北鯤教程｜基于 ABAQUS 的 CFRP 加固鋼筋混凝土柱承載能力分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力快速發(fā)展與國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力迅速提高，尤其是“一帶一路”倡議與“海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”實(shí)施，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正逐步?jīng)_破東部地區(qū)的狹長(zhǎng)地帶，不斷擴(kuò)展至更加廣闊的海洋與西部地區(qū)?；炷两Y(jié)構(gòu)作為土木工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式，在房屋建筑、橋梁、隧道、礦井、水利、海港等工程中的應(yīng)用非常廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)高速鐵路里程將達(dá)到3萬(wàn)km，水力發(fā)電將達(dá)到3.2×108kW，高速公路將達(dá)到7萬(wàn)km，核電裝機(jī)容量將達(dá)到5800kW?；炷敛牧吓c結(jié)構(gòu)是這些重大基礎(chǔ)設(shè)施的主體，圖1中列出國(guó)內(nèi)幾項(xiàng)重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的混凝土總用量[1,2]。

圖1 國(guó)內(nèi)部分大型工程混凝土用量 （單位:m3）

但重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、鹽霧，加之高溫（冰凍）、高濕環(huán)境；西部的干熱、干冷，多風(fēng)環(huán)境，尤其是海洋和西部鹽漬土地區(qū)高濃度的氯離子與硫酸根離子的腐蝕作用（圖2），對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這就對(duì)混凝土材料的性能提出更高的要求，同時(shí)也迫切需要找到一種新材料來(lái)延長(zhǎng)混凝土材料和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐久性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常暴露在各種環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致材料性能逐漸發(fā)生衰退。從圖2中可以看到，混凝土橋墩的劣化現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴(yán)重，亟需對(duì)其進(jìn)行加固改造或拆除重建。碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRP）的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)混凝土在惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期耐久性提供一種新的思路。目前，CFRP對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)工程的修復(fù)加固已成為建設(shè)領(lǐng)域中的重要組成部分。

(a) 銹蝕嚴(yán)重的鋼筋混凝土橋墩

(b) 潮汐變化的近海橋墩

圖2 鋼筋混凝土橋墩碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體，以樹(shù)脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料（圖3）。在眾多輕量化材料中具有較高的比強(qiáng)度、比剛性，輕量化效果十分明顯，在航空航天、軍工產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。--引自百度百科

圖3 CFRP圖“云計(jì)算”指通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(多指因特網(wǎng))形成的計(jì)算能力極強(qiáng)的系統(tǒng)，可存儲(chǔ)、集合相關(guān)資源并可按需配置，向用戶(hù)提供個(gè)性化服務(wù)?；谏鲜霰尘埃疚幕诒宾H云超算平臺(tái)預(yù)置的ABAQUS軟件對(duì)混凝土柱進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)外側(cè)包裹CFRP來(lái)對(duì)原有混凝土柱進(jìn)行增強(qiáng)加固處理，對(duì)比有無(wú)CFRP包裹對(duì)鋼筋混凝土柱承載力的影響。

表1 計(jì)算工況

模型概述：

柱長(zhǎng)：H=1500mm

橫截面：D=300mm混凝土C50

鋼筋采用理想彈塑性模型、

保護(hù)層厚度假設(shè)50mm，箍筋間距200mm、加載板采用R3D4剛體單元，共計(jì)350個(gè)單元。

2.1 工況1

工況一計(jì)算模型示例

場(chǎng)變量輸出設(shè)置

邊界條件設(shè)置底部全約束，頂部采用位移加載的形式，向下-15mm

邊界條件設(shè)置

材料參數(shù)，并行計(jì)算核心數(shù)目

工況一計(jì)算結(jié)果

工況一：荷載-位移曲線

2.2 工況2

工況二算例模型組成

鋼筋材料參數(shù)

工況二計(jì)算結(jié)果

工況二 荷載-位移曲線

可以看到，在豎向荷載作用下，鋼筋混凝土柱中部受損最為嚴(yán)重，有向外“鼓脹”的趨勢(shì)，由于受到鋼筋籠的約束作用，混凝土并未出現(xiàn)如工況1結(jié)果中的豎向受拉破壞區(qū)域，這與實(shí)際試驗(yàn)破壞模式是類(lèi)似的。

2.3 工況3

采用Lamina定義CFRP材料參數(shù)

CFRP材料參數(shù)設(shè)置

定義Hashin損傷參數(shù)

CFRP鋪層設(shè)置

CFRP材料方向

定義場(chǎng)變量輸出

計(jì)算效率很低，200個(gè)增量步后終止計(jì)算

工況三計(jì)算結(jié)果截圖

工況三 荷載-位移曲線

三種計(jì)算工況對(duì)比

可以看出，三種計(jì)算工況的荷載-位移曲線的分布趨勢(shì)大致相同，但承載能力的大小確有明顯不同。與工況1素混凝土情況相比，考慮鋼筋后的工況2，其承載力增大了7.81%。

