UHPC加固混凝土XFEM三点弯模拟

1、 引言

超高性能混凝土（UHPC）以其优异的力学性能和耐久性，在混凝土结构加固领域展现出巨大潜力。三点弯试验是评估加固结构抗弯性能的重要手段。扩展有限元法（XFEM）能有效模拟裂缝的萌生与扩展，无需对网格进行复杂的重划分。Abaqus 软件作为强大的有限元分析工具，为我们模拟 UHPC 加固混凝土三点弯试验提供了理想平台。本模拟旨在深入探究 UHPC 加固混凝土梁在三点弯加载下的力学响应和裂缝扩展规律。

2、 模型建立

（1） 几何模型

根据实际试验情况，建立混凝土梁和 UHPC 加固层的几何模型。混凝土梁尺寸为长度 1000 mm、宽度120 mm、高度 200 mm，UHPC 加固层厚度为 10 mm，裂纹长度为80mm。在 Abaqus 的 Part 模块中分别创建梁和加固层的三维实体部件。（先构建草图再建立模型可以节约装配时间）

图1混凝土尺寸参数

来源：胡少伟,鲁文妍.基于XFEM的混凝土三点弯曲梁开裂数值模拟研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(04):48-51.

图1 模型尺寸图

（2） 材料属性定义

混凝土：采用混凝土MAXPS损伤，具体参数如图1所示。

UHPC：同样采用MAXPS损伤，其弹性模量较高，设为 42.5 GPa，泊松比为 [0.2]。抗拉强度设为8.1MPA，断裂能设为781 N/M。

（3） 装配

将裂纹、垫块、混凝土梁和 UHPC 加固层在 Assembly 模块中进行装配，确保它们的位置和相对关系与实际情况一致。

图2 模型装配图

4、 模拟结果分析

通过 Abaqus 软件模拟 UHPC 加固混凝土三点弯试验，利用 XFEM 技术成功模拟了裂缝的扩展过程。模拟结果与实际试验结果的对比验证了模型的有效性。研究表明，UHPC 加固层能够显著提高混凝土梁的抗弯性能，抑制裂缝的扩展，改变梁的应力分布和破坏模式。本模拟为 UHPC 加固技术在实际工程中的应用提供了理论依据和技术支持，有助于进一步优化加固设计和提高结构的安全性和耐久性。

混凝土先断裂

随着荷载的增大UHPC开始出现应力集中，随后跟着混凝土一起裂开

等UHPC完全裂开后，最后混凝土完全开裂