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1ABAQUS應用于混凝土結構課程教學中的優勢

abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。被廣泛用于土木工程專業領域的科學研究和工程設計。許多高等院校也爭相開設ABAQUS有限元課程，一些學者也將ABAQUS有限元軟件用于教學研究工作，得出了很多有益的成果［1-4］。將有限元ABAQUS軟件用于《混凝土結構基本原理》課程的教學具有以下優勢:

1)直觀化教學，有利于學生對混凝土結構基本理論知識的理解。比如在講授混凝土材料的抗壓強度時，學生很難理解為什么混凝土抗壓強度遠低于砂漿和骨料任一單一材料的強度。其原因可從混凝土受壓破壞的機理來分析。由于水泥、水、骨料組成的混凝土，在硬化過程中水泥和水形成的水泥石與骨料粘結在一起。凝結初期由于水泥石收縮、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料之間的交界面上形成微裂縫。在外力作用下，微裂縫將有一個發展過程，混凝土的破壞過程就是裂縫不斷產生、擴展和失穩的過程。這些過程無法直觀觀測到，只能通過超聲波、X光、電子顯微鏡進行直接或間接觀測。引入有限元軟件后，這些問題就能得到解決。圖1就是通過有限元軟件數值模擬了混凝土材料內部微裂縫在荷載作用下擴展、貫通破壞的全過程，形象直觀，有利于學生們對混凝土結構抗壓強度概念的理解，也增強了學生的學習興趣［5，6］，通過指導學生建立混凝土有限元模型和對模型進行數值模擬實驗，能夠提高學生的動手能力，學習掌握有限元基本概念和軟件操作，為學生今后從事混凝土領域的科學研究工作打下基礎。

2)部分替代混凝土構件承載力實驗，具有一定的經濟效益。《混凝土結構基本原理》課程中軸心受力構件承載力方程、受彎構件正截面承載力方程、受彎構件斜截面承載力方程等均是通過對鋼筋混凝土構件的承載力實驗破壞現象、特征規律和材料的破壞程度等進行一定的理論分析得到，因此《混凝土結構基本原理》課程的教學離不開鋼筋混凝土構件的承載力實驗。通過實驗過程中鋼筋混凝土構件的設計、制作和受力全過程的實驗，對構件承載力、剛度和裂縫進行測定，并對破壞形態進行觀測等工作，進一步加強了學生對鋼筋混凝土構件受力性能、承載力計算理論、裂縫及變形性能的理解，初步掌握結構實驗測量數據的整理和分析，提高了實驗分析報告的撰寫能力。根據筆者對多個大專院校《混凝土結構基本原理》課程教學的調查分析，鑒于實驗條件和學時限制，大多數院校所開設的實驗項目較少，僅開展了鋼筋混凝土適筋梁正截面破壞的受力全過程實驗、鋼筋混凝土梁斜截面剪壓破壞的受力全過程實驗和大偏心受壓構件正截面破壞的受力全過程實驗。對于鋼筋混凝土少筋梁、超筋梁正截面破壞的受力全過程實驗;鋼筋混凝土梁斜截面斜壓破壞、斜拉破壞的受力全過程實驗以及小偏心受壓構件正截面破壞的受力全過程實驗并未開設。個別院校未開設任何混凝土構件承載力破壞實驗，僅通過觀看實驗錄像了解混凝土承載力破壞現象。由于缺乏混凝土構件承載力破壞實驗，學生對混凝土構件的承載力基本原理與鋼筋設計計算方法理解不透徹，教師在授課時也感覺底氣不足。然而如果大面積開展混凝土構件承載力實驗又是不現實的。首先經濟投入大，成本高。混凝土構件承載力破壞實驗需要有加載裝置、測試儀器及制作構件等費用，需要幾十萬的經費投入，同時要有相關的場地及人工成本。另一方面，《混凝土結構基本原理》課程的學時有限，目前課程普遍為64學時，如果在混凝土結構實驗方面投入太多學時，就會出現《混凝土結構基本原理》理論知識學時不夠的難處。因此采用有限元軟件對混凝土構件破壞發展過程進行數值模擬實驗，并且可以重復性觀看，使學生獲得更多的混凝土知識，取得較好的經濟效益。數值模擬實驗研究，在某些方面可以取代或優于實驗室實驗研究［7，8］。

2ABAQUS有限元軟件在《混凝土結構基本原理》課程教學中的應用案例

混凝土材料的強度尺寸效應是指混凝土強度隨著結構體積的增大而降低的現象。該理論是《混凝土結構基本原理》課程教學中的難點，學生往往很難理解混凝土材料的強度尺寸效應現象。如果采用試驗教學，經濟投入高且占用學時。為此我們在《混凝土結構基本原理》課程中引入新的教學手段。借助于ABAQUS有限元軟件，建立不同體積的混凝土立方體、棱柱體有限元仿真模型，開展了直接拉伸和壓縮荷載作用下的混凝土強度尺寸效應的數值模擬。圖2為邊長150mm，250mm，350mm和450mm的立方體混凝土細觀力學模型，開展立方體單軸拉伸數值實驗，測得了不同體積混凝土試件模型的抗拉強度，如表1所示。

3結語

通過采用ABAQUS有限元軟件對鋼筋混凝土構件承載力破壞過程進行數值仿真實驗，以形象的圖形和動態畫面展現了混凝土構件承載破壞的全過程，將艱澀難懂的理論知識生動化、形象化，促進了學生對《混凝土結構基本原理》課程知識的理解和掌握，提高了教學質量，改善了當前《混凝土結構基本原理》課程教學枯燥乏味的局面。（本文來自于《山西建筑》雜志。《山西建筑》雜志簡介詳見.）

作者：杜敏1，2趙彥1工作單位：1．防災科技學院2．北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室