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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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)?；炷两Y(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(yīng)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(chǔ)設(shè)施的主體，圖1中列出國內(nèi)幾項重大基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)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(fēng)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(chǔ)設(shè)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(dǎo)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(fù)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(fù)加固已成為建設(shè)領(lǐng)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(fù)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(fù)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(yīng)用。--引自百度百科

圖3 CFRP圖“云計算”指通過計算機網(wǎng)絡(luò)(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(guān)資源并可按需配置，向用戶提供個性化服務(wù)?；谏鲜霰尘埃疚幕诒宾H云超算平臺預(yù)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(shè)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(shè)置

邊界條件設(shè)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(shè)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(shè)置

定義Hashin損傷參數(shù)

CFRP鋪層設(shè)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(dāng)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(lǐng)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(dān)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(dāng)，如：Yimumu+Abaqus2020。

在我們使用模板，或者使用別的應(yīng)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(dāng)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(lǐng)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(yīng)該復(fù)制鎖屏密碼，下載連接文件，點擊進入后 ，輸入復(fù)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(fù)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(shè)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(fù)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(dān)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(yīng)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(quán). 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學(xué)出版社，2021.[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用[M]. 科學(xué)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(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報.

審核編輯黃昊宇