新老混凝土粘结试件的受力数值模拟及分析

谢占宇 ,胥新伟

(1.包头铁道职业技术学院,内蒙古 包头 014060；2.河北工业大学 土木工程学院,天津 300401)

新老混凝土粘结试件的受力数值模拟及分析

谢占宇1,胥新伟2

(1.包头铁道职业技术学院,内蒙古 包头 014060；2.河北工业大学 土木工程学院,天津 300401)

基于有限元数值模拟综合对比分析了劈拉极限状态下整体混凝土试块、传统的新老混凝土试块和采用钢筋机械连接的新老混凝土试块的粘结性能，结果表明：在相同条件下，采用钢筋机械连接新老混凝土粘结时，其劈拉强度比传统的不加连接件的新老混凝土粘结试块提高了约20%，而且采用钢筋机械连接件具有显著地抑制劈裂面的裂缝扩展，混凝土中不同位置的劈拉应力的增长与该处到钢筋轴心的距离基本呈线性关系.

粘结性能；新老混凝土粘结；钢筋；有限元

0 引言

当前，因功能和环境等因素的改变，使得工程实践中需要对大量的混凝土结构进行修补，而影响混凝土结构修补质量的关键因素就是新老混凝土的粘结性能[1].国内外研究人员和工程界对影响粘结性能的因素做了一系列的研究，并总体上将影响新老混凝土的粘结性能的因素归纳为[2- 4]：①粘结结合面处理方式和粗糙程度；②界面剂特点；③修补材料；④老混凝土基层质量.实践证明，传统的界面粘结方式在实际工程中效果不佳，因此一些研究人员基于试验提出采用钢筋机械连接件来用于新老混凝土的粘结，通过在老混凝土上钻孔然后植入钢筋，采用水泥浆或植筋胶等进行粘结，利用钢筋连接件与老混凝土层的粘结力来抵抗界面的剪力.本文采用大型ANSYS软件数值模拟分析整体混凝土试件、传统地界面粘结新老混凝土试件和钢筋机械连接件新老混凝土在劈拉极限状态下各自的粘结性能及机理.

1 钢筋连接新老混凝土的有限元分析

1.1 混凝土有限元分析模型

新老混凝土单元采用ANSYS软件中Solid65单元模式，单元本构关系依照《混凝土结构设计规范》构建[5]，本构关系中，设置：

当x≤1时有，

当x>1时有，

新混凝土按C40考虑，波松比为0.17，弹性模量为3.25×104MPa.老混凝土按C35考虑，其波松比为0.167，弹性模量为3.10×104MPa.其它参数如表1所示.

表1 新混凝土本构模型参数表

1.2 钢筋本构模型

钢筋采用Beam188单元和理想弹塑性模型，其直径为20mm，其抗拉强度标准值为550MPa，弹性模量Es为1.9×105MPa，波松比为0.3.

1.3 垫块模型

为模拟分析劈拉试验加载过程，在加载支座处定义宽度为2mm的弹性垫块，其取弹性模量Es为3.0×104MPa，波松比0.167.

2 数值模拟分析

2.1 劈拉受力时整体混凝土试块有限元分析

整体混凝土试件尺寸为150mm×150mm×150mm，有限元网格划分采用变尺寸节点协调方法，在y、z方向上单元尺寸为7.5mm.x方向上，混凝土单元节点在加载处与垫块单元节点相对应.弹性垫块大小为150mm×2mm×1mm.整体混凝土试块模型如图1所示.下层垫块节点三个方面均约束.上层垫块约束x方向自由度.模拟施加荷载为830N/mm.

图1 整体混凝土及垫块模型

分析劈拉面的受力情况，如图2所示.在该劈拉面上，由于混凝土的开裂，造成靠近支座与施加荷载的地方受力变化复杂.特别是在支座开裂处的截面x向应力由受拉变为受压.

图2 劈拉面的x向应力图(Ⅰ)

有限元数值模拟结果表明，整体混凝土试件的极限承载力72.2kN.根据混凝土强度等级计算的理论值为78.8kN，而根据图2中x向应力平均值即劈拉强度为2.2MPa，理论值为2.5MPa，可见计算结果与理论值比较吻合.

2.2 劈拉受力时新老混凝土粘结有限元分析

图3所示为新老混凝土粘结模型.其中左右分别为新老混凝土，尺寸为150mm×150mm×75mm.考虑到二者之间粘结实质为双材料粘结问题，已有研究结果表明[6]：随着新老混凝土弹性模量比值差异的增大，新老混凝土粘结面上的剪切应力也会随之逐渐增大.规范规定原有混凝土修补时应采用和老混凝土同等级的混凝土级配，以避免粘结面剪应力畸变的发生.本模型采用的弹性模量比为1∶1.05,满足要求.

图3 新老混凝土分析模型

与整体混凝土试块一样，取新老混凝土中间结合面分析，在极限载荷作用下中间结合面上的x向应力图如图4所示.

