MARCFiber悬臂柱测试分析

MarcFiber

本文分析一个钢筋混凝土悬臂柱的拟静力分析,检测MarcFiber的计算能力和准确性。由于没有标准的试验作为参考,因为采用了当前较为流行的商业非线性分析软件SeismoStruct的结果作为目标结果进行对比分析。出了使用SeismoStruct之外,还采用了清华陆新征开发的THUFIBER纤维模型程序进行对比分析。

悬臂柱的模型如下图所示,柱高度为1.5m,截面面积为0.5×0.5m,保护层厚度取为0.06m。为方便起见截面配筋为4根直径为22mm钢筋。

悬臂柱示意图在进行有限元分析之前需要将材料属性搞清楚,由于不同的软件有不同的参数输入,但是材料的关键参数应该相同,混凝土材料参数(单位:SI)如下所示:

弹性模量:3E10

轴心抗压强度:30E6;对应的应变:0.002

极限抗压强度:5E6;对应的应变:0.0033

抗拉强度:3E6;软化模量:3E9

钢材比较简单,其基本参数为:

弹性模量:2.1E11

屈服强度:345E6

强化系数:0.01

悬臂柱的上部承受竖向的400kN的轴向力,之后进行拟静力分析,并获得滞回曲线,加载制度如下表所示:

加载制度
时间/t 位移/m
0 0
1 0.001
2 -0.001
3 0.003
4 -0.003
5 0.005
6 -0.005
7 0.009
8 -0.009
9 0.015
10 -0.015
11 0.018
12 -0.018
13 0.025
14 -0.025
15 0.03
16 -0.03
17 0.035
18 -0.035
19 0.04
20 0

加载制度

1.SeismoStruct计算分析

在SeismoStruct中建模比较简单,如下图所示:

SeismoStruct模型

SeismoStruct模型

单元选择以位移控制的非线性梁柱单元,同时SeismoStruct中选择的混凝土模型如下图所示:

SeismoStruct混凝土模型

SeismoStruct混凝土模型

钢筋模型如下图所示:

SeismoStruct钢筋材料

SeismoStruct钢筋材料

在输入荷载时,设置加载步为20000步,这样可以得到较为光滑的滞回曲线,同时可以保证良好的收敛性。SeismoStruct的分析结果如下图所示:

SeismoStruct分析结果

SeismoStruct分析结果

清华大学陆新征开发的THUFIBER采用了汪训流混凝土和钢筋本构,但是其中混凝土本构不考虑混凝土的受拉,因此在受压段使用相同的材料属性,且该程序无法手动设置钢筋的强化系数,钢筋再屈服之后无法考虑钢筋强化,塑性段为水平段。

2.THUFIBER计算分析

首先在MARC中建立一个悬臂柱模型,并使用THUFIBER的前处理生成纤维截面的数据:

THUFIBER前处理

THUFIBER前处理

之后再RUN中提交相应的数据即可,由于该程序在进行新荷载步时保存所有梁的数据,因此计算速度相比于SeismoStruct慢,得到的滞回曲线如下图所示:

THUFIBER分析结果

THUFIBER分析结果

3.MARCFiber计算分析

下面采用MARCFiber同样建立此模型,由于MARCFiber具有多种本构模型可以选择,因此这里模型选择了Concrete02和Steel02模型,同样是采用了20000步荷载步进行计算,Marc的计算效率非常高,快速的计算完成,计算结果如下图所示:

MarcFiber分析结果

MarcFiber分析结果

根据计算结果可以发现,三者计算的极限承载力很接近,基本都是150000N,但是滞回曲线表现出明显的差异,其中SeismoStruct和MARCFiber具有接近的滞回曲线形状,这是由于二者的本构取得较为接近,而THUFIBER由于无法手动调节钢筋和混凝土的模型,因此结果较为固定,其分析结果与双线性理想弹塑性模型较为接近,残余变形比其他二者更大。

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