地震弹塑性(I)：TJU.Plastic-ABA子程序开发与验证作者： 柳国环，练继建，国巍 |
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2014,37（1）：132-140
摘要：首先，详述并明确了钢材静态损伤滞回模型中三种类型加卸载路径，重点改进了混凝土滞回规则中再加载路径拐点前的二次曲线与拐点后的直线规则，定义了再加载至骨架曲线的刚度退化指数型表达式。进而，开发了直接能够与ABAQUS主程序保持数据相互调用的UMAT隐式和VUMAT显式算法子程序，并给出子程序与ABAQUS主程序链接的框架示意图。最后，通过五种具有试验结果的构件（钢筋束、素混凝土、钢筋混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土）对所开发程序加以检验。结果表明：（1）改进的混凝土再加载滞回规则可较好描述混凝土加载曲线，克服了拐点前二次型规则的再加载曲线与卸载曲线在拐点前的相交现象的可能性，体现了拐点后再加载至骨架曲线的刚度退化；（2）开发实现的隐式算法UMAT与显式算法双精度VUMAT子程序不仅可行，而且具有足够的计算精度。本文工作具有基础性与实用性，可为工程计算提供可靠性参考。关键词：滞回模型；弹塑性； ABAQUS；UMAT；VUMAT 中图分类号：P315.9;U442 文献标识码：A 文章编号：  Key words：hysteristic model; elasto-plasticity; ABAQUS; UMAT; VUMAT  图 基于ABAQUS的子程序UMAT与VUMAT基本流程图 引言
当今，随着经济的快速发展和社会的不断进步，大垮和超高层等超限结构日益增多。根据当前的规范要求，超限结构的地震反应需要作为一项专门的工作（例如：结构在大震作用下的动力弹塑性表现行为）来进行[1-3]，然后对计算结果是否符合相关规范和（或）规程的相关具体要求进一步审查。一般情况下，对于这种特殊结构的计算通常需要用到非线性计算能力相对较高级的大型分析软件，例如：ABAQUS、MSC.MARC和LS-Dyna。文献本文与文献[4]和[5]针对ABAQUS大型程序，做了滞回规则改进、相关程序开发以及试验结果对比，并通过带有大跨-输电实际工程计算进一步检验了相关程序的可行性、计算精度与现实可靠性。就ABAQUS大型软件而言：核心程序涉及到隐式和显式两种算法，隐式算法需要迭代计算以满足相应的容差，而显式算法无需迭代但一般需要将步长设置比较小（与结构体系中单元尺寸有关）以得到可靠可信的计算结果。在ABAQUS中，可以编制子程序并与主程序对接来实现结构的钢筋混凝土动力弹塑性分析，相应隐式和显式算法的接口子程序头文件分别为UMAT和VUMAT，采用UMAT和VUMAT中的已有变量参数直接与程序中需要额外定义变量共同实现相应本构子程序的代码。为此，本文首先根据已有资料详细回顾了钢材和混凝土材料的单轴本构模型，并改进了混凝土卸载后再加载曲线的规则，旨在使得滞回曲线避免在理论存在加载曲线与卸载曲线在拐点前的相交可能性，并使得再加载曲线形状更接近于试验曲线形状（先凹后凸的曲线状）。然后，给出了ABAQUS中UMAT与VUMAT之间的的区别与联系，并按照UMAT与VUMAT的规则进而实现开发了直接能够与ABAQUS主程序保持数据相互调用的显式和隐式算法子程序ABA-Subroutine。最后，将编制的子程序分别用于钢筋束、素混凝土、钢筋混凝土、型钢混凝土以及钢管混凝土构件的弹塑性分析中，并将计算结果与试验结果相对比，以进一步考察和验证程序的可行性和准确性。本文关于ABAQUS子程序开发工作具有基础性，与文献[4]和[5]共同作为系列性工作，后续采用ABAQUS分析实际工程以得到可靠性的计算结果提供可行可信的前提条件。
 结论
本文作为系列研究的第I部分工作，主要涉及本构与子程序开发等四方面内容，简要总结如下：
(1) 改进了混凝土卸载再加载曲线规则并给出具体表达式，定义了再加载段拐点之后刚度退化参数k=0.9^i。(2) 给出并重点论述了UMAT和VUMAT与ABAQUS链接的框架示意图，并给出相关注记。 (3) 开发并实现了适用于隐式算法UMAT的子程序以及适用于显式算法的双精度VUMAT的子程序。 (4) 验证了本文改进的混凝土再加载规则与所开发程序的可行性和计算精度。首先考察了两种算法（隐式和显式法）对单一材料（钢筋和素混凝土）构件的计算结果，进而考察了对 混合材料（钢筋混凝土、钢管混凝土和型钢混凝土）的计算结果，并与试验结果相对比。 文章内容涉及到理论基础和本构改进、程序开发以及试验验证，可为实际工程计算提供可靠性保证。 参考文献(References)： [2] 宣钢，顾祥林，吕西林.强震作用下混凝土框架结构倒塌过程的数值分析[J]. 地震工程与工程振动, 2003,23(06):24-30 Xuan Gang,Gu Xiang Lin,Lv Xilin.Numerical analysis of collapse process for RC frame structures subjected to strong Earthquakes[J].Eartquake Engineering and Engineering Vibration, ,2003,23(06):24-30 [3] 杜修力，贾鹏，赵均.钢筋混凝土核心筒不同轴压比作用下抗震性能试验研究 [J].