隨著我國經(jīng)濟實力快速發(fā)展與國家競爭力迅速提高，尤其是“一帶一路”倡議與“海洋開發(fā)戰(zhàn)略”實施，我國基礎設施建設正逐步?jīng)_破東部地區(qū)的狹長地帶，不斷擴展至更加廣闊的海洋與西部地區(qū)。混凝土結(jié)構(gòu)作為土木工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式，在房屋建筑、橋梁、隧道、礦井、水利、海港等工程中的應用非常廣泛。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國高速鐵路里程將達到3萬km，水力發(fā)電將達到3.2×108kW，高速公路將達到7萬km，核電裝機容量將達到5800kW。混凝土材料與結(jié)構(gòu)是這些重大基礎設施的主體，圖1中列出國內(nèi)幾項重大基礎設施項目的混凝土總用量[1,2]。

圖1 國內(nèi)部分大型工程混凝土用量 （單位:m3）

但重點基礎設施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、鹽霧，加之高溫（冰凍）、高濕環(huán)境；西部的干熱、干冷，多風環(huán)境，尤其是海洋和西部鹽漬土地區(qū)高濃度的氯離子與硫酸根離子的腐蝕作用（圖2），對重大基礎設施鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。這就對混凝土材料的性能提出更高的要求，同時也迫切需要找到一種新材料來延長混凝土材料和結(jié)構(gòu)的長期耐久性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常暴露在各種環(huán)境下，會導致材料性能逐漸發(fā)生衰退。從圖2中可以看到，混凝土橋墩的劣化現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴重，亟需對其進行加固改造或拆除重建。碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）的出現(xiàn)，為實現(xiàn)混凝土在惡劣環(huán)境下的長期耐久性提供一種新的思路。目前，CFRP對既有混凝土結(jié)構(gòu)工程的修復加固已成為建設領域中的重要組成部分。

(a) 銹蝕嚴重的鋼筋混凝土橋墩

(b) 潮汐變化的近海橋墩

圖2 鋼筋混凝土橋墩碳纖維增強復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復合材料（圖3）。在眾多輕量化材料中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果十分明顯，在航空航天、軍工產(chǎn)品中得到廣泛應用。--引自百度百科

圖3 CFRP圖“云計算”指通過計算機網(wǎng)絡(多指因特網(wǎng))形成的計算能力極強的系統(tǒng)，可存儲、集合相關資源并可按需配置，向用戶提供個性化服務。基于上述背景，本文基于北鯤云超算平臺預置的ABAQUS軟件對混凝土柱進行數(shù)值模擬，并通過外側(cè)包裹CFRP來對原有混凝土柱進行增強加固處理，對比有無CFRP包裹對鋼筋混凝土柱承載力的影響。

表1 計算工況

模型概述：

柱長：H=1500mm

橫截面：D=300mm混凝土C50

鋼筋采用理想彈塑性模型、

保護層厚度假設50mm，箍筋間距200mm、加載板采用R3D4剛體單元，共計350個單元。

2.1 工況1

工況一計算模型示例

場變量輸出設置

邊界條件設置底部全約束，頂部采用位移加載的形式，向下-15mm

邊界條件設置

材料參數(shù)，并行計算核心數(shù)目

工況一計算結(jié)果

工況一：荷載-位移曲線

2.2 工況2

工況二算例模型組成

鋼筋材料參數(shù)

工況二計算結(jié)果

工況二 荷載-位移曲線

可以看到，在豎向荷載作用下，鋼筋混凝土柱中部受損最為嚴重，有向外“鼓脹”的趨勢，由于受到鋼筋籠的約束作用，混凝土并未出現(xiàn)如工況1結(jié)果中的豎向受拉破壞區(qū)域，這與實際試驗破壞模式是類似的。

2.3 工況3

采用Lamina定義CFRP材料參數(shù)

CFRP材料參數(shù)設置

定義Hashin損傷參數(shù)

