基于ABAQUS分析結合面粗糙度對UHPC鉸縫接觸面損傷的影響

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(浙江工業大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310023)

裝配式預應力砼簡支空心板橋因其設計標準化、生產集成化、施工裝配化、工程造價低、建筑高度小、整體美觀和結構受力明確等優點,已成為中小跨徑橋梁建設中的首選,但空心板間鉸縫病害問題一直是遏制其被更加廣泛推廣的關鍵因素。2009年,美國各州的橋梁調查報告中顯示,沿鉸縫混凝土縱向開裂或者沿鉸縫與主梁結合面開裂的橋梁數量約占病害空心板橋梁的75%,其中大約38%橋梁病害是鉸縫處開裂[1]。而鉸縫填充材料料自身的力學性能、填料與混凝土主梁的結合能力較差是引起鉸縫損傷的主要誘因。2008年,美國聯邦公路局已經提出UHPC鉸縫的設計,利用UHPC代替傳統的灌漿料,這種超高性能混凝土有著很高的機械咬合性能和黏結強度。正應力和剪應力強度得到增強的UHPC鉸縫填料減少了鉸縫潛在的受壓破壞,而高黏結強度減少了鉸縫和主梁結合面的潛在破壞。

UHPC的實質仍然是一種水泥基復合材料,源于DSP,MDF和鋼纖維混凝土的活性粉末混凝土RPC,在此基礎上于1993年Larrard等提出超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)的概念[2]。UHPC的超高性能主要是超高的力學性能和超高的耐久性,超高的力學性能是較普通混凝土優越的抗拉性能、抗壓性能和抗折性能;超高的耐久性使復合材料的徐變能力較普通混凝土高[3],氯離子擴散系數僅是普通混凝土的1%,電阻率是普通混凝土的12倍;上述高黏結強度則是來自于UHPC和空心板的高黏結力和較大的摩擦力。由于以上優越的材料性能,UHPC被應用于橋梁工程領域,在瑞士UHPC被應用于橋梁附屬結構的建造及橋梁加固領域;德國的Gartnerplatz橋和馬來西亞的單跨簡支梁Batu6橋均采用UHPC建造[4];2017年,Hussein等在研究中指出空心板鉸縫開裂問題的不斷出現,主要是由于傳統的鉸縫灌漿料和空心板黏結強度不足造成的,由于這些問題的不斷出現,近年來在歐美國家很多專家學者進行了UHPC應用于空心板鉸縫填料的相關研究[5],但UHPC在作為鉸縫灌漿料時鉸縫結合面粗糙度對鉸縫接觸面損傷特征的影響卻鮮有研究,為此筆者將基于ABAQUS有限元軟件對UHPC鉸縫接觸面損傷與空心板結合面粗糙度的響應規律進行了分析研究。

1 建立有限元模型

1.1 結構概況

依據2008年交通行業公路橋梁通用圖中10 m跨徑,橋面凈寬10.25 m,斜交角為0°的裝配式預應力砼簡支空心板橋為工程背景并進行結構簡化。由于行車軌跡太規則是造成單板受力的重要原因,根據張繼新[6]在分析鉸縫應力狀態的過程中為方便進行有限元計算分析,選取2塊邊板、1塊中板和2條鉸縫建立三維實體幾何模型,運用ABAQUS6.14進行有限元模擬計算,分析不同粗糙度下鉸縫接觸面的損傷特征,而鉸縫和空心板結合面根據粗糙程度可劃分為3種不同的類型:結合面光滑S(即2003年ASTM指定的混凝土接觸面屬性[7])、結合面中度粗糙M(即通過噴砂抹面形成的結合面[8])和結合面處于粗糙狀態R(即Russell和Graybeal所推薦的裸露粗骨料的UHPC接觸面[9-10])。有限元中將通過改變結合面接觸屬性精確模擬鉸縫和空心板結合面粗糙度,進而計算分析UHPC鉸縫接觸損傷對結合面粗糙度的響應規律。

