基于ABAQUS軟件的CFRP筋混凝土梁受力模擬分析**

周逸群

（安徽三聯(lián)學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 概述

在我國當(dāng)前的建筑行業(yè)中，鋼筋混凝建筑中質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越高[1]。鋼筋混凝土是建筑工程和行業(yè)中最常用和最重要的材料之一。當(dāng)今建筑工程設(shè)計大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在我國，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也是使用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，占總數(shù)的絕大多數(shù)，而且中國也是世界上在該地區(qū)使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最多的國家。我國基礎(chǔ)建筑設(shè)施的建設(shè)起步比國外晚，自20世紀(jì)80年代起逐漸存在鋼筋銹蝕問題[2]。在腐蝕環(huán)境中，極易出現(xiàn)因鋼筋銹蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷嚴(yán)重，降低結(jié)構(gòu)或構(gòu)件使用年限的同時還帶來了昂貴維修費用，不利于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)[3-6]。因此，非常有必要研究耐腐蝕的新型材料，以此來解決鋼筋銹蝕問題，延長建筑設(shè)施使用年限。

建筑材料發(fā)展日新月異，國內(nèi)外有研究者找到一些基本可以克服鋼筋銹蝕問題的建筑材料，如纖維增強復(fù)合材料（FRP）筋，其具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性強、絕緣性強等特點[7-9]。纖維增強復(fù)合材料主要包括碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復(fù)合材料（GFRP）、芳綸纖維增強復(fù)合材料（AFRP）和玄武巖纖維增強復(fù)合材料（BFRP）[10]。耐銹蝕是取代鋼筋重點考慮的優(yōu)越性能之一，F(xiàn)RP材料主要是由非金屬的纖維材料組合而成，其較小的導(dǎo)電性抑制了材料的電化學(xué)過程，對于威脅結(jié)構(gòu)的酸堿腐蝕介質(zhì)，有良好的抵御性[11-12]。同類材料中，CFRP 耐腐性能高于其他兩種。

國內(nèi)的CFRP筋材料研究項目起步較晚[13-14]，其配筋、型材以及應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能還有待研究。近年來，國內(nèi)一些高校和研究院所，如同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)等都對CFRP筋材料及其建筑工程應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，并且已經(jīng)有一些比較完善的成果轉(zhuǎn)化和規(guī)范制定。本研究結(jié)合以上情況，在ABAQUS平臺上，初步建立鋼筋混凝土梁結(jié)果模型，分別對普通鋼筋混凝土梁和帶有復(fù)合材料CFRP筋混凝土梁進(jìn)行靜態(tài)試驗，得到基本受力性能模擬值。同時，研究了選用兩種不同材料受力的影響，最終模擬結(jié)果對于材料的選用和后續(xù)的研究具有一定理論指導(dǎo)意義。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 建立幾何模型

ABAQUS/CAE是大型有限元分析軟件的交互式圖形環(huán)境，支持三維立體和二維平面的建?？臻g，也支持可變形部件以及離散剛體、解析剛體等模型類型?？梢酝ㄟ^特征化建模，包括將部件通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略等方式進(jìn)行建模，也可通過導(dǎo)入草圖、部件、模型或者裝配的方式進(jìn)行建模。本研究采用部件拉伸方式進(jìn)行建模，類型為指定深度，考慮到實際情況，數(shù)值設(shè)為2 000。部件的類型為可變形，模型空間為三維，形狀為線性，特征類型為平面。

2.2 定義材料屬性

在完成建模后，為生成的模型進(jìn)行定義材料屬性。針對CFRP材料的特點，本次模擬主要定義彈性屬性，各參數(shù)如表1所示。這里不考慮與溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)。梁桁架截面的面積分別設(shè)為113.09和78.53。

表1 彈性屬性參數(shù)

