ABAQUS在钢板-混凝土复合材料结构中的应用

    钢筋混凝土结构由于其合理地利用了混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能，具有良好的整体性和耐久性，对建筑业的发展有着巨大的推动作用，然而随着建筑物规模的发展，很多情况下钢筋混凝土已经满足不了结构的需要，于是就有了复合材料以及预应力混凝土的出现。现在混凝土复合材料多种多样，有玻璃钢—混凝土复合材料、钢纤维—混凝土复合材料、型钢—混凝土复合材料、钢板—混凝土复合材料等，这些复合材料的应用使得结构的强度明显提高，明显减小了结构截面的尺寸和结构的自重。钢板混凝土结构由于其简单易行的特点而得到广泛的应用，而且外贴钢板还可以用来补强钢筋混凝土结构，弥补由于某些原因造成的质量问题。钢板与被加固件的连接有涂抹特殊结构胶、植筋锚固焊接或“锚固—焊接—粘结”三重连接技术等，可以使二者很好地连接成一体，达到同步受力，消除应力滞后的效果。下面就钢板混凝土结构进行了数值模拟研究，通过不同工况对比，显示钢板混凝土结构的优点。

2 ABAQUS软件的有限元分析

    有限元的发展至今已经有五十多年了，随着计算机性能的提高，有限元的功能也越来越强，从当初单纯的线性发展到现在的非线性，可以解决结构、热、流体、电磁、声学等问题，可以模拟复杂的接触、碰撞、爆破等问题。其基本思想是将问题的求解域离散为一系列单元，单元之间靠节点连接，单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得，然后由单元方程再形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。现在有限元可广泛地应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防军工、电子、造船、生物医学、地矿、日用家电等一般工业及科学研究。

     ABAQUS是美国著名HKS公司开发的大型通用商业有限元软件，被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量的结构（应力／位移）问题外，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透／应力耦合分析）及压电介质分析。

    文中对如图1所示的T型钢筋混凝土梁进行了数值模拟。T型钢筋混凝土梁的参数如下：T型梁的跨度为10.0m，混凝土为C20级（f_c =10.0N/mm²），采用Ⅲ级钢筋（f_y =360N/MM²），梁承受的荷载为8.125kN/m，如图2所示，阴影部分表示为外贴钢板，钢板厚度为20mm，混凝土弹性模量为2.55*10¹⁰ N/m²，钢的弹性模量为2.1*10¹¹ N/m²。

2.1 钢筋混凝土梁的计算

    对于钢筋混凝土，ABAQUS中混凝土的加筋可以分两种情况施加：1）采用rebar进行加筋，但是在后处理中看不到钢筋的受力情况；2）采用杆单元，用embedded命令嵌入到混凝土单元中，这样便可在后处理中看到钢筋的受力情况。

    文中采用的是第二种方法，混凝土采用C3D8R六面体单元模拟，钢筋采用T3D2杆单元模拟。通过计算得出钢筋混凝土梁最大挠度ω=0.68mm，跨中混凝土的最大拉应力为1.0MPa，对于混凝土材料来说，抗拉应力为抗压应力的1/10，此时拉应力已经发挥到混凝土的极限，混凝土已开始开裂，出现裂缝。混凝土最大压应力为0.26MPa，远小于f_c =10MPa，钢筋最大拉应力为6.6MPa钢筋和混凝土满足要求。如图3所示为ABAQUS计算的混凝土第一主应力云图，通过云图可以看出在跨中梁下方混凝土承受较大的拉应力，而梁上方承受压应力较小。

2.2 钢板—混凝土复合梁的计算

    对于钢板—混凝土梁的计算，文中假定钢板与混凝土没有滑移，完整连接，通过计算得出钢筋混凝土梁最大挠度ω=0.52mm，跨中混凝土的最大拉应力为0.55MPa，对于混凝土材料来说，抗拉应力为抗压应力的1/10，拉应力未到混凝土的极限，混凝土没有开裂。最大压应力为0.29MPa，小于f_c =10MPa，钢筋最大拉应力为4.1MPa，钢板最大拉应力为5.1MPa，钢筋和混凝土满足要求。如图4所示为 ABAQUS计算的混凝土第一主应力云图，通过云图可以看出在跨中梁下方混凝土所受拉应力较图3明显减少，梁上方承受的压应力有所增大，钢板对梁有着补强作用，在相同荷载作用下，可以避免混凝土的开裂，减少挠度。

2.3  两种梁的计算结果比较

    如表1所示为相同荷载作用下两种梁计算结果的对比，通过二者对比可以看出钢板混凝土梁的挠度有所减少，可显著提高混凝土梁的承载力。没有钢板的混凝土梁会开裂，加了钢板的混凝土梁，混凝土的拉应力明显减小，可有效避免混凝土开裂。

3 结语

     1）对于钢筋混凝土或钢板—钢筋混凝土等多种复合材料的结构分析，理论计算较为复杂，而采用ABAQUS进行有限单元法进行计算是一种比较简单有效的方法。2）通过有限元计算结果对比表明，采用钢板加固钢筋混凝土梁可以减小梁的挠度和改善混凝土的受力状态，补强钢筋混凝土结构。3）采用钢板加固的钢筋混凝土梁，跨中拉应力较普通钢筋混凝土梁有明显降低，这说明提高了梁的强度，增加了构件抵抗破坏的能力。4）在保证钢板与混凝土梁协同工作条件下，采用钢板加固梁钢筋混凝土结构是一种可靠有效的方法。