基于ABAQUS 預(yù)應(yīng)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(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331）

預(yù)應(yīng)力碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)是通過(guò)體外張拉碳纖維板，再進(jìn)行兩端固定，中間部位進(jìn)行有粘結(jié)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(fā)揮，文中通過(guò)使用ABAQUS 軟件建模的方式對(duì)空心板梁進(jìn)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?jiǎn)卧：腿S實(shí)體單元建模。建模過(guò)程中，梁?jiǎn)卧⒛Ｐ湍芨玫捏w現(xiàn)出梁整體的線性受力情況。本次建?；炷敛糠植捎萌S實(shí)體單元進(jìn)行建模分析。采用三維實(shí)體單元進(jìn)行建模分析，更加詳細(xì)體現(xiàn)空心板梁在碳纖維片材的加固作用下梁各個(gè)局部的應(yīng)力應(yīng)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(jìn)行模擬。

1.3 加載墊塊單元

加載墊塊單元采用三維實(shí)體單元模擬。

1.4 碳纖維板單元

碳纖維片材在本次建模過(guò)程中只收到拉力作用，選擇殼單元對(duì)其進(jìn)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(gòu)關(guān)系，材料屬性輸入緊扣模型的計(jì)算過(guò)程與結(jié)果，錯(cuò)誤的材料屬性常常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程中塑性蠕變不收斂等情況的發(fā)生。

2.1.1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

在ABAQUS 中輸入的混凝土材料性質(zhì)的數(shù)據(jù)如下：質(zhì)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(shù)據(jù)膨脹角取35，偏心率取0.1，fb0/fc0 取1.16，k 取0.667，粘性參數(shù)取0.0005。受壓、受拉行為中的參數(shù)按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010-2010 進(jìn)行計(jì)算（圖1）。

圖1 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.2 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

本模型中ABAQUS 鋼筋本構(gòu)關(guān)系的輸入分別有直徑為8mm 的一級(jí)鋼、直徑為12mm 的二級(jí)鋼與直徑為25mm 的冷拉鋼筋。三種鋼筋的本構(gòu)關(guān)系材料行為質(zhì)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(gòu)關(guān)系

在正常使用過(guò)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(jù)碳纖維片材的性質(zhì)泊松比取0。

2.2 截面屬性與截面指派

在ABAQUS 中，對(duì)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(jù)需要選擇不同的材料本構(gòu)關(guān)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(gè)計(jì)算參數(shù)，參與模型的迭代計(jì)算。

3 模型裝配

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

4 分析步與場(chǎng)輸出

4.1 建立分析步

分析步的創(chuàng)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(shí)間長(zhǎng)度作為本分析步的總時(shí)長(zhǎng)；設(shè)置最大增量步數(shù)，初始值、最小與最大值。如果計(jì)算步數(shù)超過(guò)了設(shè)置的最大增量步數(shù)還沒有計(jì)算完成，就不會(huì)繼續(xù)計(jì)算，最大增量步數(shù)需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

4.2 場(chǎng)輸出請(qǐng)求

場(chǎng)輸出請(qǐng)求是指派需要的結(jié)果類型，如應(yīng)力、應(yīng)變、反作用力等，可根據(jù)分析的內(nèi)容要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。在進(jìn)行場(chǎng)輸出設(shè)置前，需要先了解各場(chǎng)輸出代表的結(jié)果。本文建模選擇應(yīng)力分量和不變量、總應(yīng)變分量、反作用力與力矩三個(gè)場(chǎng)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(gè)：分別是是墊塊與梁作用關(guān)系設(shè)為綁定；鋼筋與梁的作用關(guān)系設(shè)為內(nèi)置區(qū)域；碳纖維材料和梁的作用關(guān)系碳纖維材料與梁關(guān)系是兩端固定，使用綁定的約束關(guān)系，中間段建立面與面的接觸關(guān)系，在接觸屬性中定義切向的切應(yīng)力。