2.3 定義初始邊界條件

在ABAQUS/CAE中，根據(jù)需求選擇ABAQUS/Standard或者ABAQUS/Explicit進(jìn)行有限元分析。其中，ABAQUS/Standard作為軟件的通用分析模塊，應(yīng)用于各種簡單線性及復(fù)雜非線性問題的分析場合中，也可進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)等分析。本研究以ABAQUS/Standard分析模塊創(chuàng)建分析步，開始分析過程。得到的分析結(jié)果可作為初始條件，采用ABAQUS/Explicit分析模塊繼續(xù)分析，從而解決后續(xù)更復(fù)雜的工程仿真分析過程研究。將計算過程分成很多增量步，最大增量步默認(rèn)為100，其值對模型是否收斂影響可以忽略不計。該過程屬于自己難以收斂的非線性分析問題，需要不斷減小初始增量步，將分析步時間乘以0.01，最小為1E-05，最大為1。后一個增量步利用前一個增量步的計算結(jié)果為初始條件繼續(xù)求解，逐步計算出結(jié)果。

由于鋼筋是嵌入混凝土的，所以在施加相互作用時采用內(nèi)置區(qū)域來創(chuàng)建約束，權(quán)系數(shù)舍入誤差為1E-006，在分析過程中，絕對外部容差為0，外部百分比容差為0.05。部件初始邊界條件如圖1所示，部件的初始邊界條件。為了提高計算收斂性，荷載加載方式為位移加載，在梁跨中施加沿Z軸負(fù)方向的位移，大小為100 mm。

圖1 部件初始邊界條件

2.4 劃分網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格之前，首先為每個部分指定網(wǎng)格單元格的類型。網(wǎng)格劃分是對幾何模型進(jìn)行的離散化處理，使得在計算機輔助下求解大型非線性偏微分方程組成為可能。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量在一定程度上決定仿真分析的精度和時間，網(wǎng)格劃分得越粗略，所需要的時間就越短，但是分析精度就會越低；反之，網(wǎng)格劃分得越細(xì)，計算結(jié)果就會越精確，但是使用的計算時間會越長。網(wǎng)格劃分單元的形狀包括六面體、四面體以及楔形三種。本研究采用六面體單元形狀劃分網(wǎng)格。六面體單元可以減少部件所劃分單元格的數(shù)量，提高計算效率。利用六面體單元形狀劃分網(wǎng)格時，可以采用中性軸（Medial Axis）和進(jìn)階（Advancing Front）兩種不同算法。本研究中部件網(wǎng)格的劃分采用中性軸算法。使用中性軸算法能夠得到單元形狀比較規(guī)則的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。鋼筋混凝土梁模型如圖3所示，類型為C3D8R（八結(jié)點線性六面體單元、減縮積分，沙漏控制）。鋼筋骨架模型如圖4所示，單元類型為T3D2，即兩結(jié)點線性三維桁架單元。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

圖3 鋼筋混凝土梁模型

圖4 鋼筋骨架模型

3 復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁受力過程模擬

CFRP材料Hashin損傷參數(shù)如表2所示，其中損傷演化參數(shù)如表3所示。損傷穩(wěn)定性中，縱拉伸方向、縱壓縮方向、橫拉伸方向和橫壓縮方向的黏性系數(shù)均為0.001。彈性類型為單層板，各參數(shù)數(shù)據(jù)如表4所示，其余參數(shù)保持不變。由于替換了帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁，因此，建立4層常規(guī)殼復(fù)合層，以部件全局坐標(biāo)系中的Z軸作為法線方向，分別旋轉(zhuǎn)0、45°、-45°和90°。在分析過程中進(jìn)行截面積分。厚度積分規(guī)則有Simpson和高斯兩種。這里采用Simpson規(guī)則。ABAQUS/Explicit作為軟件的動力顯式分析模塊，計算速度較快，穩(wěn)定性較好。靜力通用分析通常使用較多。帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁受力過程采用靜力通用分析來完成，分析步總時長為1 s。該受力過程屬于復(fù)雜的非線性問題分析，增量步數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100，這里最大增量步數(shù)為10 000，其他保持不變。由于帶有復(fù)合材料CFRP筋，因此，約束類型為綁定。施加沿Y軸負(fù)方向的位移，大小為50 mm。網(wǎng)格布局有兩種類型：邊界布局和全局布局。對于規(guī)則部分，選擇后者。每個組件的全局大小為10，大小控制取決于預(yù)期的模型精度和整體大小。這里可以進(jìn)行很多優(yōu)化。網(wǎng)格劃分通常在需要研究的區(qū)域較為精確，在不涉及研究的區(qū)域進(jìn)行粗略劃分，以提高計算速度。該單元不同類型為S4R，即四結(jié)點曲面薄殼或厚殼，減縮積分，沙漏網(wǎng)絡(luò)控制，有限膜應(yīng)變。

