剪力墙拟静力试验的数值模拟（ABAQUS、OpenSees）

通过拟静力试验（也叫低周往复荷载试验），可以研究构件在地震作用下的受力和变形特征，同时得到滞回曲线和骨架曲线，从而得到构件的极限承载力、极限位移、耗能能力、强度退化、刚度退化和延性等。

数值仿真在科研工作中也发挥着重要的作用，一方面，在试验之前我们可以进行数值模拟，预测试验结果；另一方面，通过数值模拟，完成试验较难完成的变量分析，与试验形成互补。目前构件拟静力数值模拟中，最常用的有限元分析软件有ABAQUS、OpenSees、ANSYS和ADINA等。

本文基于ABAQUS和OpenSees，对钢筋混凝土剪力墙的拟静力试验进行数值模拟，总结2个软件中的各种建模方法，并进行对比分析。

0、剪力墙试试验概况

1、OpenSees软件

在此次数值分析中，采用3种采用建模方法：

1）纤维模型（DispBeamCloum、 ForceBeamCloum 、 DispBeamCloum +0长度单元、 ForceBeamCloum +Hysteretic）；

2）多垂直杆（MVLEM、SFI- MVLEM ）；

3）分层壳（ShellMITC4、ShellNLDKGQ）。

1.1、纤维模型

纤维模型是OpenSees中最常用的模型，模拟中分别采用了刚度法、柔度法、刚度法加零长度单元以及柔度法加剪切弹簧4种方法。模拟结果如下图所示：

1.2、多垂直杆模型

多垂直杆中，采用MVLEM和SFI-MVLEM模型。MVLEM模型是将剪力墙延高度方向划分为若干段，每一段内采用多个竖向纤维弹簧来模拟压弯效应，一个水平剪切弹簧来模拟剪切变形。SFI-MVLEM是将混凝土板单元引入到2维宏观纤维模型中，更好的模拟了弯剪耦合作用下剪力墙的受力特性。模拟结果如下图所示：

1.3、分层壳模型

分层壳模型中采用了ShellMITC4和ShellNLDKGQ单元进行计算，ShellNLDKGQ是清华大学陆新征教授课题组开发的单元。分层壳模型是将混凝土沿高度和宽度划分为多个单元，沿厚度方向划分为若干层，包括保护层、箍筋、水平筋、纵筋和核心区混凝土等。纵筋也可采用Truss单元嵌入到混凝土中。模拟结果如下：

1.4、三种模型总结

1）纤维模型由于本身不考虑剪切，所以适用于剪跨比较大的剪力墙，如果想模拟小剪跨比的剪力墙，可以采用柔度法加剪切弹簧（注意：刚度法加剪切弹簧是没有用的）。

2）多垂直杆和分层壳模型，既可以较好的模拟大剪跨比的剪力墙，也可以较好地模拟小剪跨比的剪力墙。

OpenSees剪力墙3种建模方法的视频教程可在下方链接观看：

https://www.jishulink.com/college/video/c14572

学会了OpenSees钢筋混凝土剪力墙的建模方法，带耗能钢筋、预应力筋或者螺栓钢板的剪力墙、装配式剪力墙也就简单了，在此基础上添加单元或材料考虑即可。

2、ABAQUS软件

在ABAQUS中，模拟剪力墙的方法主要有：

1）实体单元；（2）壳单元；（3）二维MCFT模型（方自虎老师开发）

由于大家最常用的是实体单元，所以本文重点讲述实体单元建模中的几个要点问题。具体的建模过程不细讲了，如果你刚开始学ABAQUS，推荐你2本书，里面有拟静力试验模拟的详细建模过程，看完你就会了。

①徐亚丰《高等土木工程结构（ABAQUS模拟实验/实验室模型实验）》

②王玉镯 《ABAQUS结构工程分析及实例详解》

2.1、混凝土本构及损伤因子的计算（CDP模型）

混凝土损伤损伤塑性模型（CDP）包括钢筋和混凝土的本构及损伤因子的计算。

1）混凝土本构的计算方法有很多，常用的有：①10规范；②02规范（过镇海模型） ；③丁发兴模型等。从规范或者文献中，找到相应的公式，制作一个Excel表格，或者用Matlab写一个代码，不是很难的事情。（2）钢筋本构可选用双折线或者三折线模型，在ABAQUS中，需要输入真实应力和真实应变，所谓真实应力即考虑了钢筋拉断时截面面积的缩小。试验测得的数据为名义应力和名义应变。转换关系如下：

3）损伤因子的计算方法有：①图解法 ；②能量法 ；③规范法，根据公式计算即可。为了滞回曲线出现下降段，注意损伤因子的长度一般要大于0.95。

CDP模型课程（包含4种混凝土本构和3种损伤因子的计算方法）以及Excel表格，可在下方链接观看：

https://www.jishulink.com/college/video/c14528

2.2、ABAQUS输出滞回曲线。加载点设立set，在Create Histoty Output里输出加载点的位移和力，从而绘制滞回曲线。操作如下：

1）首先在低周往复加载点处定义RP-1，将RP-1和加载面耦合。然后将RP-1定义为一个set（我定义的set名为DD）。

2）点击Create Histoty Output，Domain里选择set，DD。

3）计算完成后，在Create XY Data里点ODB histoty output（第一个），就有力和位移的数据了。点击Plot可以绘图，然后在Operate on XY data里可以用combine（X,X）绘制滞回曲线。

2.3、ABAQUS直接输出骨架曲线

输出滞回曲线的同时，也可以输出骨架曲线，这样就不用再用代码或者软件提取骨架曲线了，方便很多，可以在下面链接看操作视频。（重要！）

https://mp.weixin.qq.com/s/RvIABJS3VVD8USUCVnpWWw

更多拟静力试验模拟的思考与总结可以看这个帖子：

http://www.jishulink.com/content/post/1196354

2.4、ABAQUS所建模型和滞回曲线：

2.5、实体单元总结

1）实体单元较难做出捏缩，一般是采用钢筋子程序（Vecchio，Clough等）来削减卸载刚度。

2）钢筋子程序、本构的长度、损伤因子的计算方法、拉压恢复系数、粘滞系数和网格等均对模拟结果有较大的影响。

3、OpenSees与ABAQUS对比

1）软件特色。OpenSees是通过编写tcl代码输入程序来进行计算，像构件拟静力模拟都有固定的模板，嵌套一下改成自己的参数很快上手（简单的模型1,2天足矣）。当然也有些前处理软件，像GID和Navigator等。ABAQUS有CAE界面，可操作性强。

2）计算时间。我用I5-6300HQ的笔记本，OpenSees计算这个剪力墙，纤维模型用时18秒，分层壳用时70秒。ABAQUS的速度大家也都知道，取决于粘滞系数和网格大小，用时几十分钟或者更久是常态。

3）结果输出。在OpenSees中，除了输出滞回曲线，也可以输出水平往复荷载与弯曲、剪切变形的关系，弯矩-曲率图等，多垂直杆模型还可以输出墙体裂缝开裂方位图，保证你的论文中数据和图片多姿多彩。ABAQUS就不用多说了，输出S、PEEQ、DAMAGEC、SDEG等。

4）如何选择软件。拟静力试验数值模拟方面，如果你注重于滞回曲线与试验吻合较好，那么推荐OpenSees。如果你注重于看构件的损伤过程和破坏形态，那么建议选择ABAQUS。

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