混凝土课程教学ABAQUS软件的运用

1ABAQUS应用于混凝土结构课程教学中的优势

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。被广泛用于土木工程专业领域的科学研究和工程设计。许多高等院校也争相开设ABAQUS有限元课程，一些学者也将ABAQUS有限元软件用于教学研究工作，得出了很多有益的成果［1-4］。将有限元ABAQUS软件用于《混凝土结构基本原理》课程的教学具有以下优势:

1)直观化教学，有利于学生对混凝土结构基本理论知识的理解。比如在讲授混凝土材料的抗压强度时，学生很难理解为什么混凝土抗压强度远低于砂浆和骨料任一单一材料的强度。其原因可从混凝土受压破坏的机理来分析。由于水泥、水、骨料组成的混凝土，在硬化过程中水泥和水形成的水泥石与骨料粘结在一起。凝结初期由于水泥石收缩、骨料下沉等原因，在水泥石和骨料之间的交界面上形成微裂缝。在外力作用下，微裂缝将有一个发展过程，混凝土的破坏过程就是裂缝不断产生、扩展和失稳的过程。这些过程无法直观观测到，只能通过超声波、X光、电子显微镜进行直接或间接观测。引入有限元软件后，这些问题就能得到解决。图1就是通过有限元软件数值模拟了混凝土材料内部微裂缝在荷载作用下扩展、贯通破坏的全过程，形象直观，有利于学生们对混凝土结构抗压强度概念的理解，也增强了学生的学习兴趣［5，6］，通过指导学生建立混凝土有限元模型和对模型进行数值模拟实验，能够提高学生的动手能力，学习掌握有限元基本概念和软件操作，为学生今后从事混凝土领域的科学研究工作打下基础。

2)部分替代混凝土构件承载力实验，具有一定的经济效益。《混凝土结构基本原理》课程中轴心受力构件承载力方程、受弯构件正截面承载力方程、受弯构件斜截面承载力方程等均是通过对钢筋混凝土构件的承载力实验破坏现象、特征规律和材料的破坏程度等进行一定的理论分析得到，因此《混凝土结构基本原理》课程的教学离不开钢筋混凝土构件的承载力实验。通过实验过程中钢筋混凝土构件的设计、制作和受力全过程的实验，对构件承载力、刚度和裂缝进行测定，并对破坏形态进行观测等工作，进一步加强了学生对钢筋混凝土构件受力性能、承载力计算理论、裂缝及变形性能的理解，初步掌握结构实验测量数据的整理和分析，提高了实验分析报告的撰写能力。根据笔者对多个大专院校《混凝土结构基本原理》课程教学的调查分析，鉴于实验条件和学时限制，大多数院校所开设的实验项目较少，仅开展了钢筋混凝土适筋梁正截面破坏的受力全过程实验、钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏的受力全过程实验和大偏心受压构件正截面破坏的受力全过程实验。对于钢筋混凝土少筋梁、超筋梁正截面破坏的受力全过程实验;钢筋混凝土梁斜截面斜压破坏、斜拉破坏的受力全过程实验以及小偏心受压构件正截面破坏的受力全过程实验并未开设。个别院校未开设任何混凝土构件承载力破坏实验，仅通过观看实验录像了解混凝土承载力破坏现象。由于缺乏混凝土构件承载力破坏实验，学生对混凝土构件的承载力基本原理与钢筋设计计算方法理解不透彻，教师在授课时也感觉底气不足。然而如果大面积开展混凝土构件承载力实验又是不现实的。首先经济投入大，成本高。混凝土构件承载力破坏实验需要有加载装置、测试仪器及制作构件等费用，需要几十万的经费投入，同时要有相关的场地及人工成本。另一方面，《混凝土结构基本原理》课程的学时有限，目前课程普遍为64学时，如果在混凝土结构实验方面投入太多学时，就会出现《混凝土结构基本原理》理论知识学时不够的难处。因此采用有限元软件对混凝土构件破坏发展过程进行数值模拟实验，并且可以重复性观看，使学生获得更多的混凝土知识，取得较好的经济效益。数值模拟实验研究，在某些方面可以取代或优于实验室实验研究［7，8］。

2ABAQUS有限元软件在《混凝土结构基本原理》课程教学中的应用案例

混凝土材料的强度尺寸效应是指混凝土强度随着结构体积的增大而降低的现象。该理论是《混凝土结构基本原理》课程教学中的难点，学生往往很难理解混凝土材料的强度尺寸效应现象。如果采用试验教学，经济投入高且占用学时。为此我们在《混凝土结构基本原理》课程中引入新的教学手段。借助于ABAQUS有限元软件，建立不同体积的混凝土立方体、棱柱体有限元仿真模型，开展了直接拉伸和压缩荷载作用下的混凝土强度尺寸效应的数值模拟。图2为边长150mm，250mm，350mm和450mm的立方体混凝土细观力学模型，开展立方体单轴拉伸数值实验，测得了不同体积混凝土试件模型的抗拉强度，如表1所示。

3结语

通过采用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土构件承载力破坏过程进行数值仿真实验，以形象的图形和动态画面展现了混凝土构件承载破坏的全过程，将艰涩难懂的理论知识生动化、形象化，促进了学生对《混凝土结构基本原理》课程知识的理解和掌握，提高了教学质量，改善了当前《混凝土结构基本原理》课程教学枯燥乏味的局面。（本文来自于《山西建筑》杂志。《山西建筑》杂志简介详见.）

作者：杜敏1，2赵彦1工作单位：1．防灾科技学院2．北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室