ABAQUS 在荷載模塊可以施加荷載、邊界條件、初始應(yīng)力，本文建模通過(guò)在墊塊上施加壓強(qiáng)的方式施加荷載。邊界條件設(shè)定必須了解結(jié)構(gòu)的邊界約束情況，錯(cuò)誤的邊界條件會(huì)導(dǎo)致結(jié)果計(jì)算錯(cuò)誤或者計(jì)算過(guò)程不收斂的情況。初始應(yīng)力的添加可通過(guò)溫度添加、直接添加或者導(dǎo)入其他模型的最后結(jié)果作為初始應(yīng)力，本次建模預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力碳纖維片材通過(guò)降溫法施加預(yù)應(yīng)力，定義線膨脹系數(shù)，在初始應(yīng)力中定義初始溫度和分析步中的溫度，達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的目的。

6 網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分首先要為部件實(shí)例布種，選擇布種對(duì)象，輸入全局尺寸，全局尺寸關(guān)系結(jié)果計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)的計(jì)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(shí)例劃分網(wǎng)格，需要選擇網(wǎng)格單元形狀；指派單元類型，梁、桁架、三維應(yīng)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(xiàng)來(lái)顯示需要的實(shí)例，方便選擇不同的實(shí)例進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

7 作業(yè)

作業(yè)即為計(jì)算最后結(jié)果的過(guò)程，創(chuàng)建作業(yè)，選擇建立的模型，設(shè)置作業(yè)中的參數(shù)，提交作業(yè)。在作業(yè)過(guò)程中可進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)作業(yè)狀態(tài)了解作業(yè)的過(guò)程與分析的總步數(shù)。在作業(yè)過(guò)程中，下方警告顯示我們模型中的不足，可通過(guò)警告進(jìn)行修改模型；當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息時(shí)，模型將中斷運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤信息與警告信息對(duì)應(yīng)，錯(cuò)誤信息出現(xiàn)的原因比較多，單位使用的錯(cuò)誤、分析步設(shè)置不合理、相互作用錯(cuò)誤等都可以是出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因。

8 可視化模塊

可視化模塊是對(duì)運(yùn)算結(jié)果的查看，在本模塊中，根據(jù)前面設(shè)置場(chǎng)輸出查看需要的結(jié)果，為了更清晰的讀取各部件的結(jié)果，可在菜單欄工具中根據(jù)不同的屬性創(chuàng)建顯示組。通過(guò)創(chuàng)建X-Y曲線，能更清晰了解結(jié)果的歷程變化。通過(guò)菜單欄報(bào)告選項(xiàng)，可將需要的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出成文檔進(jìn)行處理。

9 結(jié)果對(duì)比

為了更加直觀的體現(xiàn)碳纖維片材對(duì)空心板梁的加固效果，在場(chǎng)輸出設(shè)置平移與應(yīng)變輸出，通過(guò)這兩個(gè)變量在兩個(gè)分析步上繪制的變形云圖對(duì)比，可以很清晰分析出碳纖維板對(duì)空心梁的加固效果。從兩個(gè)位移圖與兩個(gè)應(yīng)變圖中可以發(fā)現(xiàn)在梁中彎矩最大處，預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固后的空心板梁位移和最大應(yīng)變有明顯的減小。

圖2 加固前后應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比

10 結(jié)論

碳纖維材料作為建筑行業(yè)的一種新型的材料，它的高強(qiáng)度、高彈模、輕質(zhì)量、耐腐蝕等特點(diǎn)在建筑結(jié)構(gòu)中得到充分發(fā)揮。本文使用ABAQUS 對(duì)碳纖維片材加固空心板梁的案例進(jìn)行建模分析，通過(guò)ABAQUS 輸出在加固前后的應(yīng)變與位移比較，碳纖維片材對(duì)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(guò)施加預(yù)應(yīng)力的方法減小梁的下?lián)狭?，是建筑中一種可靠的受拉材料。