ABAQUS在鋼板-混凝土復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1、ABAQUS在鋼板-混凝土復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 1 概述 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于其合理地利用了混凝土的抗壓性能和鋼筋的抗拉性能，具有良好的整體性和耐久性，對建筑業(yè)的發(fā)展有著巨大的推動作用，然而隨著建筑物規(guī)模的發(fā)展，很多情況下鋼筋混凝土已經(jīng)滿足不了結(jié)構(gòu)的需要，于是就有了復(fù)合材料以及預(yù)應(yīng)力混凝土的出現(xiàn)?，F(xiàn)在混凝土復(fù)合材料多種多樣，有玻璃鋼混凝土復(fù)合材料、鋼纖維混凝土復(fù)合材料、型鋼混凝土復(fù)合材料、鋼板混凝土復(fù)合材料等，這些復(fù)合材料的應(yīng)用使得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度明顯提高，明顯減小了結(jié)構(gòu)截面的尺寸和結(jié)構(gòu)的自重。鋼板混凝土結(jié)構(gòu)由于其簡單易行的特點而得到廣泛的應(yīng)用，而且外貼鋼板還可以用來補(bǔ)強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)由于某些原

2、因造成的質(zhì)量問題。鋼板與被加固件的連接有涂抹特殊結(jié)構(gòu)膠、植筋錨固焊接或“錨固焊接粘結(jié)”三重連接技術(shù)等，可以使二者很好地連接成一體，達(dá)到同步受力，消除應(yīng)力滯后的效果。下面就鋼板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過不同工況對比，顯示鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。2 ABAQUS軟件的有限元分析 ABAQUS是美國著名HKS公司開發(fā)的大型通用商業(yè)有限元軟件，被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何

3、形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量的結(jié)構(gòu)（應(yīng)力位移）問題外，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。 文中對如圖1所示的T型鋼筋混凝土梁進(jìn)行了數(shù)值模擬。T型鋼筋混凝土梁的參數(shù)如下：T型梁的跨度為10.0m，混凝土為C20級（fc =10.0N/mm2），采用級鋼筋（fy =360N/MM2），梁承受的荷載為8.125kN/m

4、，如圖2所示，陰影部分表示為外貼鋼板，鋼板厚度為20mm，混凝土彈性模量為2.55*1010 N/m2，鋼的彈性模量為2.1*1011 N/m2。2.1 鋼筋混凝土梁的計算 對于鋼筋混凝土，ABAQUS中混凝土的加筋可以分兩種情況施加：1）采用rebar進(jìn)行加筋，但是在后處理中看不到鋼筋的受力情況；2）采用桿單元，用embedded命令嵌入到混凝土單元中，這樣便可在后處理中看到鋼筋的受力情況。 文中采用的是第二種方法，混凝土采用C3D8R六面體單元模擬，鋼筋采用T3D2桿單元模擬。通過計算得出鋼筋混凝土梁最大撓度=0.68mm，跨中混凝土的最大拉應(yīng)力為1.0MPa，對于混凝土材料來說，抗拉應(yīng)力

5、為抗壓應(yīng)力的1/10，此時拉應(yīng)力已經(jīng)發(fā)揮到混凝土的極限，混凝土已開始開裂，出現(xiàn)裂縫?；炷磷畲髩簯?yīng)力為0.26MPa，遠(yuǎn)小于fc =10MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為6.6MPa鋼筋和混凝土滿足要求。如圖3所示為ABAQUS計算的混凝土第一主應(yīng)力云圖，通過云圖可以看出在跨中梁下方混凝土承受較大的拉應(yīng)力，而梁上方承受壓應(yīng)力較小。2.2 鋼板混凝土復(fù)合梁的計算 對于鋼板混凝土梁的計算，文中假定鋼板與混凝土沒有滑移，完整連接，通過計算得出鋼筋混凝土梁最大撓度=0.52mm，跨中混凝土的最大拉應(yīng)力為0.55MPa，對于混凝土材料來說，抗拉應(yīng)力為抗壓應(yīng)力的1/10，拉應(yīng)力未到混凝土的極限，混凝土沒有開裂。最大

6、壓應(yīng)力為0.29MPa，小于fc =10MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為4.1MPa，鋼板最大拉應(yīng)力為5.1MPa，鋼筋和混凝土滿足要求。如圖4所示為 ABAQUS計算的混凝土第一主應(yīng)力云圖，通過云圖可以看出在跨中梁下方混凝土所受拉應(yīng)力較圖3明顯減少，梁上方承受的壓應(yīng)力有所增大，鋼板對梁有著補(bǔ)強(qiáng)作用，在相同荷載作用下，可以避免混凝土的開裂，減少撓度。2.3 兩種梁的計算結(jié)果比較 如表1所示為相同荷載作用下兩種梁計算結(jié)果的對比，通過二者對比可以看出鋼板混凝土梁的撓度有所減少，可顯著提高混凝土梁的承載力。沒有鋼板的混凝土梁會開裂，加了鋼板的混凝土梁，混凝土的拉應(yīng)力明顯減小，可有效避免混凝土開裂。3 結(jié)語 1）對于鋼筋混凝土或鋼板鋼筋混凝土等多種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析，理論計算較為復(fù)雜，而采用ABAQUS進(jìn)行有限單元法進(jìn)行計算是一種比較簡單有效的方法。2）通過有限元計算結(jié)果對比表明，采用鋼板加固鋼筋混凝土梁可以減小梁的撓度和改善混凝土的受力狀態(tài)，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。3）采用