火灾后钢筋混凝土节点钢筋粘结滑移模拟

火灾后钢筋混凝土节点钢筋粘结滑移模拟
钢筋混凝土节点在受到火灾作用后，钢筋与混凝土之间的粘结力出现了大幅度的下降，这就导致了两者之间较大的粘结滑移现象。

在进行钢筋混凝土节点抗震性能研究的时候，其滞回曲线出现了大的滑移现象，这与两者之间粘结力下降导致的滑移量增大有着直接的关系。

在ABAQUS中利用非线性弹簧单元来模拟两者间的粘结滑移是比较合适的，下面介绍弹簧单元及在本次模拟中的应用。

第一部分：弹簧单元
弹簧单元时一种连接单元，在ABAQUS中它具有以下的性质：
1.能够将力和相对位移联系起来
2.在ABAQUS/CAE中能够将相对转角和弯矩联系起来
3.可以是线性的也可以是非线性的
4.如果是线性弹簧，可以基于频率直接进行稳态动力分析
5.也可以基于温度和其他场变量的求解
6.可以通过虚拟的弹簧刚度来模拟理想状态下的结构阻尼因子
弹簧单元始终利用力和位移来描述。

当弹簧与某一自由度上的位移相关时，相对位移和力这些变量就在弹簧单元中表现。

如果弹簧单元与某一自由度上的转角相关，它就是扭转弹簧，相对转角通过弹簧转化成弯矩。

粘滞性弹簧的行为在ABAQUS/CAE中可以通过频变弹簧和频变阻尼的组合成功模拟。

典型应用
弹簧单元被用来模拟实际的物理弹簧和理想化的轴向扭转组件。

还可以模拟阻止刚体运动的反力。

它们还可以通过假设的弹簧刚度指定结构阻尼系数来模拟结构的阻尼。

选择适当的单元类型
Spring1，Spring2单元可以应用在隐式分析中，Spring1用在定义点和区域之间，Spring2用在定义点和点之间，这两种单元作用的都是以特定的方向。

SpringA可以应用在显示分析也可以应用在显式分析中，通过连接两个节点的作用线产生作用，因此在大的位移相应分析中这个作用线可能会产生旋转。

Spring1，Spring2弹簧单元都能够定义位移和旋转的自由度（后种情况被称为扭转弹簧）。

然而，在大位移响应分析时应用扭转弹簧需要仔细考虑在节点上整体的转动情况。

因此，在大位移响应分析时，连接单元应用的比扭转单元更加广泛。

Input 文件使用方法
使用下面的方式定义点和区域间的作用方向不变的弹簧
*Element,type=Spring1
使用下面的方式定义点和点的作用方向不变的弹簧
*Element,type=Spring2
使用下面的方式定义点和点的作用方向由两点间的作用线定义的弹簧
*Element,type=SpringA
ABAQUS/CAE使用方法
在Property和Interaction模块中：点击SpecialSprings/DashpotsCreate，然后选择下列方式定义不同的弹簧单元：
）Connect Points to Ground:选择点，然后定义弹簧刚度（等同于Spring1，然后定义弹簧刚度（等
同于direction：specify fixed two Points :选择AxisConnect
）Spring2 ）（等同于SpringAAxis：Follow line of action，然后定义弹簧刚度Connect two Points :选择
在显式分析中的稳定性在隐式动态分析中单元引入了两点之间的刚度但是没有引入与之相关
的质量。

SpringA通过相邻弹簧的节点不可避免的会有一些附加质量，这代表着一个无可避免的不稳定因素。

将会出现一个错误信息。

如果这个弹ABAQUS/Explicit节点的贡献；如果这个条件不满足，，稳定的时间增量由隐式动力方程确定将能够保证计算簧单元不是太刚强（相对于相邻的）的稳定。

相对位移的定义相对位移的定义是取决于单元类型的，不同的弹簧单元相对位移的概念是不同的。

1.Spring1
i方向上，弹簧几点的位移。

对于Spring1单元来说，相对位移就是在uu??i2. Spring2
方向的位移与第二个节点单元来说，相对位移就是弹簧的第一个节点在i对于Spring2 j方向的位移的差值。

