北鲲教程｜基于ABAQUS的CFRP加固钢筋混凝土柱承载能力分析

我国基础设施建设正逐步冲破东部地区的狭长地带，不断扩展至更加广阔的海洋与西部地区。混凝土结构作为 土木工程 中最常用的结构形式，在房屋建筑、桥梁、隧道、矿井、水利、海港等工程中的应用非常广泛。据统计，2020年我国高速铁路里程将达到3万km，水力发电将达到3.2×108kW，高速公路将达到7万km，核电装机容量将达到5800kW。混凝土材料与结构是这些重大基础设施的主体，图1中列出国内几项重大基础设施项目的混凝土总用量[1,2]。

图1 国内部分大型工程混凝土用量 （单位:m3）

但重点基础设施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、盐雾，加之高温（冰冻）、高湿环境；西部的干热、干冷，多风环境，尤其是海洋和西部盐渍土地区高浓度的氯离子与硫酸根离子的腐蚀作用（图2），对重大基础设施钢筋混凝土结构的可靠性和耐久性提出了严峻的挑战。这就对混凝土材料的性能提出更高的要求，同时也迫切需要找到一种新材料来延长混凝土材料和结构的长期耐久性。钢筋混凝土结构常暴露在各种环境下，会导致材料性能逐渐发生衰退。从图2中可以看到，混凝土桥墩的劣化现象已经非常严重，亟需对其进行加固改造或拆除重建。碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）的出现，为实现混凝土在恶劣环境下的长期耐久性提供一种新的思路。目前，CFRP对既有混凝土结构工程的修复加固已成为建设领域中的重要组成部分。

(a) 锈蚀严重的钢筋混凝土桥墩

(b) 潮汐变化的近海桥墩

图2 钢筋混凝土桥墩碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料（图3）。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、军工产品中得到广泛应用。--引自百度百科

图3 CFRP图“云计算”指通过 计算机网络  (多指因特网)形成的计算能力极强的系统，可存储、集合相关资源并可按需配置，向用户提供个性化服务。基于上述背景，本文基于北鲲云超算平台预置的ABAQUS软件对混凝土柱进行数值模拟，并通过外侧包裹CFRP来对原有混凝土柱进行增强加固处理，对比有无CFRP包裹对钢筋混凝土柱承载力的影响。

表1 计算工况