多垂直杆单元模型在Abaqus二次开发中的应用.pdfVIP

多垂直杆单元模型在ABAQUS 二次开发中的应用 吴平川 张令心 暴平菊 （中国地震局工程力学研究所，黑龙江省哈尔滨市，150080） 摘要：ABAQUS 作为全球著名的通用有限元软件，由于其卓越的非线性计算性能使得其正在逐渐的被越来 越多的用户所采用。ABAQUS 提供了方便用户使用的二次开发接口，其中的用户自定义单元UEL 可以使 用户很方便的加入任意复杂的单元。本文将基于材料层次的多垂直杆单元模型（MVLEM ）成功的嵌入用 户自定义单元UEL 中，通过算例验证了程序的正确性，为剪力墙构件的弹塑性分析提供了一种平台。 关键词：多垂直杆模型，用户自定义单元UEL，剪力墙，纤维 引言 目前剪力墙非线性分析所采用的模型可以分为两大类：基于固体力学的微观模型；以一 个构件作为一个单元的宏观模型。微观模型是指用有限元来离散钢筋混凝土构件和结构，每 个单元一般是钢筋和混凝土组成的复合介质，开裂处理为单元内的分布裂缝。微观模型在实 际结构分析中的应用有许多困难，特别是其庞大的自由度引起的数值分析上的困难和描述单 元非线性分析模式方面的困难，使得这一方法近年来在分析和设计实际结构中得到应用几乎 不可能。目前该方法主要应用于结构部件或局部的分析、参数的研究和试验的模拟计算。宏 观模型相对比较简单，所以从分析实际结构的角度考虑，其仍然是目前最主要研究和使用的 模型。但宏观模型存在一定的局限性，一般只有在满足其简化假设的前提下，才能够符合结 构的真实形态。Vulcano 和Bertero[1]指出，RC 剪力墙系统的准确描述可以通过采用宏观模型 而不是微观模型来进行。不同背景的宏观模型已经被用来预测 RC 剪力墙的一些重要行为特 性的非线性行为。这些模型包括等效梁模型/墙板单元模型、等效支撑模型/三垂直杆模型、多 垂直杆模型、二维板单元模型以及派生出的四弹簧模型和两元件模型。 基于材料层次的多垂直杆单元模型 1988 年，Vulcano 和 Bertero[1]在 5 刚梁 Kabeyasawa 等人提出模型的基础上提 6 4 出了一个修正模型，即多垂直杆单元模 型（MVLEM ），如图 1 所示，在该模 (1-c)h 型中，上下刚性横梁由许多个相互平行 h h K K K k h 的竖向单元相连。其中两侧的两个竖向 1 2 • h • • • n 单元代表了墙的两边柱的轴向刚度，而 • • • 其它的内部竖向单元代表了中间墙板 ch 的轴向刚度，弯曲刚度由所有竖向单元 共同提供，而剪切刚度仍由水平弹簧代 2 刚梁 表。各个竖向单元的刚度特性以及力- 3 1 位移关系由材料本构关系以及每个单 图1 多垂直杆模型示意图 元所属的截面面积来定义。 多垂直杆模型 MVLEM 已经被证明为成功的兼有宏观模型的简洁特性和微观有限元模 型的精细特征，它可以抓住剪力墙的一些主要特征例如中和轴的移动，变动轴力对强度和刚 度的影响等等，并且可以通过精细的材料本构模型和重要的反应特征如约束，剪切非线性以 及缝隙的闭合等，被广泛认为是目前剪力墙弹塑性动力分析中最为理想的一种分析模型。 单元刚度矩阵的推导和内部抗力的计算 由于剪力墙在平面外的刚度比其在平面内的刚度小的多，故只考虑剪力墙的平面内刚度。 墙体单元具有两个节点i 和j, 每一个节点分别有3 个节点位移和