7.3.1.1 单元选择

混凝土单元选取与第6章一样，选取Solid 65单元。波形钢板和栓钉单元选取Solid 185单元，黏结滑移单元选用Combin 39单元，钢筋单元选取Link 180单元。

7.3.1.2 单元本构模型在ANSYS中输入

（1）混凝土本构模型

本文基于立方体抗压强度试验结果，选用MISO模型，参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），确定曲线上升段，如图7.16所示。

图7.16　混凝土单轴受压应力-应变曲线

模拟混凝土采用William-Warnke五参数破坏准则，默认为低净水压力，需输入张开裂缝和闭合裂缝剪力传递系数，分别为0.5和0.95，混凝土抗拉、抗压强度根据混凝土材性试验确定。

（2）钢材本构模型

本文波形钢板、栓钉、纵筋和箍筋均选用BKIN模型，如图7.17所示。

图7.17　钢材本构模型

其本构表达式如下所示：

钢筋和钢板弹性模量取2.06×1011Pa，栓钉弹性模量取2.16×1011Pa，钢材泊松比均取0.3，需要输入的参数有钢材屈服强度、极限强度等，具体材料数据选取根据金属拉伸试验测试结果而确定。根据材性试验，测得混凝土立方体平均抗压强度为56.59 MPa，钢材材性如表7.5所示。

表7.5　材料属性试验结果

7.3.1.3 黏结滑移本构在ANSYS中实现(www.daowen.com)

图7.18　接触面弹簧单元

这里对所有推出试件进行模拟，不考虑位置函数对黏结滑移本构的影响。为模拟带栓钉波形钢板-混凝土黏结滑移作用，选取弹簧单元，将该单元布置在波形钢板和混凝土界面相对应的节点间，考虑不同方向作用，包括法向、纵向和横向，进行有限元模拟，具体如图7.18所示。其中可以忽略钢板和混凝土之间作用力在法向上的拉力，只有压应力，相当于弹簧刚度很大并且只能承受压力。因此在弹簧单元法向F-D曲线上可以看作斜率很大的负方向折线。参照试验确定的带栓钉的黏结滑移本构关系，来确定波形钢板和混凝土间弹簧纵向切向的作用力，即试验F-D曲线，并假设横向切向上的作用力与纵向切向相同。这里，定义D为试验中的滑移S；F为黏结应力τ与弹簧单元所对应连接面上的从属面积A的乘积，即F=τ（D，xi）Ai，从属面积A取相邻单元尺寸范围内的一半，即二分法。在定义弹簧中，可根据波形钢板形状按照角部、边界和中间3种情况分别定义。另外，为了研究最终栓钉受力变形情况，本次模拟在栓钉和混凝土之间也建立了弹簧单元。关于栓钉的剪力滑移曲线本构，国内外提出了较多的模型，其中Ollgard提出的模型应用最为广泛［154］。其计算式如下：

7.3.1.4　建立模型与单元网格划分

用ANSYS有限元软件分析黏结滑移的核心，是将黏结滑移本构准确地转变为弹簧单元的F-D曲线，在确定波形钢板、混凝土、材料性质和波形钢板-混凝土之间的非线性弹簧所对应的黏结滑移本构关系后，建立考虑波形钢板-混凝土推出试验ANSYS有限元分析模型，建模时需注意波形钢板与混凝土界面之间的网格单元和节点的位置要对应准确。网格尺寸关系到F的取值，进而影响计算精度，所以混凝土与钢板网格划分尽量规则。本节建模方法与第6章相同。首先用工作平面将波形钢板、混凝土和钢筋的轮廓切分出来，然后利用布尔运算减去波形钢板，如图7.19（a）、图7.19（b）和图7.19（c）所示。建模时，先建立混凝土，后建立钢筋，两者独立，采用节点耦合法，搜索离钢筋节点最近的混凝土节点，将划分后的两者单元节点绑定，来实现钢筋和混凝土的变形协调。一般混凝土单元尺寸以5cm为宜，而且不应小于实际混凝土的颗粒粒径。本文根据试验实际情况，考虑到试件实际尺寸和构造，避免单元网格畸形，影响收敛，先将与波形钢板横截面相同的边界划分，纵向尺寸定为2 cm，波形钢板单元尺寸跟混凝土要匹配，如图7.19（d）、图7.19（e）和图7.19（f）所示。由于试件只承受竖向荷载，而且法向发生的滑移极小，在定义弹簧法向切向的实常数时，可令法向的刚度系数远大于纵向刚度系数。本文根据实际情况在混凝土底部建立刚性支座，为保持垫块与混凝土单元网格的连续性，设置支座界面尺寸与混凝土试块横截面完全相同，厚度为3 cm，不考虑支座影响，其弹性模量设为钢材的1000倍。试件左右对称，建立1/2模型，对称面对称约束，支座底面完全约束。本文模拟采用力加载方式和力收敛准则的组合方式。

图7.19　有限元模型