基于ABAQUS軟件的CFRP筋混凝土梁受力模擬分析**

周逸群

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

1 概述

在我國當前的建筑行業中，鋼筋混凝建筑中質量以及結構設計要求越來越高[1]。鋼筋混凝土是建筑工程和行業中最常用和最重要的材料之一。當今建筑工程設計大部分采用鋼筋混凝土結構。在我國，鋼筋混凝土結構也是使用最廣泛的結構形式，占總數的絕大多數，而且中國也是世界上在該地區使用鋼筋混凝土結構最多的國家。我國基礎建筑設施的建設起步比國外晚，自20世紀80年代起逐漸存在鋼筋銹蝕問題[2]。在腐蝕環境中，極易出現因鋼筋銹蝕而導致結構或構件損傷嚴重，降低結構或構件使用年限的同時還帶來了昂貴維修費用，不利于可持續發展目標的實現[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，延長建筑設施使用年限。

建筑材料發展日新月異，國內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，如纖維增強復合材料（FRP）筋，其具有質量輕、強度高、耐腐蝕性強、絕緣性強等特點[7-9]。纖維增強復合材料主要包括碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、芳綸纖維增強復合材料（AFRP）和玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）[10]。耐銹蝕是取代鋼筋重點考慮的優越性能之一，FRP材料主要是由非金屬的纖維材料組合而成，其較小的導電性抑制了材料的電化學過程，對于威脅結構的酸堿腐蝕介質，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。

國內的CFRP筋材料研究項目起步較晚[13-14]，其配筋、型材以及應用于結構的力學性能還有待研究。近年來，國內一些高校和研究院所，如同濟大學、東南大學等都對CFRP筋材料及其建筑工程應用進行了深入的研究，并且已經有一些比較完善的成果轉化和規范制定。本研究結合以上情況，在ABAQUS平臺上，初步建立鋼筋混凝土梁結果模型，分別對普通鋼筋混凝土梁和帶有復合材料CFRP筋混凝土梁進行靜態試驗，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，最終模擬結果對于材料的選用和后續的研究具有一定理論指導意義。

2 模型建立及參數設置

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境，支持三維立體和二維平面的建模空間，也支持可變形部件以及離散剛體、解析剛體等模型類型。可以通過特征化建模，包括將部件通過拉伸、旋轉、掃略等方式進行建模，也可通過導入草圖、部件、模型或者裝配的方式進行建模。本研究采用部件拉伸方式進行建模，類型為指定深度，考慮到實際情況，數值設為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，各參數如表1所示。這里不考慮與溫度相關的數據。梁桁架截面的面積分別設為113.09和78.53。

表1 彈性屬性參數

2.3 定義初始邊界條件

在ABAQUS/CAE中，根據需求選擇ABAQUS/Standard或者ABAQUS/Explicit進行有限元分析。其中，ABAQUS/Standard作為軟件的通用分析模塊，應用于各種簡單線性及復雜非線性問題的分析場合中，也可進行靜力學、動力學、熱力學等分析。本研究以ABAQUS/Standard分析模塊創建分析步，開始分析過程。得到的分析結果可作為初始條件，采用ABAQUS/Explicit分析模塊繼續分析，從而解決后續更復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果為初始條件繼續求解，逐步計算出結果。

由于鋼筋是嵌入混凝土的，所以在施加相互作用時采用內置區域來創建約束，權系數舍入誤差為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 劃分網格

在劃分網格之前，首先為每個部分指定網格單元格的類型。網格劃分是對幾何模型進行的離散化處理，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。網格劃分的質量在一定程度上決定仿真分析的精度和時間，網格劃分得越粗略，所需要的時間就越短，但是分析精度就會越低；反之，網格劃分得越細，計算結果就會越精確，但是使用的計算時間會越長。網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格。六面體單元可以減少部件所劃分單元格的數量，提高計算效率。利用六面體單元形狀劃分網格時，可以采用中性軸（Medial Axis）和進階（Advancing Front）兩種不同算法。本研究中部件網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則的網格。網格劃分圖如圖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，即兩結點線性三維桁架單元。

圖2 網格劃分圖

圖3 鋼筋混凝土梁模型

圖4 鋼筋骨架模型

3 復合材料CFRP鋼筋混凝土梁受力過程模擬

CFRP材料Hashin損傷參數如表2所示，其中損傷演化參數如表3所示。損傷穩定性中，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均為0.001。彈性類型為單層板，各參數數據如表4所示，其余參數保持不變。由于替換了帶有復合材料CFRP鋼筋混凝土梁，因此，建立4層常規殼復合層，以部件全局坐標系中的Z軸作為法線方向，分別旋轉0、45°、-45°和90°。在分析過程中進行截面積分。厚度積分規則有Simpson和高斯兩種。這里采用Simpson規則。ABAQUS/Explicit作為軟件的動力顯式分析模塊，計算速度較快，穩定性較好。靜力通用分析通常使用較多。帶有復合材料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。該受力過程屬于復雜的非線性問題分析，增量步數應遠遠大于100，這里最大增量步數為10 000，其他保持不變。由于帶有復合材料CFRP筋，因此，約束類型為綁定。施加沿Y軸負方向的位移，大小為50 mm。網格布局有兩種類型：邊界布局和全局布局。對于規則部分，選擇后者。每個組件的全局大小為10，大小控制取決于預期的模型精度和整體大小。這里可以進行很多優化。網格劃分通常在需要研究的區域較為精確，在不涉及研究的區域進行粗略劃分，以提高計算速度。該單元不同類型為S4R，即四結點曲面薄殼或厚殼，減縮積分，沙漏網絡控制，有限膜應變。

表2 CFRP材料Hashin損傷參數

表3 損傷演化參數

表4 彈性數據

4 不同材料受力性能仿真模擬結果與分析

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

圖5 帶有復合材料CFRP鋼筋混凝土梁應力場分布圖

如圖6所示，兩種材料應力分析對比圖，圖（a）為普通鋼筋混凝土梁，圖（b）為帶有復合材料CFRP鋼筋混凝土梁。由圖可以很直觀地看出，采用先進的材料進行優化后，應力分布幅值由優化前的8.411×103變為4.719×103，而且應力幅值的分布也有所變化，說明優化效果明顯，即采用帶有復合材料CFRP鋼筋混凝土梁，可以顯著減少變形地方的應力。

圖6 兩種材料應力分析對比圖

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，帶有復合材料CFRP筋混凝土梁位移分布幅值為5.855。因此，從結果看出，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，體現了新型材料的優勢和特性。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相關更深入的研究提供一定的參照和基礎。在實際工程的應用中可以通過建立正確的模型，先對結構進行受力分析。

圖7 兩種材料位移分析對比圖

5 結語

本研究對普通鋼筋混凝土梁和帶有復合材料CFRP筋混凝土梁的受力性能開展初步研究，利用ABAQUS對受力過程進行建模仿真模擬，得到帶有復合材料CFRP筋混凝土梁的優化效果，通過對這些結果的分析可以為后續的工藝設計等提供可靠的仿真依據。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，會導致構件剛度不足，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。在實際的工程應用中，如何以經濟效益為主，合理地配置鋼筋，是今后努力的方向。