計(jì)算機(jī)配置：

Windows系統(tǒng)版本 windows 10專(zhuān)業(yè)版版本號(hào) 20H2系統(tǒng)類(lèi)型 64位操作系統(tǒng)處理器 Intel(R) Core(TM) i7-10700F CPU @ 2.90GHz 2.90 GHz機(jī)帶RAM 32GB計(jì)算耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

使用云計(jì)算平臺(tái)可不占用自身電腦內(nèi)存，相當(dāng)于遠(yuǎn)程使用工作站，為了突顯云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，本節(jié)將帶著大家在北鯤云平臺(tái)上進(jìn)行有限元分析。點(diǎn)擊官網(wǎng)后，進(jìn)行新用戶(hù)注冊(cè)，

可領(lǐng)取100元體驗(yàn)金

，然后可進(jìn)入“控制臺(tái)”，看到體驗(yàn)金用量。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可在自己筆記本中建立好模型，將生成的文件(.cae)傳輸至北鯤云計(jì)算后臺(tái)，計(jì)算過(guò)程如下圖所示。

該文件上傳完畢后，就已經(jīng)存儲(chǔ)于北鯤云后臺(tái)，可以隨時(shí)備用，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)的丟失問(wèn)題，北鯤云給予普通用戶(hù)200G的云內(nèi)存，可放心使用。接下來(lái)就是使用北鯤云了，用戶(hù)可以自制Abaqus模板，一旦制作完成，以后每次使用就可以“即點(diǎn)即用”，模板的制作就不在這里演示了，可以發(fā)送：“自己的北鯤云用戶(hù)名+北鯤云模板”至公眾號(hào)：易木木響叮當(dāng)，如：Yimumu+Abaqus2020。

在我們使用模板，或者使用別的應(yīng)用遇到問(wèn)題時(shí)，可以點(diǎn)擊右下角幫助中心，熱心客服會(huì)為你在線解答(已經(jīng)試過(guò)，真的很熱心)。大多數(shù)新用戶(hù)可能比較在意的是費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)，上圖所示的是我經(jīng)常使用的價(jià)位，對(duì)于一般的模型可以嘗試使用特惠版的CPU類(lèi)型，性?xún)r(jià)比較高，對(duì)于自由度規(guī)模較大的模型，可適當(dāng)增加CPU的核心數(shù)，同時(shí)價(jià)位也會(huì)隨之上升。對(duì)于剛注冊(cè)的用戶(hù)可以領(lǐng)取到100元體驗(yàn)金，按照上圖所示的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)，可以試想能運(yùn)行多久。

選計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)后，就來(lái)到了圖形界面連接頁(yè)面了，先應(yīng)該復(fù)制鎖屏密碼，下載連接文件，點(diǎn)擊進(jìn)入后 ，輸入復(fù)制的密碼，這時(shí)就已經(jīng)進(jìn)入到了云計(jì)算的世界里面

了。傳輸?shù)奈募?huì)出現(xiàn)在H盤(pán)中，為文件的讀入速度，可將文件復(fù)制到C盤(pán)中進(jìn)行。

來(lái)到“圖形界面”內(nèi)部，看著是不是很像個(gè)人筆記本的頁(yè)面，實(shí)際上可以把他看作是你在遠(yuǎn)程操作一臺(tái)“可控性能”的計(jì)算機(jī)。

提升計(jì)算速度小貼士：在Abaqus的計(jì)算過(guò)程中，默認(rèn)設(shè)置是兩個(gè)進(jìn)程，如下圖所示，用戶(hù)可以增加進(jìn)程數(shù)來(lái)提高計(jì)算速度，進(jìn)程數(shù)最多可達(dá)個(gè)人筆記本的CPU總核數(shù)。

運(yùn)行模板中的Abaqus進(jìn)行求解，結(jié)算結(jié)果如圖所示，將計(jì)算的結(jié)果文件.odb文件傳復(fù)制到H盤(pán)中，即可在文件傳輸界面中看到計(jì)算結(jié)果文件，下載后用于后處理，退出模板，釋放節(jié)點(diǎn)，釋放節(jié)點(diǎn)后，云計(jì)算會(huì)將所有計(jì)算文件清除。

主要對(duì)比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對(duì)承載力的影響。分別開(kāi)展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側(cè)包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：?CFRP包裹鋼筋混凝土柱對(duì)承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進(jìn)行加固時(shí)，原有混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載通過(guò)粘結(jié)膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)力水平，從而起到增強(qiáng)加固的效果。?利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構(gòu)和Hashin損傷本構(gòu)可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對(duì)梁、柱、板承載力的計(jì)算。參考文獻(xiàn)：[1] 金祖權(quán). 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學(xué)出版社，2021.[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用[M]. 科學(xué)出版社，2021.[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012). https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6[4] 硫酸鹽環(huán)境中CFRP 約束劣化混凝土柱的力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào).

審核編輯黃昊宇