钢结构原理教学中有限元软件abaqus的应用

《钢结构原理教学中有限元软件abaqus的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、钢结构原理教学中有限元软件ABAQUS的应用　　收稿日期：2013-05-17　　基金项目：福建省自然科学基金资助项目（15135013）；福建省教育厅科研资助项目（JA11022）　　作者简介：王志滨（1979-），男，福州大学土木工程学院讲师，博士，主要从事钢-混凝土组合结构研究，（E-mail）wangzhibin@fzu.edu.cn。　　摘要：单调乏味的教学方式导致钢结构原理的教学效果不理想。将有限元软件ABAQUS应用于钢结构原理教学中，可提高学生对钢构件受力全过程、破坏模态和应力分

2、布的感性认识，使复杂的钢结构原理的教学更加形象和生动。研究表明该方法可有效提高学生学习兴趣和教学质量。　　关键词：有限元；钢结构原理；抗震性能；稳定破坏　　中图分类号：TU391；G642文献标志码：A文章编号：10052909（2013）05014503钢结构由于强度高、质量轻、塑性延性好、抗震性能良好、施工方便等优点，已被广泛应用于大跨度结构、高层房屋、高耸结构、重型工业厂房和承受动力荷载的结构中。钢结构原理作为土木工程专业重要的一门专业课，涉及工程材料、稳定理论、结构力学、弹性力学等知识，

3、但课时压缩严重。因此，如何在有限的课时内提高学生对复杂知识的理解能力是专业课教师必须认真思考的问题。7　　目前，钢结构原理课程教学主要存在照本宣科，内容枯燥等问题。很多教师采用多媒体授课，但仅仅是把原来手工板书教学内容照搬到电子课件上，课堂缺乏生动性。面对诸多的文字和复杂的公式推导，学生很难在短时间内消化所有的知识点，因此学生学习积极性普遍不高。　　大型有限元分析软件ABAQUS可同时考虑材料非线性和几何非线性，该软件已广泛应用于土木工程研究领域，如建筑结构在静力荷载、往复荷载、冲击荷载和火灾作

4、用下力学性能的研究。因此，许多高校和科研机构都将ABAQUS作为一种重要的研究工具和生产工具。同时有限元软件也被许多学者用于土木工程课程教学中，并获得较好的教学效果[1-3]。为了提高钢结构原理的教学效果，笔者采用ABAQUS对某些典型的钢构件算例的受力过程进行数值模拟，模拟结果包括动画和应力云图等。基于生动的动画和云图，可使学生获得较为感性的认识，强化学生对复杂知识点的理解。　　一、ABAQUS在土木工程教学中的优势　　（1）可视化教学使得教学方法更加形象、生动。ABAQUS可提供各种工况下钢

5、构件受力的全过程动态分析和整个构件的应力、应变的分析，帮助学生提高感性认识。　　（2）该软件拥有强大的非线性功能，可用于研究、分析钢结构、混凝土结构和组合结构的力学性能。（3）求解速度快。超静定或空间问题的手工求解对学生的力学功底要求较高，同时手工求解还需消耗大量的时间，而有限元软件ABAQUS的求解速度是手工计算速度的十倍甚至几十倍。　　（4）可充分考虑各种缺陷（如：焊接残余应力、初始偏心和初挠度）的影响，计算精度高。7　　（5）弥补试验教学的不足。土木工程专业课程教学往往要与实验教学相结合，

6、但试验教学又多集中于钢筋混凝土构件，针对钢结构的实验较少。将ABAQUS应用于钢结构原理的教学可弥补这一不足，在教学过程中可取代相应的简单原理性实验。　　高等建筑教育2013年第22卷第5期　　王志滨，徐信灿钢结构原理教学中有限元软件ABAQUS的应用　　二、教学应用典型算例　　根据荷载类型的不同，钢结构原理的教学内容可分为静力和动力两个部分，以下将分别举例说明ABAQUS在教学中的应用。　　以下典型算例中钢板均采用SR4壳单元。对比钢筋混凝土构件中的钢筋均采用T3D2桁架单元；混凝土均采用C3

7、D8R单元，钢筋嵌固在混凝土。钢材屈服强度统一取为345MPa；混凝土统一采用C50。　　模型中钢材本构采用双折线强化模型，强化段的弹性模量为初始弹性模量的0.01。混凝土采用塑性损伤模型，其受压和受拉单轴应力-应变关系分别采用文献[4]和文献[5]中建议的模型。混凝土塑性损伤系数参考文献[6]的建议取值。　　（一）抗震性能分析　　钢结构的一个重要特性是其抗震性能良好，为更好地说明以上概念，笔者建立了钢柱模型，具体参数如下：构件长度为3m。钢柱采用H型钢，其截面的高度和宽度均为400mm，腹板厚

8、度为13mm，翼缘厚度为21mm。其轴压比取为0.3（轴压比为构件上施加的固定轴力和该构件极限抗压承载力的比值）。构件两端铰接，在跨中施加往复横向剪力（P）。7　　为进行对比，还建立了对比钢筋混凝土柱模型，具体参数如下：构件长度为3m。柱截面宽度为300mm，高400mm，柱截面对称配筋，每侧配置3根直径为16mm的纵筋，箍筋为Φ8@200，其轴压比和边界条件与上述钢柱相同。　　图1给出了以上两个典型算例的剪力（P）～水平位移（Δ）的滞回曲线，由图1可发现如下规律：（1）钢柱的P-Δ滞回曲线较为