哈尔滨工业大学学报，2007，Vol.39，Sup.2：567-572 Du Xiuli, Jia Peng, Zhao Jun. Experimental Study On Seismic Behavior of Reinforced Concrete Core Wall under Different Axial Load Ratio[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2007, Vol.39，Sup.2：567-572. [4] 柳国环，练继建，国巍.结构动力弹塑性和倒塌分析（II）: SAP2ABAQUS接口技术、程序开发与验证[J]. Elasto-plasticity analysis for large-span and high structure (II):Technology、development and verification of program SAP2ABAQUS. (Under review) [5] 柳国环，练继建，孙雪艳，国巍.结构动力弹塑性和倒塌分析（III）: 地震差动作用下输电塔-线体系的弹塑性与倒塌分析[J].（ Elasto-plasticity and collapse analysis for large-span and high structure (III): Elasto-plastic and Collapse analysis of transmission-lines system under Multi-point Seismic Motions. [6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010 Ministry of Construction of the People’s Republic of China. GB 50011-2010 Code for seismic design of buildings [S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2010. (in Chinese) [7] 聂建国, 陶慕轩. 采用纤维梁单元分析钢-混凝土组合结构地震反应的原理[J].建筑结构学报，2011,32（10）：1-10. Nie Jianguo, Tao Muxuan Theory of seismic response analysis of steel-concrete composite structures using fiber beam elements[J]. Journal of Building Structures, 2011,32(10):1-10. (in Chinese) [8] 李敏.材料的率相关性对钢筋混凝土结构动力性能的影响[D].大连理工大学,2012. Li Min. Effects of rate-dependent properties of material on dynamic properties of reinforced concrete structure[D]. Da Lian University of Technology, 2011. (in Chinese) [9] 李敏,李宏男. 建筑钢筋动态试验及本构模型[J].土木工程学报，2010,43(4):70-75. Li Min, Li Hongnan. Dynamic test and constitutive model for reinforcing steel[J]. China Civil Engineering Journal, 2010,43(4):70-75. (in Chinese) [10] 过镇海，张秀琴. 混凝土在反复荷载作用下的应力-应变全曲线[J].冶金建筑, 1981,9:14-17 [11] 刘文渊，冷杰，段文峰. 往复荷载下圆钢管混凝土柱的数值模拟[J].吉林建筑工程学院学报，2012,29(1):1-4. Liu Wenyuan，Leng jie，Duan Wenfeng. Hysteristic behavior analysis of concrete filled circular steel tubular column based on ansys software[J]. Journal of Jilin Institute of Achitecture and Civil Engineering, 2012,29(1):1-4. [12] 周绪红，张小东，刘届鹏. 钢管约束钢筋混凝土柱与型钢混凝土柱滞回性能试验研究[J].建筑结构学报（增刊），2009：121-128 Zhou Xuhong，Zhang Xiaodong，Liu Jiepeng. Seismic behavior steel-tube reinforced-concrete(STRC) and steel reinforced-concrete (SRC) columns [J]. Journal of building structures(Supplementary Issues), 2009:121-128 |
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