1.2 計算模型相關屬性

1.2.1 材料參數

鉸縫采用UHPC,鑒于分析和研究空心板和橋面鋪裝均采用高強混凝土;根據Hussein等研究定義有限元模型中的混凝土材料屬性[5],如表1所示。

表1 有限元模型中混凝土材料屬性Table 1 UHPC and HSC properties used in FE modeling

1.2.2 混凝土損傷模型

ABAQUS軟件中有兩種混凝土本構模型,即混凝土彌散裂縫(CSC)和混凝土損傷塑性(CDP)模型。Chen等認為對于超高性能混凝土UHPC而言,CDP較CSC在非線性分析階段更容易收斂,分析結果與試驗相符[11-12],以下研究中混凝土損傷模型均采用CDP模型。UHPC的拉伸行為和受壓行為具體參數見圖1中的UHPC應力—應變曲線[13],有限元CDP模型詳細參數取用表1所列。

圖1 有限元模型中UHPC單軸應力—應變曲線Fig.1 Uniaxial stress-strain response of UHPC used in FE model

1.2.3 結合面接觸屬性

韓菊紅等[14]通過4組87個新老混凝土黏結構件的斷裂試驗,發現構件的破壞均出現在混凝土和鉸縫的結合面處,結果表明鉸縫的抗剪強度實際是由鉸縫和空心板結合面的抗剪強度決定的,而結合面的粗糙程度和黏結強度是影響抗剪強度的主導因素。研究過程中鉸縫和空心板結合面相互作用的黏結行為應當采用ABAQUS中的Traction-separation模型,該黏結滑移模型與接觸面黏結滑移的雙折線模型極其類似,其黏結滑移過程如圖2所示[15],基于以上分析并結合鉸縫的工作機理,在建模過程中采用Surface-based cohesive behavior接觸類型模擬鉸縫和主梁的接觸和黏結失效行為,其中接觸面的相對滑動選擇Small sliding的表面和表面的接觸。

圖2 包含失效準則的黏結滑移雙折線模型Fig.2 Bond-slip model of traction-separation response

對于有黏聚力的接觸表面選擇二次應力破壞準則,只有當接觸面應力比的二次方之和等于1時接觸面才開始出現損傷。模型中鉸縫和空心板間結合面接觸屬性的黏結行為具體參數如表2所示[5]。二次應力破壞準則表達式為

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表2 鉸縫結合面接觸屬性Table 2 Mechanical properties of bonding interface

1.2.4 等效荷載及邊界條件

為使有限元模型在計算過程中容易收斂,將外荷載轉化為具有一定截面尺寸和一定質量密度的等效實體自重,加載位置平面示意圖如圖3所示[16],根據公路橋涵設計通用規范[17]車輛荷載的技術指標擬定等效實體的縱向間距為1.4 m,橫向間距為1.8 m,實體截面尺寸為0.60 m×0.20 m×0.20 m,邊界條件為空心板板端在三維模型中采用簡支約束。

圖3 等效荷載作用位置示意圖Fig.3 Diagram of location for equivalent load

1.2.5 單元類型、網格屬性

模型中空心板、鉸縫、支座、橋面鋪裝層及等效質量塊均采用三維實體單元,單元類型采用適應于ABAQUS/Standard分析的八結點線性六面體單元(C3D8I),為保證網格質量邊板翼緣底部有少量楔形單元(C3D6)。整體模型有C3D8I單元37 930個,C3D6單元2 048個,具體網格劃分情況如圖4所示。

圖4 三梁空心板橋有限元模型網格劃分Fig.4 FE mesh of the full model of three adjacent box beams

2 分析結果

2.1 鉸縫接觸損傷特征分析

在進行鉸縫接觸損傷分析時,采集鉸縫與空心板結合面的接觸面應力。接觸面應力主要包含橫向正應力、縱向剪應力和豎向剪應力。對于鉸縫結構的各向應力狀態而言,荷載橫向最不利位置為一側輪載作用在鉸縫,而另一側輪載位于該鉸縫相鄰板梁位置,縱向最不利位置為輪載作用于跨中[16];鉸縫結合面在3種不同粗糙度狀態下鉸縫結構損傷發生時其受力性能的響應規律,其研究過程中對應區域應力采集圖式如圖5所示,定義鉸縫底緣為y=0 mm,上部350～480 mm為結合面A,中部80～350 mm為結合面B,下部0～80 mm為結合面C。針對1.2.4的加載工況,3種結合面粗糙度狀態分別當結構加載至1 025.10,1 051.85,1 080.61 kN時,此時接觸面開始損傷,定義該狀態為DI狀態(Damage initiation),表3為該狀態不同結合面粗糙度的接觸損傷特征。根據損傷起始位置，接觸面應力選取1,2號鉸縫實體1,2荷位對應的單元為研究對象,其應力采集圖式見圖5。

