【Abaqus仿真】钢筋混凝土梁数值分析

钢筋混凝土梁的计算可以说是土木人的必修课之一，只有当完成该简单模型的建立和运算，才能在此基础上进一步进行延伸和拓展。

本文采用Abaqus对钢筋混凝土梁进行建模计算，视频中给出了详细的建模操作以供大家学习。

模型设置为：

梁长：6m

混凝土：C30，截面300*600

钢筋：HRB400，纵筋d=22，面积为379.94，

箍筋d=8，面积为50.24

保护层厚度假设50，箍筋间距200，

钢筋骨架离梁左右端各100

垫块给予较大的弹性模量来表示刚性

混凝土采用CDP塑性损伤模型

钢筋采用理想弹塑性模型

垫块、混凝土采用C3D8R单元

钢筋采用T3D2单元

钢筋Embed进混凝土

垫块与混凝土绑定约束

垫块上设置参考点，将参考点与垫块面耦合

垫块底部固定，梁上部垫块位移加载

疑问解答

Q1：钢筋到底是用桁架（Truss）还是梁（Beam）？

A1：桁架单元仅能承受轴向荷载，对于弯曲表现不敏感，其自由度包括端部的三个平动，梁单元则包含着另外的三个转动自由度，所以严格上来讲梁内钢筋在大变形时会受弯，梁单元是更为合适的选择。

至于为什么很多人一直在用桁架单元去建立钢筋，一方面是出于建模方便，因为梁单元的建模会更加复杂一点，详见：

另一方面在于若分析的仅是一定范围内的小幅度变形，梁上部钢筋主要表现为受压，下部钢筋表现为受拉，采用桁架单元也是较为合理的选择。

最后结论是推荐采用梁单元来表示钢筋，适用于多种工况，但是建模会稍微复杂些。

若执意用桁架单元，建议模型弯曲变形不要太大，否则结果可能不准确。

Q2：CDP模型在隐式计算中极容易不收敛，如何解决？

A2：本文CDP参数为

*弹性模量与泊松比		
30023.9	0.2		
*塑性参数		
38	0.1	1.16	0.6666667
*受压行为		
15.968491	0.00E+00		
22.834685	7.60E-04		
21.137109	1.34E-03		
18.17521	1.96E-03		
15.434834	2.57E-03		
13.207202	3.16E-03		
11.447097	3.74E-03		
10.053315	4.31E-03		
8.936244	4.86E-03		
7.635532	5.69E-03		
6.244372	6.90E-03		
4.887153	8.69E-03		
2.7731	        1.48E-02		
*受拉行为		
2.389547	0.00E+00		
2.274265	2.55E-05		
1.708699	9.50E-05		
1.258914	1.61E-04		
0.827973	2.76E-04		
0.516351	4.89E-04		
0.31841	        9.01E-04		
0.19679	        1.71E-03		
0.122008	3.33E-03		
0.075802	6.56E-03		
0.047209	1.30E-02		
0.029553	2.57E-02		
0.012386	9.53E-02		
*受压损伤		
0	        0.00E+00		
0.292669	7.60E-04		
0.41272	        1.34E-03		
0.513912	1.96E-03		
0.591623	2.57E-03		
0.650578	3.16E-03		
0.6959	        3.74E-03		
0.731439	4.31E-03		
0.759876	4.86E-03		
0.793096	5.69E-03		
0.828939	6.90E-03		
0.864421	8.69E-03				
*受拉损伤		
0	        0.00E+00		
0.13522	        2.55E-05		
0.387963	9.50E-05		
0.545034	1.61E-04		
0.698731	2.76E-04		
0.815704	4.89E-04		
0.892119	9.01E-04		

不收敛可能是多种原因所导致的，当排除完所有可能的干扰因素（接触、网格、加载方式）后，若模型仍无法很好收敛，可以考虑作出以下调整。

损伤因子不要选取过大，一般通过插件或其他手段获得的混凝土受压与受拉损伤的参数有可能取到0.99这样大的值，损伤因子过大在隐式计算中极有可能导致不收敛问题，若出现此种情况，建议稍微截断损伤因子的取值，例如取到0.90即可。

此外若在混凝土隐式计算中出现不收敛，建议在分析步的Other-Matrix storage中勾选Unsymmetric，这个涉及的理论本人并不了解，但亲测对收敛性有一定帮助。

当然还有一种办法就是改用动力显示分析，动力显示的计算依赖于前一迭代步的结果，不像隐式分析需要计算刚度矩阵，不存在收敛性问题，之前笔者同学的剪力墙模型就是采用这种方法来进行计算。

Q3：混凝土可以看Mises应力 云图吗？

A3：混凝土属于脆性材料，按材料力学的强度理论来讲，第一强度理论（最大拉应力理论）与第二强度理论（最大伸长线应变理论）属于脆性断裂的理论，第三强度理论（最大切应力理论）与第四强度理论（形状改变能密度理论）属于塑性屈服的理论。

因此不建议混凝土看Mises应力，混凝土可以观察DamageT来确定裂缝可能发展的路径，也可以观察最小/最大主应力来确定结构可能压碎/拉裂的位置或评价结构的受力情况。