也介绍一 下典型的分析实例。 5.1 路基边坡稳定性分析 边坡稳定分析是经典力学最早试图解决而仍未圆满解决的课题之一，采用有限元法分析边坡稳定问题 克服传统极限平衡方法中将土条假设为刚体的缺点，并可以考虑土体的弹塑性本构关系，以及能模拟边坡 的失稳过程和滑移面的形状，已经得到越来越广泛的应用。强度折减弹塑性有限元法[19] 是目前在边坡稳定 分析中适用广泛、前景良好的一种数值分析方法，它将强度折减技术与弹塑性有限元方法相结合，在给定 的评判指标下，通过调整折减系数对边坡稳定性进行分析，求得边坡的最小稳定安全系数。笔者采用 ABAQUS 软件并结合强度折减技术对某一路基边坡稳定性进行了分析， 并取得了较好的分析效果， 分析结 果也得到专业的岩土分析软件 Plaxis 的验证[20] ，图 8 出相关模型及分析结果。
(a) 线性弹簧单元
(b) 破坏时混凝土 M ises 应力
(c) 型钢和钢筋 M ises 应力 (d) 构件塑性应变 图 3 典型型钢混凝土梁模型和应力、应变分布
(3) 复杂铸钢节点及柱脚 对于大跨空间结构，上部屋盖为钢结构，下部通常为混凝土结构体系。为了将上部钢结构荷载安全传 递到混凝土结构中（混凝土柱及剪力墙），设计中应采用了可靠的节点支座。由于柱脚节点荷载较大且是 受力复杂的关键部位，其可靠设计直接关系到整个结构的安全。然而，目前还没有对这种铸钢节点和下部 复杂构造的混凝土承台的力学性能分析和承载力校核有明确的依据，为了确保结构的安全可靠，采用 ABAQUS 对该柱脚进行有限元分析。对于这类复杂的三维实体模型，直接采用 ABAQUS 软件来建模，效 率较低，通常土木工程技术人员都采用 AutoCAD 软件来进行实体建模，AutoCAD 软件也是大部分土木工 程人员熟悉的软件。图 4 出了某复杂柱脚的分析结果，对指导和完善结构设计起到了很好的作用。
ABAQUS 软件在土木工程中的应用研究
尧国皇 陈宜言 孙占琦 林松
(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳，518029) 摘要： 随着土木工程的不断复杂化以及工程实践对土木工程分析计算要求越来越高， 有限元技术在土木工程中的应用也越来 越广泛。本文主要介绍国际大型通用有限元软件 ABAQUS 在土木工程中的应用，主要包括在建筑工程、桥梁工程、岩土工程 中的应用，以期为相关工程设计人员提供一些参考。 关键词：有限元技术；土木工程；建筑工程；桥梁工程；岩土工程
参考文献
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1 前言
随着土木工程的不断复杂化以及工程实践对土木工程分析计算要求越来越高，以及计算机技术的不断 发展，有限元技术在土木工程的应用和研究也得到了很到的发展。目前，在土木行业应用较为广泛的大型 通用有限元软件有 ANSYS、 MARC 以及 ABAQUS 等。本文以工程背景为基础，介绍了大型通用有限元 软件 ABAQUS[1] 在建筑工程、桥梁工程、岩土工程等分析实例，本文的目的不是具体描述有限元的分析过 程，而是介绍一些分析实例，期望为有关设计人员提供参考。
[17-18]
。
(a) 效果图
(b) 有限元分析模型 图 7 南山大工程中的应用
由于 ABAQUS 软件提供了真实反映土体性状的本构模型，如土体的屈服特性、剪胀特性等，且 ABAQUS 软件具有强大的接触面处理功能能够很好的处理土与结构的相互作用问题。另外 ABAQUS 提供了无限元单
1.6 1.2 实测曲线 有限元法 1.6 1.2 实测曲线 有限元法
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N /N 0
0.8 0.4 0 0 1 2 (104) 3 4
N /N 0
0.8 0.4 0 0 1 2 (104) 3 4
(a)
图1钢管混凝土在轴心受力下的计算曲线和实验曲线比较[3]
(b)
(a) 钢管 (b) 混凝土 图 2 圆钢管混凝土在纯扭受力状态下的截面剪应力分布[3]
2 ABAQUS 软件介绍