CFRP鋪層設置

CFRP材料方向

定義場變量輸出

計算效率很低，200個增量步后終止計算

工況三計算結(jié)果截圖

工況三 荷載-位移曲線

三種計算工況對比

可以看出，三種計算工況的荷載-位移曲線的分布趨勢大致相同，但承載能力的大小確有明顯不同。與工況1素混凝土情況相比，考慮鋼筋后的工況2，其承載力增大了7.81%。

計算機配置：

Windows系統(tǒng)版本 windows 10專業(yè)版版本號 20H2系統(tǒng)類型 64位操作系統(tǒng)處理器 Intel(R) Core(TM) i7-10700F CPU @ 2.90GHz 2.90 GHz機帶RAM 32GB計算耗時統(tǒng)計

使用云計算平臺可不占用自身電腦內(nèi)存，相當于遠程使用工作站，為了突顯云計算的優(yōu)勢，本節(jié)將帶著大家在北鯤云平臺上進行有限元分析。點擊官網(wǎng)后，進行新用戶注冊，

可領取100元體驗金

，然后可進入“控制臺”，看到體驗金用量。為了節(jié)省計算時間，可在自己筆記本中建立好模型，將生成的文件(.cae)傳輸至北鯤云計算后臺，計算過程如下圖所示。

該文件上傳完畢后，就已經(jīng)存儲于北鯤云后臺，可以隨時備用，不用擔心數(shù)據(jù)的丟失問題，北鯤云給予普通用戶200G的云內(nèi)存，可放心使用。接下來就是使用北鯤云了，用戶可以自制Abaqus模板，一旦制作完成，以后每次使用就可以“即點即用”，模板的制作就不在這里演示了，可以發(fā)送：“自己的北鯤云用戶名+北鯤云模板”至公眾號：易木木響叮當，如：Yimumu+Abaqus2020。

在我們使用模板，或者使用別的應用遇到問題時，可以點擊右下角幫助中心，熱心客服會為你在線解答(已經(jīng)試過，真的很熱心)。大多數(shù)新用戶可能比較在意的是費用標準，上圖所示的是我經(jīng)常使用的價位，對于一般的模型可以嘗試使用特惠版的CPU類型，性價比較高，對于自由度規(guī)模較大的模型，可適當增加CPU的核心數(shù)，同時價位也會隨之上升。對于剛注冊的用戶可以領取到100元體驗金，按照上圖所示的費用標準，可以試想能運行多久。

選計費標準后，就來到了圖形界面連接頁面了，先應該復制鎖屏密碼，下載連接文件，點擊進入后 ，輸入復制的密碼，這時就已經(jīng)進入到了云計算的世界里面

了。傳輸?shù)奈募霈F(xiàn)在H盤中，為文件的讀入速度，可將文件復制到C盤中進行。

來到“圖形界面”內(nèi)部，看著是不是很像個人筆記本的頁面，實際上可以把他看作是你在遠程操作一臺“可控性能”的計算機。

提升計算速度小貼士：在Abaqus的計算過程中，默認設置是兩個進程，如下圖所示，用戶可以增加進程數(shù)來提高計算速度，進程數(shù)最多可達個人筆記本的CPU總核數(shù)。

運行模板中的Abaqus進行求解，結(jié)算結(jié)果如圖所示，將計算的結(jié)果文件.odb文件傳復制到H盤中，即可在文件傳輸界面中看到計算結(jié)果文件，下載后用于后處理，退出模板，釋放節(jié)點，釋放節(jié)點后，云計算會將所有計算文件清除。

主要對比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對承載力的影響。分別開展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側(cè)包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明：?CFRP包裹鋼筋混凝土柱對承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進行加固時，原有混凝土結(jié)構(gòu)承擔的部分荷載通過粘結(jié)膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結(jié)構(gòu)的部分應力水平，從而起到增強加固的效果。?利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構(gòu)和Hashin損傷本構(gòu)可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對梁、柱、板承載力的計算。參考文獻：[1] 金祖權. 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學出版社，2021.[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用[M]. 科學出版社，2021.[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012). https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6[4] 硫酸鹽環(huán)境中CFRP 約束劣化混凝土柱的力學性能[J]. 復合材料學報.

審核編輯黃昊宇