圖5 鉸縫結合面應力采集圖式Fig.5 Stress collection scheme of hinge joint bonding surface

2.2 鉸縫接觸損傷應力狀態分析

2.2.1 不同粗糙度下鉸縫1接觸面損傷規律

根據表3結合圖6(a),結合面光滑狀態時當結構加載至1 025.10 kN時,鉸縫1的結合面C發生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力2.58 MPa,而其余兩種粗糙狀態下橫向正應力均已超出2.58 MPa,但鉸縫尚未發生結合面損傷,且3種粗糙度下結合面A和B的接觸橫向正應力曲線趨于重合。接觸面B處于拉壓交互狀態,整個接觸面A處于受拉狀態，結合圖6(b,c),由于鉸縫1上外荷載未直接加載,接觸面橫向剪應力和豎向剪應力受結合面粗糙度的影響程度較弱。

表3不同粗糙度狀態下的接觸損傷特征

Table3Characteristicsofcontactdamageindifferentroughnessstates

接觸面損傷變量接觸屬性光滑中度粗糙粗糙極限荷載/kN1 025.101 051.851 080.61應力比二次和1.0051.0241.021損傷起始位置鉸縫1接觸面C鉸縫2接觸面C鉸縫2接觸面C最大拉應力/MPa2.584.805.42

圖6 鉸縫1在DI狀態下應力隨接觸面粗糙度變化曲線Fig.6 The stress change curve of hinge joint No.1 with different bonding surface roughness

2.2.2 不同粗糙度下鉸縫2接觸面損傷規律

根據表3結合圖7(a),結合面中度粗糙狀態時當結構加載至1 051.85 kN時,鉸縫2的接觸面C發生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力4.80 MPa,較光滑狀態增大11.63%;而結合面粗糙狀態時當加載至1 080.61 kN時,鉸縫2的接觸面C發生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力5.42 MPa,較光滑狀態增大14.58%。上述兩種粗糙度狀態下接觸面損傷發生時,接觸面B處于拉壓交互狀態,而整個接觸面A均處于受壓狀態。

圖7 鉸縫2在DI狀態下應力隨接觸面粗糙度變化曲線Fig.7 The stress change curve of hinge joint No.2 with different bonding surface roughness

結合表3綜合分析圖6,7可以得出如下結論:1) 結合面光滑狀態時僅自重作用下鉸縫1接觸面較負載鉸縫2接觸面先發生損傷,其他兩種狀態則相反;2) 結合面粗糙度變化對接觸面C的橫向正應力影響最大,雖然接觸面C處于拉剪應力狀態,但橫向正應力超限是引起UHPC鉸縫接觸面發生損傷的最主要因素,與張繼新分析的普通混凝土鉸縫橫向正應力研究結論一致[6];3) 不論結合面處于何種粗糙狀態均是C接觸面拉應力先達到極限狀態接觸面開始損傷,接觸面A和接觸面B的橫向拉應力受結合面粗糙度影響程度較弱;4) 接觸面損傷開始時結合面粗糙度對鉸縫接觸面A和接觸面C的縱向正應力影響微乎其微,而接觸面B中部由于外荷載的增加而導致其縱向正應力增大,但縱向正應力均在材料的容許應力范圍之內。

3 結 論

根據以上分析鉸縫和空心板結合面粗糙度對鉸縫損傷的影響規律,可知如果把UHPC作為鉸縫填充材料或縱橫接縫使用時,可以將UHPC鉸縫或縱橫接縫下部接觸面作粗糙結合面,而上部及中部接觸面設計為中度粗糙結合面。雖說現階段用UHPC作鉸縫填料還是比較奢侈,而且還需要一系列的試驗研究,但UHPC材料是工程師的新寵,一定會有很大的應用前景,同時通過分析研究也佐證了現用空心板鉸縫接觸面鑿毛的重要性。