ABAQUS 功能强大的工程模拟的有限 元软件， 其解决 问题的范围从相对简单的线性分 析到许 多复杂的非 线性问题。 ABAQUS 包括一 个丰富的、可模拟任意几 何形状的单元库。并拥 有各种类 型的材料模型 库，可以模拟典型工程材料的性 能，其中包括金属、橡胶、高 分子材料、复合材料、 钢筋混凝土、可压缩 超弹性泡沫材料以及土壤和岩石 等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了 能解决大量 结构（应力 /位移 ）问题，还 可以模拟其 他工程领域 的许多问题 ，例如热传 导、质 量扩散、热电 耦合分析、声学分析、岩土力学 分析（流体渗透 /应 力耦合分析）及压电介质分析 。 ABAQUS 为用户 提供了广泛的功能，且 使用起来又非常简单。 大量的复杂问题可以通 过选项 块的不同组合 很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构 件问题的模拟是通过把定义每一 构件的几何 尺寸的选项块 与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中 ，甚至高度非线性问题 ，用户只 需提供一些工 程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及 载荷工况。在一个非线性分析中 ， ABAQUS 能自动 选择相应载荷增量和收 敛限度。他不仅能够选择 合适参数，而且能连续 调节参数 以保证在分析 过程中有效地得到精确解。用户 通过准确的定义参数就能很好 的控制数值计算结果。 由于 ABAQUS 优秀的分析能力和 模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业 和研究中所 广泛的采用。
4.2 波形钢腹板 PC 组合桥梁 波形钢腹板 PC 组合箱梁桥是 20 世纪 80 年代在法国实现应用化的一种新型桥梁结构。这种结构以波 形钢板代替混凝土作为箱梁的腹板，并采用体外预应力技术，实现了主梁的轻型化，增大了梁桥的跨越能 力，符合当今桥梁的发展趋势。由于目前该结构的理论研究成果尚不能完全满足工程设计的需要，故一般 的平面杆系分析软件进行该结构设计偏于不安全， 我们采用 ABAQUS 软件可较好的满足我们的设计要求。 图 7 出了由深圳市政设计研究院有限公司主持设计的深圳南山大桥（采用了波形钢腹板 PC 组合箱梁）的 效果图和 ABAQUS 有限元模型
的法国的 Bras de la Plaine 桥。目前常用的桥梁专用软件很难对这种桥梁进行分析计算，采用有限元软件 ABAQUS 对这种新型桥梁进行建模分析，图 6 了典型算例的前两阶的振型模态。
图 5 法国 Bras de la Plaine 桥
(1) 第一阶模态 (2) 第二阶模态 图 6 典型钢腹杆-混凝土组合桥梁算例的前两阶的振型模态。
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耐火性能较好和经济效果好等优点，因而越来越广泛应用于各类工程实践，已取得良好的经济效益和建筑 效果。模拟钢管混凝土构件的关键问题在于确定合理的材料本构关系以及处理钢管与混凝土之间的界面接 触 。图 1 给出了典型的钢管混凝土在轴心受力下的计算曲线和实验曲线比较情况，图 2 出了典型的圆钢 管混凝土构件在纯扭受力状态下的截面剪应力分布情况。
作者曾采用 ABAQUS 软件对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理进行了较为深入的研究， 取得较好的效果[3] ，相关研究成果被福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2010、江 西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DB36/J001-2007、甘肃省工程建设标准钢管混凝土结构技 术规程》J11395-2009 采纳。 (2) 型钢混凝土构件 型钢混凝土具有强度高、 耐火性能好以及抗震性能优于混凝土结构等优点， 在实际工程中应用也较多。 在型钢混凝土构件的有限元分析模型中有必要考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系。采用 ABAQUS 软 件提供的弹簧单元 Spring2 来模拟钢筋与混凝土之间的接触性能。建模时将钢筋和混凝土节点用三个 Spring2 弹簧单元连接起来，以模拟钢筋和混凝土节点在三维空间中三个方向的接触性能。垂直于钢筋方 向的两个弹簧单元用来模拟周围混凝土对钢筋的握裹力，可以将弹簧刚度取为一个大数。图 3 示为典型型 钢混凝土梁的有限元模型和破坏时应力、应变分布。