表2 CFRP材料Hashin損傷參數(shù)

表3 損傷演化參數(shù)

表4 彈性數(shù)據(jù)

4 不同材料受力性能仿真模擬結(jié)果與分析

將劃分好網(wǎng)格后的模型進(jìn)行提交作業(yè)，可在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，監(jiān)控運行過程，并且在可視化模塊可以直觀地看到有限元分析的結(jié)果。如圖5所示，帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁應(yīng)力場分布，圖（a）為受力第1道次，即開始受力應(yīng)力場分布，圖（b）為受力第11道次受力結(jié)束應(yīng)力場分布。由圖可知，在外力作用下，外輪廓逐漸變形。在集中力作用處應(yīng)變值較大，其余部位相對較小。

圖5 帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁應(yīng)力場分布圖

如圖6所示，兩種材料應(yīng)力分析對比圖，圖（a）為普通鋼筋混凝土梁，圖（b）為帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁。由圖可以很直觀地看出，采用先進(jìn)的材料進(jìn)行優(yōu)化后，應(yīng)力分布幅值由優(yōu)化前的8.411×103變?yōu)?.719×103，而且應(yīng)力幅值的分布也有所變化，說明優(yōu)化效果明顯，即采用帶有復(fù)合材料CFRP鋼筋混凝土梁，可以顯著減少變形地方的應(yīng)力。

圖6 兩種材料應(yīng)力分析對比圖

兩種材料位移分析對比圖如圖7所示，圖（a）為普通鋼筋混凝土梁，圖（b）為帶有復(fù)合材料CFRP筋混凝土梁。從圖可知，普通鋼筋混凝土梁位移分布幅值為1.172×102，帶有復(fù)合材料CFRP筋混凝土梁位移分布幅值為5.855。因此，從結(jié)果看出，梁的受力過程基本符合理論計算和試驗研究，誤差在允許的范圍之內(nèi)，體現(xiàn)了新型材料的優(yōu)勢和特性。本研究采用的建模方式具有一定可靠性，受力性能仿真模擬過程為后續(xù)相關(guān)更深入的研究提供一定的參照和基礎(chǔ)。在實際工程的應(yīng)用中可以通過建立正確的模型，先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

圖7 兩種材料位移分析對比圖

5 結(jié)語

本研究對普通鋼筋混凝土梁和帶有復(fù)合材料CFRP筋混凝土梁的受力性能開展初步研究，利用ABAQUS對受力過程進(jìn)行建模仿真模擬，得到帶有復(fù)合材料CFRP筋混凝土梁的優(yōu)化效果，通過對這些結(jié)果的分析可以為后續(xù)的工藝設(shè)計等提供可靠的仿真依據(jù)。如CFRP筋混凝土梁的撓度研究，尤其是長期撓度的研究分析。CFRP筋雖然能夠有效地克服普通鋼筋的銹蝕問題，但也存在一系列缺點。如彈性模量較低，會導(dǎo)致構(gòu)件剛度不足，裂縫過大。因此，還要對CFRP筋混凝土梁裂縫寬度展開具體的計算。在實際的工程應(yīng)用中，如何以經(jīng)濟(jì)效益為主，合理地配置鋼筋，是今后努力的方向。