图4 劈拉面的x向应力图(Ⅱ)

综合分析表明，新老混凝土试块的极限承载力52.5kN.根据混凝土强度等级计算的理论值为65.5kN，而根据图4中x向应力平均值即劈拉强度为1.45MPa，理论值为1.8MPa.很明显，与整体混凝土试块相比，新老混凝土试块的极限承载能力和劈拉强度分别下降了27.3%和34.1%.

3 新老混凝土粘结性能的数值模拟分析

新老混凝土粘结一般采用钢筋进行机械连接，连接后，需要对钢筋连接件进行整体结构的抗剪、抗拉计算.这里采用ANSYS中三维线性有限应变梁单元模拟钢筋.整体粘结模型如图5所示.

图5 钢筋机械连接新老混凝土分析模型

这里模型加载与分析参数与整体试块模型相同，计算到不收敛时，表明试块破坏，达到极限承载能力.图6(a)为极限状态下x向应力图，6(b)为极限承载下混凝土试块开裂情况.

(a)x方向应力图

(b)混凝土开裂xy面投影图

分析x为75mm的劈拉面，如图7所示.由图可知，因为钢筋连接的作用，使得新老混凝土粘结面裂缝扩展得到明显抑制，且离钢筋连接件越近，混凝土的劈拉应力越小，而越远，混凝土的劈拉应力越大，由图可清晰的看到，混凝土不同位置劈拉应力的增长基本上与该处距钢筋轴心的距离呈线性关系.图8中钢筋轴力图显示，钢筋在靠近劈拉面部位时轴力较大，此时，新老混凝土劈拉面上的部分拉应力是由钢筋来承担的，因而，控制加钢筋机械连接新老混凝土粘结部件劈拉强度的主要因素为，原有混凝土的劈拉强度及钢筋连接件与新老混凝土之间的粘结强度，并有如下评估标准：当钢筋连接件与新老混凝土之间的粘结强度足够大时，试件破坏以老混凝土的破坏为标准；当钢筋连接件与新老混凝土之间的粘结强度不足时，试件破坏则以新老混凝土的脱粘为标志.

图7 极限状态下粘结面x向应力

图8 钢筋连接件轴力图

综合分析表明，采用钢筋连接新老混凝土试块的极限承载力62.7kN.根据混凝土强度等级计算的理论值为75.4kN，而根据图7中x向应力平均值即劈拉强度为1.65MPa，理论值为2.1MPa.很明显，采用钢筋机械连接件可以显著改善混凝土的抗劈拉能力，新老混凝土采用钢筋进行连接时，其劈拉强度比不使用连接件的新老混凝土粘结结构提高了20%左右，同整体混凝土试块相比，采用钢筋连接新老混凝土试块的极限承载能力和劈拉强度分别下降13.2%和25.0%.

4 结论

采用有限元数值模拟对比分析了劈拉极限力下整体混凝土试块、传统界面剂粘结的新老混凝土试块和采用钢筋机械连接的新老混凝土试块的性能，主要结论为：

(1)同等条件下，采用钢筋机械连接新老混凝土粘结，其劈拉强度比传统的不加连接件的新老混凝土粘结试块提高了约20%；

(2)采用钢筋机械连接件具有明显抑制劈裂面的裂缝扩展，且混凝土中不同位置的劈拉应力的增长与该处到钢筋轴心的距离基本呈线性关系.

[1]赵志方.新老混凝土粘结机理和测试方法[D].大连：大连理工大学，1998.

[2]赵志方,赵国藩,黄承逵.新老混凝土粘结抗折性能研究[J].土木工程学报,2000(2):67- 72.

[3]刘建,赵国藩.新老混凝土粘结收缩性能研究[J].大连理工大学学报,2001(3)：339- 342.

[4]赵志方,赵国藩,黄承逵. 新老混凝土粘结的劈拉性能研究[J]. 工业建筑,1999,29(11):56-59.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50010一2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]赵晓艳.新老混凝土钢筋连接件结合性能研究[D].天津：河北工业大学，2004.

Numerical Analysis of Mechanical Performance for Bonding Properties of Fresh and old Concretes

XIE Zhanyu1,XU Xinwei2

(1.Baotou Railway Vocational and Technical College,Baotou 014060,China;2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on numerical analysis of Finite element method,comprehensively comparative analysis are carried out to investigate the bonding properties of fresh and old concretes by traditional methods and mechanical joint element.The results show that the splitting strength of the fresh and old concretes is enhanced significantly and increased over 20% than traditional bonding method.Moreover,the mechanical joint element such as steel bars have the function to curb the crack developing.The splitting stresses in the concrete samples is tend to be the linear relations with the distance between axes of steel and location.

bonding properties;fresh and old concrete;steel;FEM

1673- 9590(2015)01- 0064- 04

2014- 08- 03

谢占宇(1971-),男，讲师,学士，主要从事建筑工程的研究

E-mail:15849298289@163.com.

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