FRP防治预制水泥路面板微裂纹扩展数值模拟

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

前言

水泥混凝土路面在使用过程中容易出现裂缝、孔洞坑槽、边角断裂及表层脱落等局部病害，这些局部损害往往得不到及时、有效的修复，导致破损范围进一步扩大，最终造成大范围的整板损坏。针对这类整板损坏路面，常通过预制拼装修复技术实现对原有破损路面的整板更换。但是这些用于更换的预制路面板在后场加工过程中，难免会由于水泥自身干缩等原因会造成表面含有初始微裂纹。

一、FRP防治裂纹扩展作用机理

FRP与预制混凝土路面板采用环氧材料粘结在一起，形成一个复合体后起到防治路面板表面微裂缝扩展的效果。在车辆荷载作用下，预制路面表面微裂缝有继续扩展的趋势，而FRP一定程度上限制了表面微裂缝自由扩展，从而延长了路面板的使用寿命。一般情况下，FRP的作用是使路面板表面微裂纹尖端的拉应力和集中剪应力得到一定程度的的降低，特别是对降低集中拉应力的效果更好。

二、FRP防治裂纹扩展有限元分析

(一)有限元模型的建立

本文采用弹性半空间地基模型进行计算分析，结合我国现行公路水泥混凝土路面设计规范[4]规定的双层板力学模型要求，本文路面模型采用三层结构，分别为：面层(预制路面板)、基层(水泥稳定碎石)和路基[5-6]。

模型参数如下表1所示，此外模型是基于扩展有限元法来模拟微裂纹扩展，损伤判据为最大主应力失效准则[7-8]，混凝土预制板损伤参数根据课题组前期研究成果，最大主应力为3.1MPa，断裂能为250N/m。

表1 模型参数

合理建立接触关系和边界条件对于正确分析路面结构的力学行为是十分关键。假设预制路面板与混凝土界面之间为光滑接触，AASHO路面设计指南建议的混凝土与基层的摩擦因数[9]为0.9～2.2，因此本文选取的预制混凝土板与基层的摩擦系数为1.5。

(二)计算结果与分析

1.受荷预制板应力变形云图

无FRP粘贴层的受荷预制板和有FRP粘贴层受荷预制板应力变形云图，其中FRP模量取200GPa，粘贴层界面刚度取选取为5/0.05MPa·mm-1，由图像知，在标准轴载作用下，两类受荷预制板微裂纹尖端的最大主拉应力值都已经超过3.1MPa，但微裂纹并没有发生扩展，这是因为受荷板断裂能还没有达到250N/m，不具备裂纹扩展的条件。

2.超载条件下FRP粘贴层对微裂纹扩展影响

公路交通中由于交通量的大量增加,尤其是载货汽车的比率逐渐增大,超载现象越来越严重,车辆超载会使水泥混凝土路面结构的表面弯沉、面层底面和基层层底的拉应力和剪应力以及土基顶面的最小主应变随之增大，由此对水泥混凝土路面使用寿命造成了很大的影响。对于预制水泥混凝土路面板来说，车辆超载还会加速预制路面板表面微裂纹扩展，从而造成路面板破坏。

表2 不同车辆荷载下有无FRP粘贴层微裂纹扩展高度值

根据微裂纹扩展高度数据可知：

(1)未粘贴FRP材料的受荷预制板表面微裂纹开始扩展时对应的临界车辆荷载值在100KN～200KN之间，而粘贴FRP材料的临界车辆荷载在200KN～300KN之间；

(2)在标准轴载下未粘贴FRP材料的受荷板表面微裂纹没有发生扩展，而荷载增加到200KN时裂纹扩展了2cm，增加300KN时裂纹扩展了3cm，这说明超载车辆对预防受荷板微裂纹扩展极其不利，且超载值越大，受荷预制板表面微裂纹扩展的越严重；

三、结论

本文利用ABAQUS软件基于扩展有限单元法建立带初始微裂纹的预制路面板模型，计算分析有无FRP粘贴层的受荷预制板最大主拉应力值、微裂纹尖端应力强度因子大小以及超载条件下表面微裂纹的扩展，评价FRP粘贴层用于防治受荷预制板表面微裂纹扩展的效果，得到的主要结论如下：

(1)标准轴载下，有无FRP粘贴层的受荷预制板表面微裂纹均没有发生扩展，但粘贴FRP材料的的受荷板中应力分布相对较为分散；

(2)FRP粘贴层能够一定程度上降低受荷板主拉应力值和微裂纹尖端应力强度因子大小；

(3)粘贴了FRP材料的预制板，最大主拉应力值和微裂纹尖端应力强度因子大小与FRP模量、粘贴层界面刚度均成反比，且随着FRP模量和界面刚度的增加，下降幅度逐渐变缓，最终趋于稳定。