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大跨、高层结构动力弹塑性和倒塌分析（II）: 纤维程序UMAT原理与开发

第x 卷第x 期《建筑结构》Vol.x No.x


摘要：首先简要回顾并论述钢材料、无约束混凝土和受约束混凝土的本构骨架曲线特征参数与理论公式，然后主要介绍箍筋和钢管对混凝土约束效应的计算方法，并给出关于箍筋配筋率以及极限与峰值关系的处理依据的说明，进而开发并实现了纤维数据的可视化生成程序UMAT。UMAT基于Microsoft Visual Studio 开发环境和Visual C#语言编制而成，可生成钢筋混凝土、型钢混凝土以及钢管混凝土等常用截面形式的纤维数据。UMAT功能及其界面具有足够的齐全性与友好性：1）可按照截面材料组成、几何位置和尺寸输入数据，自由选择混凝土级别（C15-C80）、钢筋类型(HPB300,HRB335,HRB400,HRB500)与型钢类型（Q235,Q345,Q390,Q420）；2）不仅对输入的数据与图形具有实时交互性，而且对生成数据的顺序可以自由设置并批量生成数据；3）输出界面具有对生成数据进行“虚纤维”的自动补行控制，由此可保持纤维数量的一致性。最后，利用UMAT程序给出了两个典型构件截面纤维数据的操作流程，同时说明了UMAT界面的友好性。UMAT作为生成截面纤维数据的一种可视化工具，可为采用MSC.MARC进行结构的动力弹塑性和倒塌计算提供便利。
关键词：UMAT；钢管混凝土；型钢混凝土；动力弹塑性；倒塌；MSC.MARC
中图分类号：P315.9;U442   文献标识码：A     文章编号：

Abstract：Theory models for describing the constitutive relationships of steel, concrete and confined concrete were firstly reviewed and discussed in brief. While, for the confined concrete, the methods for calculating the confinement effects from hoop steels and steel pipe on concrete was introduced and the relevant notes were also given in detail. Then, a visual program named “UMAT” for generating the fiber data was implemented on the Microsoft Visual Studio development environment and coded using language C#. By using the UMAT, the fiber data output of several types of material sections such as the reinforced concrete, steel reinforced concrete，steel pipe concrete and so on can be operated. The functions and interface operation of the UMAT include: 1) inputting fiber data according to the user-defined sectional material, geometric position and dimension, assigning concrete grade(C15-C80), steel rebar (HPB300,HRB335,HRB400,HRB500) and formed steel (Q235,Q345,Q390,Q420)；2) renewing in real time the graphic corresponding to the input data, and assigning the output order of user-defined section types and batching generating fiber data；3) by inputting total output fiber number to control automatically the “imaginary fiber” for the consistency of fiber numbers. At last, to show the convenience of operation process of program UMAT, the flow diagram of the fiber data of two type of typical frame section are further given. The results shows that the program UMAT developed in this paper, as a tool for generate material fiber data, can provide structural dynamic elasto-plastic and collapse when using MSC.MARC.
Key words：UMAT; steel pipe concrete; steel reinforced concrete; dynamic elasto-plasticity; collapse; MSC.MARC

引言
根据纤维梁柱单元原理，纤维数据需要提供各个纤维的形心位置（y，z坐标）以及纤维面积，以供软件等内部主程序的计算。同时，根据需要一般还要提供影响本构关系的关键控制性参数，这些参数需要根据相应纤维的材料以及不同子程序代码的判断、读取和计算逻辑来确定。对于混凝土本构的控制参数（例如峰值应力、峰值应变）而言，需要考虑两种约束效应：1）箍筋约束；2）钢管约束。前者主要涉及到钢筋混凝土构件（尤其是箍筋加密区），后者主要是针对钢管混凝土构件。此外，型钢混凝土和钢管混凝土构件所用的钢材料与钢筋不同，这种区别不仅体现在材料的属性上，而且型钢的纤维划分也需尽量相对密集，旨在能够更充分地反映材料的力学特性。
本文做了如下工作。首先，依据规范和相关文献记载，回顾和论述了钢材料和混凝土本构骨架曲线的关键特征参数。然后，介绍和论述了箍筋约束和钢管约束对混凝土关键参数影响的量化表达式。在此理论依据的基础上，针对钢筋混凝土、型钢混凝土以及钢管混凝土等典型工程常见的若干种截面形式，开发了纤维数据的生成程序UMAT。最后，采用本文编制的UMAT程序，结合工字形型钢混凝土截面详细给出了操作流程，以进一步说明UMAT界面的友好性。

结 语 （1）开发并实现了纤维数据的可视化生成程序UMAT。UMAT可生成钢筋混凝土、型钢混凝土以及钢管混凝土常用截面形式的纤维数据。对于钢筋混凝土和钢管混凝土，UMAT程序
          考虑了箍筋和钢管对混凝土的约束效应。
（2）UMAT输入功能及其界面具有操作友好性。UMAT可按照截面材料组成、布置和几何尺寸输入和修改数据，输入的数据与截面纤维图形具有实时交互性，钢筋类型（HPB300,
          HRB335, HRB400, HRB500）和混凝土类型（C15~C80）可以自由灵活选择。此外，当数据输入操作不合理或不符合逻辑时（例如：箍筋间距、内置型钢尺寸超过截面轮廓
         尺寸），具有相应的实时提示功能。
（3）UMAT输出功能及其界面具有操作友好性。数据输出可以对不同截面纤维数量可以进行统一设置，以保持不同截面材料纤维数量的一致性，对生成数据的截面名称和顺序可以
          自由设置，进而批量性生成数据。本文开发的UMAT程序作为生成截面纤维数据的一种可视化工具，可为采用MSC.MARC进行大跨和超高层等结构的动力弹塑性和倒塌计算提
          供便利。

参考文献(References)：
[1] 柳国环, 陆新征.大跨、高层结构动力弹塑性和倒塌分析（III）:SAP2MARC技术与开发[J]. 建筑结构，2014,44（4）：******.
[2] 柳国环, 陆新征, 李敏. 大跨、高层结构动力弹塑性和倒塌分析（I）:原理、MSC.MARC子程序开发与验证[J]. 建筑结构，2014,44（4）：******.
[3] GB 50010－2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
[4] 汪训流. 配置高强钢绞线无粘结筋混凝土柱复位性能的研究[D].北京：清华大学，2007 .
[5] 韩林海. 钢管混凝土结构：理论与实践（第二版）[M]. 北京: 科学出版社，2007.
[6] RUSCH H. Researches toward a general flexural theory for structural concrete[J]. ACI Journal Proceedings, 1960, 57(7): 1-28.
[7] HOGNESTAD E, HANSON N W, MCHENRY D. Concrete stress distribution in ultimate strength design[J]. ACI Journal Proceedings, 1955, 52(12): 455-480.
[8] LEGERON F, PAULTRE P. Uniaxial confinement model for normal and high-strength concrete columns [J].Journal of Structural Engineering, ASCE, 2003, 129(2): 241–252.
[9] MANDER J B, PRIESTLEY M J N, PARK R. Theoretical stress-strain model for confined concrete [J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1988, 114(8): 1804-1826.
[10] RUSCH H. Researches toward a general flexural theory for structural concrete [J]. ACI Journal Proceedings, 1960, 57(7): 1-28.
[11] 陈肇元, 朱金铨, 吴佩刚. 高强混凝土及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 1992 .