在21u?u??u ji单元如何按照上述公式起作用是非常重要的，应为这种弹簧可以完成许多不好Spring2 单元就会形成一个压缩弹簧。

3-1所示方式建立Spring2描述的行为。

例如，当
按照图
：压缩弹簧示意图图3-1210?u1u?上的力就是正的。

此时在Spring2如果节点位移为，弹簧就表现为压缩，、ij 3-2所示进行建立。

要想获得拉伸弹簧，Spring2单元需要按照图
3-2：拉伸弹簧示意图图3.SpringA
单元规定的方向上发生的位移。

对于几何线性分析来说，相对位移就是沿着SpringA12XX???21u?u???u????2211X??XXX?21XX是弹簧单元在第二个节点的参考方其中是弹簧单元在第一个节点的参考方向，向。

．
单元的相对位移是弹簧单元咋长度方向上最初和当对于几何分线性分析来说，SpringA 前状态的改变量。

ll??u?0????12121lx x?l?xx??x和是当前弹簧单元的长度，其中是最初的长度。

这里的02x是弹簧节点当前位置。

SpringA单元中任何一种情况，当受拉时力就是正的。

定义弹簧行为
弹簧可以定义为线性的也可定义为非线性的，在任何一种情况中，用户都必须将弹簧行为和作用的区域的定义出来。

INP文件的定义方法：
*Spring, Elset=name
其中Elset（单元集合）需要指定一个弹簧单元集合。

ABAQUS/CAE中的定义方法：
点击主菜中SpecialSprings/DashpotsCreate，在提示区提示用户选择关联的方式，一般选用Select points。

定义线性弹簧的行为：
用户通过一个恒定的弹簧刚度来定义线性弹簧。

（弹簧刚度定义为力与相对位移的比值）能够定义弹簧刚度随温度和场变量的变化规律。

对于直接解稳定状态的动态分析，弹簧刚度还可以定义为依赖于频率，当然也依赖于温度和场变量。

INP文件的定义方法：
*Spring, Dependencies=n
First data line
Spring stiffness ,frequency, temperature, field variable 1,ect.
……
ABAQUS/CAE中的定义方法：
点击主菜中SpecialSprings/DashpotsCreate，在提示区提示用户选择关联的方式，一般选用Select points。

在PropertySpring stiffness。

定义非线性弹簧
用户可以通过一组力和相对位移的数据来定义非线性弹簧的力学行为。

这些数据中的位移需要按照升序排列并且需要定义一系列大范围位移数据来保证定义的正确
性。

．
图3-3：非线性弹簧力和相对位移关系曲线
关键词
*弹簧
定义弹簧行为
这个关键词被用来定义弹簧单元的弹簧行为。

也被通过分配一个结构阻尼因素来形成假设部件的
弹簧刚度矩阵。

在定义弹簧单元式需要定义的参数
Elset
定义这个参数是用来命名哪些需要被定义为弹簧单元的单元集合
可选参数
复合刚度
这个参数在直接求解，子空间的稳态分析和基础模态分析中是有价值的。

利用*Frequency来定义，Damping projection=0 在ABAQUS/Standard支持非对角矩阵。

这定义真实或假定部件的刚度时需要定义这个参数，在假设部件中代表的是结构阻尼。

如果没有定义此参数，系统默认为真实刚度。

Dependencies
设定这个参数等同于设定这定义弹簧刚度数据时包含场变量的数目，除了温度之外。

如果这个参数省略，系统默认为弹簧刚度是不依赖于场变量的。

Nonliear
利用这个参数来定义非线性弹簧行为，省略时，默认为线性弹簧
Orientation（方向）
这个参数只能在ABAQUA/Stanard分析中使用
如果该选项被用来定义SPRING1或SPRING2单元的行为，这个参数可以用来指定一个方向，这样弹簧可以作用到局部系统。

利用*Orientation来定义这个参数
Rtol
This parameter applies only to Abaqus/Explicit analyses.
Set this parameter equal to the tolerance to be used for regularizing the material data. The
default is RTOL=0.03. See “Material data definition,”Section 17.1.2 of the Abaqus Analysis User's Manual, for a discussion of data regularization.
利用数据线来定义Spring1，Spring2和Jointc单元
第一行
1.与弹簧单元第一个节点相关联的自由度，对于Jointc单元，弹簧行为定义的自由度
2.对于Spring2 单元给定与其第二个节点相关联的自由度
如果orientition参数包含在*spring选项中，当定义弹簧单元或在*joint选项定义节点单元时，此处的自由度使用局部体系中定义的自由度。

