基于ABAQUS 預應力碳纖維片材加固空心板梁的建模分析研究

彭 輝 唐 彪 向靈均

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331）

預應力碳纖維加固混凝土結構是通過體外張拉碳纖維板，再進行兩端固定，中間部位進行有粘結連接的加固方式，這種加固方式使碳纖維的材料特性更有效的發揮，文中通過使用ABAQUS 軟件建模的方式對空心板梁進行有限元建模分析。

1 單元選擇

1.1 混凝土單元

梁建模分析通常使用梁單元建模和三維實體單元建模。建模過程中，梁單元建立模型能更好的體現出梁整體的線性受力情況。本次建模混凝土部分采用三維實體單元進行建模分析。采用三維實體單元進行建模分析，更加詳細體現空心板梁在碳纖維片材的加固作用下梁各個局部的應力應變以及破壞損傷情況。

1.2 鋼筋單元

鋼筋單元采用桁架單元進行模擬。

1.3 加載墊塊單元

加載墊塊單元采用三維實體單元模擬。

1.4 碳纖維板單元

碳纖維片材在本次建模過程中只收到拉力作用，選擇殼單元對其進行模擬。

2 屬性與截面

2.1 材料屬性

模型中的材料屬性就是輸入材料特性與本構關系，材料屬性輸入緊扣模型的計算過程與結果，錯誤的材料屬性常常會導致計算過程中塑性蠕變不收斂等情況的發生。

2.1.1 混凝土本構關系

在ABAQUS 中輸入的混凝土材料性質的數據如下：質量密度2400，楊氏模量34400000000，泊松比0.2，塑性行為選擇混凝土損傷塑性，塑性數據膨脹角取35，偏心率取0.1，fb0/fc0 取1.16，k 取0.667，粘性參數取0.0005。受壓、受拉行為中的參數按照混凝土結構設計規范GB 50010-2010 進行計算（圖1）。

圖1 混凝土單軸應力-應變曲線

2.1.2 鋼筋本構關系

本模型中ABAQUS 鋼筋本構關系的輸入分別有直徑為8mm 的一級鋼、直徑為12mm 的二級鋼與直徑為25mm 的冷拉鋼筋。三種鋼筋的本構關系材料行為質量密度為7800；彈性楊氏模量分別為2.1×1011、2.0×1011、2.0×1011，泊松比為0.3；在本模型中不考慮鋼筋的塑性行為。

2.1.3 碳纖維片材本構關系

在正常使用過程中，碳纖維始終處于彈性階段，本次建模只考慮碳纖維片材的彈性行為，其材料屬性楊氏模量取1.7×1011，根據碳纖維片材的性質泊松比取0。

2.2 截面屬性與截面指派

在ABAQUS 中，對不同的部件需要建立不同的截面屬性，不同的截面屬性根據需要選擇不同的材料本構關系，將不同的截面上屬性指派給各部件，各部件裝配后才擁有各個計算參數，參與模型的迭代計算。

3 模型裝配

將建立的不同部件以實例導入，使用列陣、旋轉、平移、合并等功能，裝配成我們需要的模型，若以非實例導入，在網格劃分時需在菜單欄將非獨立的實例修改為獨立實例。若導入的部件是以線類型建立的，需要指定相應的正方向。

4 分析步與場輸出

4.1 建立分析步

分析步的創建，本次分析程序類型選擇靜力通用類型。在編輯分析步中，輸入分析步時間長度作為本分析步的總時長；設置最大增量步數，初始值、最小與最大值。如果計算步數超過了設置的最大增量步數還沒有計算完成，就不會繼續計算，最大增量步數需要適當的設置。

4.2 場輸出請求

場輸出請求是指派需要的結果類型，如應力、應變、反作用力等，可根據分析的內容要求進行適當的設置。在進行場輸出設置前，需要先了解各場輸出代表的結果。本文建模選擇應力分量和不變量、總應變分量、反作用力與力矩三個場輸出變量。

5 相互作用與荷載

本文中模型的相互作用有三個：分別是是墊塊與梁作用關系設為綁定；鋼筋與梁的作用關系設為內置區域；碳纖維材料和梁的作用關系碳纖維材料與梁關系是兩端固定，使用綁定的約束關系，中間段建立面與面的接觸關系，在接觸屬性中定義切向的切應力。

ABAQUS 在荷載模塊可以施加荷載、邊界條件、初始應力，本文建模通過在墊塊上施加壓強的方式施加荷載。邊界條件設定必須了解結構的邊界約束情況，錯誤的邊界條件會導致結果計算錯誤或者計算過程不收斂的情況。初始應力的添加可通過溫度添加、直接添加或者導入其他模型的最后結果作為初始應力，本次建模預應力鋼筋和預應力碳纖維片材通過降溫法施加預應力，定義線膨脹系數，在初始應力中定義初始溫度和分析步中的溫度，達到施加預應力的目的。

6 網格

網格劃分首先要為部件實例布種，選擇布種對象，輸入全局尺寸，全局尺寸關系結果計算精度與計算機的計算能力，因此需要選擇合適的尺寸，本文模型選擇0.05；然后為部件實例劃分網格，需要選擇網格單元形狀；指派單元類型，梁、桁架、三維應力等。為方便操作可使用菜單欄視圖工具中裝配件顯示選項來顯示需要的實例，方便選擇不同的實例進行網格的劃分。

7 作業

作業即為計算最后結果的過程，創建作業，選擇建立的模型，設置作業中的參數，提交作業。在作業過程中可進行監控，通過作業狀態了解作業的過程與分析的總步數。在作業過程中，下方警告顯示我們模型中的不足，可通過警告進行修改模型；當出現錯誤信息時，模型將中斷運行。一般來說，錯誤信息與警告信息對應，錯誤信息出現的原因比較多，單位使用的錯誤、分析步設置不合理、相互作用錯誤等都可以是出現錯誤的原因。

8 可視化模塊

可視化模塊是對運算結果的查看，在本模塊中，根據前面設置場輸出查看需要的結果，為了更清晰的讀取各部件的結果，可在菜單欄工具中根據不同的屬性創建顯示組。通過創建X-Y曲線，能更清晰了解結果的歷程變化。通過菜單欄報告選項，可將需要的結果數據輸出成文檔進行處理。

9 結果對比

為了更加直觀的體現碳纖維片材對空心板梁的加固效果，在場輸出設置平移與應變輸出，通過這兩個變量在兩個分析步上繪制的變形云圖對比，可以很清晰分析出碳纖維板對空心梁的加固效果。從兩個位移圖與兩個應變圖中可以發現在梁中彎矩最大處，預應力碳纖維片材加固后的空心板梁位移和最大應變有明顯的減小。

圖2 加固前后應變云圖對比

10 結論

碳纖維材料作為建筑行業的一種新型的材料，它的高強度、高彈模、輕質量、耐腐蝕等特點在建筑結構中得到充分發揮。本文使用ABAQUS 對碳纖維片材加固空心板梁的案例進行建模分析，通過ABAQUS 輸出在加固前后的應變與位移比較，碳纖維片材對空心板梁有顯著的加固效果，它不僅增大了梁的截面剛度，還通過施加預應力的方法減小梁的下撓量，是建筑中一種可靠的受拉材料。