THUFIBER程序 STEP by STEP

THUFIBER程序 STEP by STEP

一、概述

THUFIBER程序是清华大学土木工程系在通用有限元软件MSC.MARC上开发的，面向钢筋混凝土杆系结构的非线性分析程序。所谓纤维模型，就是将一个构件的截面划分成很多个区域，每个区域就是一个“纤维”（图1），各个纤维之间通过平截面假定使其能够共同工作。

图1 纤维模型

由此可见，THUFIBER程序使用时，用户需要输入以下两类信息：

(1) 构件的截面几何信息和局部坐标系信息，这部分通过MSC.MARC自带的前处理界面实现，其中最重要的信息有三个：截面面积、材料密度和截面x轴的方向。程序将根据前两条信息计算得到构件的质量。根据截面x轴方向计算其强轴和弱轴行为。

(2) 构件截面的配筋信息，这部分通过清华大学自行开发的前处理界面输入。生成的截面配筋信息存放在matcode.txt文件中。

二、计算模型示例

在本节我们将演示如何使用THUFIBER和MSC.MARC程序进行一个简单空间框架的静力推覆分析。

我们要分析的框架模型如图2.1-1所示，柱子间距为x方向5m，Y方向4m，层高3m。截面信息为：

梁：0.2×0.5m，混凝土抗压强度为30MPa，四个角点各配置500m²的纵筋，钢筋屈服强度为300MPa。抗剪强度为360kN。

柱：0.3×0.4m，混凝土抗压强度为30MPa，四个角点各配置600m²的纵钢筋，钢筋屈服强度为300MPa。抗剪强度为540kN。

(1) MSC.MARC程序和多种CAD软件有着良好的接口，以广泛使用的AutoCAD程序为例，在AutoCAD中建立结构的轴线模型如图2.1-1所示。将模型文件输入为dxf格式。

图2.1-1

(2) 在MSC.MARC的前处理程序MENTAT中，选择底部的静态菜单FILE->IMPORT，选择输入DXF格式，选择相应文件，读入刚才的CAD模型，并用底部静态菜单做适当旋转，结果如图2.2-1所示。

图2.2-1

(3) 目前在有限元程序中读入的模型还是几何信息，我们要将其转化为有限元信息。进入MARC的主菜单MESH GENERATION，选择CONVERT，将DIVISIONS设置为5,5，即每个线段划分成5个单元。选择CURVERS TO ELEMENTS，选择ALL: EXIST，得到单元和节点分布如图2.3-1所示。

图2.3-1

(4) 回到主菜单MAIN MENU->MESH GENERATION，选择SWEEP按钮，选择ALL，清理不必要的节点和单元信息。

图2.4-1

(5) 下面将对模型添加边界条件，施加边界条件的具体步骤和一般MARC分析问题完全一样，这里我们就不再重复。对于本模型而言，需要施加的边界条件包括：底部所有自由度的约束，给所有单元施加重力，对一层和二层相应的梁柱节点施加一个从0逐步增加到1,000kN的外力。（图2.5-1）

图2.5-1

(6) 下面我们要给模型输入材料信息。第一种材料为梁，需要说明的是，MARC的材料信息编号对应于截面编号，所以必须严格逐个输入。输入材料名称为Beam，材料类型为HYPOELASTIC->USER SUB. UBEAM，即这个材料是用户自定义的。输入材料的密度为5000，即相当于将部分楼板重量折算到梁上面。

图2.6-1

(7) 选择ELEMENTS->ADD，选取相应的梁单元，将材料信息赋予之。

(8) 再建立一个材料，名称为Column，类型还是HYPOELASTIC->USER SUB. UBEAM, 只是密度为2500。同样再选择ELEMENTS->ADD，选取相应的柱子单元，赋予材料信息。最后得到相应的材料信息如图。

图2.8-1

(9) 下面要赋予几何信息。这部分工作比较复杂，关键牵涉到单元局部坐标系的问题。选择主菜单MAIN MENU-> GEOMETRIC PROPERTIES，建立新几何信息名称为Beam，类型为3-D->ELASTIC BEAM，输入截面的截面积和对应于局部坐标系x轴，局部坐标系y轴的转动惯量。并输入局部坐标系x轴对应整体坐标系的矢量方向。对于本问题而言，我们取梁单元的局部坐标系x轴为垂直向上，和整体坐标系的z轴平行，所以局部坐标系x轴的矢量方向为(0 0 1)。

图2.9-1

(10) 将刚才输入的梁截面信息添加给所有的梁单元，选择ELEMENTS-> ADD，选取相应单元。

(11) 类似的，建立新的几何信息，名称为Column，类型为3-D->ELASTIC BEAM，输入截面的几何信息如图。这时取柱子的局部坐标系x轴方向和整体坐标系x轴方向相同，所以其局部坐标系x轴的矢量方向为(1 0 0)，选择ELEMENTS-> ADD，将几何信息添加给相应的单元。

图2.11-1

(12) 最后需要定义荷载工况LOADCASES和计算任务JOBS。这个和一般的MARC计算问题均相同，就不再重复。在LOADCASES-> SOLUTION CONTROL中设定允许分析出现非正定情况NON-POSITIVE DEFINITE，设定分析方法为ARC LENGTH法，MAX # INCREMENTS IN LOADCASE 为 500，DESIRED # RECYCLES/INCREMENT 为5。在JOBS中，ANALYSIS OPTIONS可以打开大位移LARGE DISPLACEMENT选项。在JOB RESULTS选项中选择输出STRESS(对应单元的内力)和STRAIN(对应单元的变形)。如果想观察塑性铰分布情况，还可以选择AVAILABLE ELEMENT SCALARS->User Defined Var # 1。

(13) 最后需要定义单元类型。这里需要特别关注一下。THUFIBER程序目前提供两个不同的版本：THUFIBER-E和THUFIBER-T，其中，THUFIBER-E是基于欧拉梁理论，不考虑单元的剪切破坏，对应的在MARC里面应选择52号梁单元。而THUFIBER-S是基于铁木辛柯梁理论的，可以考虑剪切破坏，对应的在MARC里面应选择98号梁单元。请根据程序的版本信息选择相应的单元类型。