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用于动态显式计算的钢筋混凝土纤维梁单元模型滞 回性能分析 杜显赫 沈新普 （沈阳工业大学计算力学研究所，沈阳市沈辽西路111 号574 信箱，邮编：110870） 摘 要：本文通过对纤维梁中rebar 原理的分析，探讨了一种原理和rebar 相同的加筋方式 ——等效箱形截面梁建模方式来建立钢筋混凝土柱纤维梁单元模型。通过对比在不同工况 下，采用rebar 建模和等效箱形梁建模计算的滞回曲线，以及等效箱形梁建模计算的滞回曲 线与实验数据对比，得出结论：1) 等效箱形截面梁的建模方式可以突破 rebar 只能用于 Standard 模块的限制，使纤维梁单元可应用于Dynamic/Explicit 的动力时程分析；2) 对比rebar 建模及箱形截面梁建模计算的滞回曲线，两者吻合较好；3) 对比箱形截面梁建模计算的滞 回曲线与实验数据，两者吻合较好，证实了这种建模方式的可行性。 关键词：钢筋混凝土；纤维梁单元；有限元法；滞回曲线；Abaqus 1 引言 近年来，我国涌现了众多结构复杂的钢筋混凝土高层建筑，这对于高层结构 的抗震计算要求也更加的严格。如果采用实建模型进行试验来定量分析结构在动 [1] 力荷载作用下的响应，显然实验费用会相当昂贵 ，随着计算机硬件和有限元技 术的迅速发展，使得采用计算机数值模拟的方式成为可能，相对于振动台实验， 计算机模拟更加的经济与安全。 目前，弹性动力时程分析技术已经颇为成熟，并且通过这种方法计算可以得 到较准确的结果，可是由于构成钢筋混凝土结构的材料性质差异很大，钢筋混凝 土的性能依赖于这两种材料性能的协同，尤其是在钢筋混凝土的非线性阶段，两 种材料各自本身及两者之间联结的非线性性能都将不同程度的反映出来，如果用 [2] 弹性的方法分析，对于的非线性特点将表现不足 。而在反复动力荷载作用下， [3] 钢筋混凝土将表现出显著的弹塑性受力特性 。 弹塑性分析又分为静力弹塑性及动力弹塑性分析，静力弹塑性分析方法 [4] （Pushover ）是一种简化的弹塑性分析方法 ，其中的模态Pushover 分析方法是 目前较为精确的方法，不但可以考虑结构高振型的影响，并且还适用于非对称结 构，但是此方法对于横向承载力退化显著的结构不宜采用，且静力弹塑性分析还 常伴有收敛困难的情况。动力弹塑性分析，尤其是显式动力弹塑性分析，由于其 采用中心差分法求解动力平衡方程，计算中无需形成结构的整体刚度矩阵，具有 计算收敛性好的特点，更适于结构动力弹塑性分析。本文在参考静力分析的前提 下，探讨可用于ABAQUS/Explicit 模块计算的钢筋混凝土纤维梁单元，并将这种 模型在往复荷载作用下的滞回曲线结果与静力计算的结果以及实验数据进行对 比，从而为进一步的动力时程分析提供数值结果参考。 2 纤维梁单元模型 纤维模型基于材料的单轴本构关系，其应用是将构件沿纵向划分为若干段， 再将构件的横截面划分成若干纤维束，每个纤维只考虑轴向的本构关系，对于柱 [5] 截面变形符合平截面假定 。 纤维梁单元相对于实体单元有着计算代价小、易收敛的特点，对于高层建筑， 如果全部采用实体建模，显然是不现实的。采用纤维梁单元就要考虑如何为此单 元添加钢筋作用，在静力分析中，ABAQUS 通常采用的是*rebar 命令行的方式 为梁单元添加钢筋，从ABAQUS 用户手册得知，*rebar 的原理是在纤维梁单元 的横截面上人工的添加一个积分点，这样沿着梁单元的纵向，积分点形成一积分 束来模拟一根钢筋的行为，如图 1 所示： 纤维梁 沿纵向形成 横截面