ABAQUS 软件在土木工程中的应用研究

摘要

随着土木工程的不断复杂化以及工程实践对土木工程分析计算要求越来越高,有限元技术在土木工程中的应用也越来越广泛。本文主要介绍国际大型通用有限元软件ABAQUS在土木工程中的应用，主要包括在建筑工程、桥梁工程、岩土工程中的应用，以期为相关工程设计人员提供一些参考。

1、前言

随着土木工程的不断复杂化，工程实践对土木工程分析计算要求越来越高，以及计算机技术的不断发展，有限元技术在土木工程的应用和研究也得到了很好的发展。目前，在土木行业应用较为广泛的大型通用有限元软件有ANSYS、MARC以及ABAQUS等。本文以工程背景为基础，介绍了大型通用有限元软件 ABAQUS在建筑工程、桥梁工程、岩土工程等分析实例，本文的目的不是具体描述有限元的分析过程，而是介绍一些分析实例，期望为有关设计人员提供参考。

2、ABAQUS 软件介绍

ABAQUS功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。

ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的儿何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的儿何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。

3、ABAQUS 在建筑工程中的应用

随着建筑结构的不断复杂化、复杂的建筑结构节点、柱脚的不断出现，以及在罕遇地震下结构的动力弹塑性分析均需要用到有限元软件，以下就介绍一些ABAQUS在建筑工程中的应用实例。

3.1、建筑结构构件和节点

笔者曾采用 ABAQUS软件对钢筋混凝土构件、钢管混凝土构件、型钢-钢管混凝土构件、矩形钢管弯扭构件、棱形钢管压弯构件、空腹箱形钢骨混凝土构件、型钢混凝土构件以及钢管混凝土叠合柱等进行了分析研究，给相关工程的实际提供了较好的参考作用。在此基础上，采用ABAQUS 软件对建筑结构采用的钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点、矩形钢管混凝土T型节点、钢结构铸钢节点、钢管混凝土叠合柱柱脚等进行过有限元分析，为完善相关工程的施工图设计提供了参考。限于篇幅，介绍部分典型应用实例。

（1）钢管混凝土构件

钢管混凝土由于钢管和混凝土两种材料之间的相互作用，具有：承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好和经济效果好等优点，因面越来越广泛应用于各类工程实践，已取得良好的经济效益和建筑效果。模拟钢管混凝土构件的关键问题在于确定合理的材料本构关系以及处理钢管与混凝土之间的界面接触。图1给出了典型的钢管混凝土在轴心受力下的计算曲线和实验曲线比较情况，图2出了典型的圆钢管混凝土构件在纯扭受力状态下的截面剪应力分布情况。

请添加图片描述图1钢管混凝土在轴心受力下的计算曲线和实验曲线比较
在这里插入图片描述图2圆钢管混凝土在纯扭受力状态下的截面剪应力分布

作者曾采用ABAQUS软件对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理进行了较为深入的研究，取得较好的效果，相关研究成果被福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2010、江西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DB36/J001-2007、甘肃省工程建设标准钢管混凝土结构技术规程》J11395-2009采纳。

（2）型钢混凝土构件

型钢混凝土具有强度高、耐火性能好以及抗震性能优于混凝土结构等优点,在实际工程中应用也较多。在型钢混凝土构件的有限元分析模型中有必要考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系。采用ABAQUS软件提供的弹簧单元Spring2来模拟钢筋与混凝土之间的接触性能。建模时将钢筋和混凝土节点用三个Spring2 弹簧单元连接起来，以模拟钢筋和混凝土节点在三维空间中三个方向的接触性能。垂直于钢筋方向的两个弹簧单元用来模拟周围混凝土对钢筋的握裹力，可以将弹簧刚度取为一个大数。图3示为典型型钢混凝土梁的有限元模型和破坏时应力、应变分布。
在这里插入图片描述
图3典型型钢混凝土梁模型和应力、应变分布

（3）复杂铸钢节点及柱脚

对于大跨空间结构，上部屋盖为钢结构，下部通常为混凝土结构体系。为了将上部钢结构荷载安全传递到混凝土结构中(混凝土柱及剪力墙)，设计中应采用了可靠的节点支座。由于柱脚节点荷载较大且是受力复杂的关键部位，其可靠设计直接关系到整个结构的安全。然而，目前还没有对这种铸钢节点和下部复杂构造的混凝土承台的力学性能分析和承载力校核有明确的依据，为了确保结构的安全可靠，采用ABAQUS对该柱脚进行有限元分析。对于这类复杂的三维实体模型，直接采用ABAQUS软件来建模，效率较低，通常土木工程技术人员都采用AUt0CAD软件来进行实体建模，AUt0CAD软件也是大部分土术工程人员熟悉的软件。图4出了某复杂柱脚的分析结果，对指导和完善结构设计起到了很好的作用。
在这里插入图片描述