第二行
1. 真实的刚度（力/相对位移）
2.Frequency 。

仅适用于*STEADY STA TE DYNAMICS, DIRECT; *STEADY STA TE DYNAMICS, SUBSPACE PROJECTION; and *STEADY STA TE DYNAMICS and *MODAL
DYNAMIC analyses that support nondiagonal damping.
3.温度
4．第一场变量
5．第二个场变量
6．等等，知道第五个场变量
后续行
1．第六个场变量
2．等等，直到到达每行最多的八个场变量
第二部分：弹簧单元在模拟中的应用
ABAQUS/CAE中并不支持非线性弹簧的直接添加，因此需要在inp文件中使用keyword来添加Spring2。

第一部分已经介绍了在inp文件中添加非线性弹簧的格式，下面结合实际模型介绍添加非线性弹簧的方法。

本次模拟的模型较大，相关的弹簧和混凝土采用直接用弹簧连接的方式。

首先将模型创建完成，如图3-1所示。

应为是模拟火灾后钢筋混凝土抗震性能，主要关注的梁上钢筋的粘结滑移对模拟的影响，所以梁上的纵筋采用弹簧单元与混凝土连接，其他的钢筋（柱的纵筋、箍筋和梁上的箍筋）都采用Embedded的方式与混凝土相连，如图3-2所示。

为方便添加弹簧，混凝土部件在钢筋插入的地方都作出了切面，这样在划分网格的时候能够保证钢筋部件与混凝土部件连接的地方能够紧密的连接，更接近真实情况。

在mesh模块中，将钢筋和混凝土实体划分网格，并保证它们节点数目相同。

为了方便在inp中添加弹簧，需要清楚混凝土内部网格分布，节点的编号。

ABAQUS后处理模块提供了切片工具，可以利用这个工具方便的观察混凝土内部的编号情况。

首先建立一个job并提交一下，然后点击kill，中止分析，点击result进入后处理模块。

OptionCommon，弹出Common Plot Options对话框，如图点击主菜单3-3（a）所示，点击Lables
选项卡，如图3-3（b）所示，选中show node lables前的选项，点击OK按钮，
Display GroupCreateTools所示。

模型上节点编号就出现了，如图3-4点击主菜单，弹出Create Display Group对话框，如图3-5所示。

在Item（项目）选项中选中part instance按钮，绘图区就
仅显示混replace实体，点击下方的concrete选项，在右侧的对话框中选择．
CutManager，弹出View ToolsView Cut Manager凝土实体了。

点击主菜单对话框，如图3-6所示，选中Y-Plane前的选项，在position选项中选择合适的数值，绘图区如图3-7（a）所示，选择合适的观测方向，如图3-7（b）所示，同理可以观察钢筋在此处的编号，如图3-8
所示，他们的相对位置如图3-9所示。

：钢筋混凝土三维模型3-1图
图3-2：模型中嵌入钢筋的位置
）（b a（）Common Plot Options3-3图：对话框
：模型中所有节点编号3-4图
图3-5：Create Display Group对话框
对话框View Cut Manager：3-6图
（a）
（b）
图3-7：混凝土切片
图3-8：钢筋切片
图3-9：钢筋和混凝土在切片处的相对位置
所示，3-10对话框，如图Job Manager，弹出ManagerJob模块中，点击主菜单job在．
点击Write Input按钮，在ABAQUS默认工作目录下就生成了此模型的Inp文件，找到并打开inp 文件。

图3-10：Job Manager对话框
在inp文件中键入以下关键词，
*Element, type=Spring2（单元类型）, elset=Springs/Dashpots-1-spring（单元集合名称）
1（编号）, beam-16-1.2（钢筋实体节点编号）, concrete-1.49（与之对应的混凝土编号）
……
……
……
……
*Spring, elset=Springs/Dashpots-1-spring（单元集合名称）,nonlinear（非线性）
1,1（约束的方向）
…（力）, …（相对位移）
…，…
…，…
…，…
不同位置的弹簧的F-S取值是不同的，这需要根据弹簧位置决定的。

F-S取值是通过??s关系曲
线与对用面积的乘积获得的，其面积分布见图3-11所示。

图3-11：弹簧分配面积图
，其计算公式为：CEB-FIP关系曲线参考了-Sτ．
???0?s)?s(ss1max1??s?s?s?2max1??s?s?2???)()s?(s??s??max3f2max s?s23??s?s?3f如图3-12所示。

??s关系曲线建议的3-12：CEB-FIP 图??sss的取值见表3-1。

其中和、、、f3axm12??s关系曲线中参数的定义3-1：关于表。