7.4.3.1 界面黏结滑移单元在ABAQUS中实现

在钢-混凝土组合结构有限元分析中，考虑钢板与混凝土间界面黏结力的作用一直是个难点。就目前研究成果来说，型钢与混凝土界面间的黏结滑移规律研究最为成熟，可为波形钢板与混凝土界面黏结滑移ABAQUS有限元分析提供参考。为实现界面黏结滑移的非线性分析，应在波形钢板与混凝土界面相对应单元节点（一一对应的单元节点）处布置界面法向及纵向、横向切向3个方向的弹簧单元，在ABAQUS中提供了可以指定方向运动并赋予刚度的SPRING2弹簧单元。若赋予其非线性运动特征，在INP文件进行修改定义即可。界面黏结滑移单元如图7.31所示。

图7.31　界面黏结滑移单元

下面以SC-12试件为例进行介绍，钢板与混凝土在界面法向上根据实际受力情况可不考虑法向拉力，而只考虑压力，法向弹簧可以简化设置成刚度很大的线性弹簧。而纵向与横向切向这2个方向，可根据推出试验得到的P-S曲线进行定义，利用公式P=τ（S，xi）Ai计算弹簧单元的非线性本构关系，并采用二分法计算弹簧单元的从属面积Ai，将波形钢板混凝土界面弹簧单元按照角部、中部及边界进行定义。SC-12的τ（S，xi）根据试验荷载-滑移曲线中P/A钢板求得，试件SC-12的τ-S关系如图7.32所示。

图7.32　SC-12黏结应力本构关系

由于弹簧单元本构关系曲线中P与单元从属接触面积有关，对计算分析精度有直接影响，故波形钢板与混凝土部件网格应尽可能地采用结构化网格划分，即在钢板与混凝土部件边线上布置种子。试件具有对称性，本文统一选择试件一半尺寸大小进行建模，并对混凝土与波形钢板进行几何切分，便于在mesh中进行网格划分，如图7.33（a）所示。将混凝土与波形钢板部件沿截面布置种子划分网格如图7.33（b）所示，混凝土纵向单元尺寸为1.25 cm，一共划分为32段，波形钢板埋入部分与混凝土单元尺寸相同，最终试件SC-12整体模型如图7.33（c）所示。结合网格划分，在界面沿纵向布置17×12=204个弹簧单元，根据从属面积的不同一共分为9种，通过修改INP文件，完成对弹簧单元非线性本构关系的定义。

图7.33　有限元模型

7.4.3.2　弹簧单元SPR1NG2模拟栓钉

采用单元SPRING2来模拟栓钉，建模简单方便，只需要在钢板布置栓钉位置处设置3个方向的弹簧单元即可，具体做法与在界面添加黏结滑移单元类似。栓钉的轴向截面2个方向通过定义栓钉本身的剪切滑移曲线关系（即X、Z方向）来考虑栓钉的剪切变形，栓钉轴向（即Y方向）通过定义线性弹簧并赋予栓钉本身的抗拉刚度来模拟栓钉的抗拔。

本次模拟栓钉荷载滑移-曲线本构与7.3节相同，并根据材性试验结果，求得本次试验所用栓钉荷载-滑移曲线关系，如图7.34所示。

图7.34　栓钉抗剪滑移全曲线

由于栓钉在实际结构当中滑移量是有限的，故根据学者赵洁［161］在钢板-混凝土组合梁非线性有限分析采用的栓钉断裂破坏准则进行定义，得到如图7.35所示本次模拟所需的栓钉本构模型。相关公式如下：

式中：Sf为栓钉的极限滑移值，mm；Su为栓钉抗剪承载力达到峰值时的滑移量，mm；d为栓钉直径，mm。

图7.35　本文栓钉本构模型(www.daowen.com)

7.4.3.3　实体单元模拟栓钉

采用C3D8R实体单元模拟栓钉时，栓钉与钢板在1个部件中创建，这样有利于防止栓钉与钢板采用TIE连接导致应力不连续情况的发生。创建模型如图7.36所示。考虑栓钉在混凝土中的实际受力情况，并参考文献［162］对栓钉与混凝土3种接触方式模拟分析结果，定义栓钉与混凝土之间的接触时，栓钉下半部分及柱头与混凝土采用TIE连接。上半部分与混凝土采用面面接触，即法向“硬接触”、切向定义摩擦系数，这样有利于提高模型的收敛性。

图7.36　带栓钉试件有限元模型

7.4.3.4　模型边界条件及荷载施加

在混凝土底部建有刚性垫块，与混凝土TIE连接，垫块只定义弹性参数不定义塑性特性。设置试件模型的边界条件，在模型对称面施加对称约束即XYSMM。为接近试验的真实加载情况，选择在波形钢板加载端施加轴向位移荷载，即对钢板加载面上的所有节点施加沿Z轴负方向的位移荷载。