4、ABAQUS 在桥梁工程中的应用

桥梁结构分析中，一般有平面杆系分析软件和空间有限元软件两类，主要有GQJS、QJX、桥梁博士、MIDAS、ABAQUS、ANSYS、SAP2000、ALGOR 等。目前平面分析软件的发展较为完善，解决了大量的工程实际问题，但不能很好模拟结构的空间作用、局部应力以及接触模拟等，以下介绍一些ABAQUS软件在桥梁工程中应用的典型实例。

4.1、钢腹杆-混凝土组合桥梁

随着社会经济的不断发展，交通基础建设的不断完善，对在交通枢纽中起重要作用的桥梁结构提出了“轻质、高强、长跨、环保、美观”的要求，为此工程界提出了钢腹杆-PC组合梁此新型结构，如图5示的法国的 Bras delaPlaine 桥。目前常用的桥梁专用软件很难对这种桥梁进行分析计算，采用有限元软件ABAQUS对这种新型桥梁进行建模分析，图6了典型算例的前两阶的振型模态。
在这里插入图片描述图5 法国 Bras de la Plaine 桥
图6 典型钢腹杆-混凝土组合桥梁算例的前两阶的振型模态

4.2、波形钢腹板PC组合桥梁

波形钢腹板PC组合箱梁桥是20世纪80年代在法国实现应用化的一种新型桥梁结构。这种结构以波形铜板代替混凝土作为箱梁的腹板，并采用体外预应力技术，实现了主梁的轻型化，增大了桥的跨越能力，符合当今桥梁的发展趋势。由于目前该结构的理论研究成果尚不能完全满足工程设计的需要，故一般的平面杆系分析软件进行该结构设计偏于不安全，我们采用 ABAQUS 软件可较好的满足我们的设计要求。图7出了由深圳市政设计研究院有限公司主持设计的深圳南山大桥(采用了波形钢腹板PC组合箱梁)的效果图和 ABAQUS 有限元模型。
在这里插入图片描述图7南山大桥的效果图和有限元分析模型

5、ABAQUS 在岩土工程中的应用

由于ABAQUS软件提供了真实反映土体性状的本构模型，如土体的屈服特性、剪胀特性等，且ABAQUS软件具有强大的接触面处理功能能够很好的处理土与结构的相互作用问题。另外ABAQUS提供了无限元单元，可以模拟地基无穷远处的边界条件，因此，ABAQUS软件在岩士工程具有较好的适应性。以下也介绍下典型的分析实例。

5.1、路基边坡稳定性分析

边坡稳定分析是经典力学最早试图解决面仍未圆满解决的课题之一，采用有限元法分析边坡稳定问题克服传统极限平衡方法中将土条假设为刚体的缺点，并可以考虑土体的弹塑性本构关系，以及能模拟边坡的失稳过程和滑移面的形状，已经得到越来越广泛的应用。强度折减弹塑性有限元法是目前在边坡稳定分析中适用广泛、前景良好的一种数值分析方法，它将强度折减技术与弹塑性有限元方法相结合，在给定的评判指标下，通过调整折减系数对边坡稳定性进行分析，求得边坡的最小稳定安全系数。笔者采用ABAQUS软件并结合强度折减技术对某一路基边坡稳定性进行了分析，并取得了较好的分析效果，分析结果也得到专业的岩土分析软件Plaxs的验证，图8出相关型及分析结果。
在这里插入图片描述图8 路基边坡有限元分析

5.2、桩土共同作用分析

桩土相互作用是一个相当复杂的工程问题，为了确定单桩完整的荷载一沉降关系，即P-S曲线，传统的方法是做桩的破坏性荷载试验，然而对于大直径桩要进行这类试验，无论从加载条件还是从试验技术上都具有很大难度，因此可以通过有限元分析的手段。如上所述，ABAQUS提供较为完善的土体本构模型和良好的考虑桩土接触的功能，因此可较方便进行桩土共同作用分析。在*INITIALCONDITIONS中设置初始地应力及侧乐力系数，并可在GEOSTATIC中实现平衡。图12给出了某典型的承受竖向荷载的桩的土受力分析。分析区域桩端向下扩展1倍桩长，水平方向取为20倍桩径，以期消除分析边界对分析结果的影响。
在这里插入图片描述图9 桩土共同工作分析