基于相对位移的高温作用下铰缝结构力学性能与仿真分析

曹慧,张珂峰,沈强儒*

基于相对位移的高温作用下铰缝结构力学性能与仿真分析

曹慧1,张珂峰2,沈强儒1*

1. 南通大学 交通与土木工程学院, 江苏 南通 226019 2. 南通开放大学, 江苏 南通 226018

针对梁式桥铰缝这一受力薄弱部位进行高温后的材料特性分析和温度场分析，采用ABAQUS有限元软件进行梁桥结构的高温模拟，提取温度场；在此基础上进行热-应力耦合分析，同时对于不同温度场对铰缝处内力与位移的情况进行讨论，获得不同相对位移特征值对应下铰缝的剩余抗剪承载力，确定铰缝结构在高温作用下其相对位移特征和抗剪承载力损失随温度不断升高过程中的变化情况，并提出基于铰缝相对位移的桥梁承载力计算公式，通过实桥的论证结果表明：该方法简便易行，结果可靠，可为火灾后梁桥承载力的快速评估提供理论依据。

铰缝; 力学性能; 仿真分析

早在20世纪初就有美国学者对火灾引起的建筑物失效进行研究，并提出了火灾温度的曲线表达式。我国在桥梁灾损评估方面的技术力量相对薄弱，针对火灾这类复杂的数据采集与处理并没有做到全面深入。国内众多学者针对高温后桥梁结构材料、结构的损伤情况和检测方法进行了大量研究，取得了一定成果[1]。对于常规的钢筋混凝土构件例如柱、梁、板等在高温作用下的材料的应力应变情况进行了大量的试验研究[2]，但是针对梁式体系的铰缝这类特殊结构高温作用后对桥梁结构的材料和承载力的影响的研究不够全面深入。本文在基础调研与分析基础上，针对梁桥结构特点，探讨了火灾后铰缝的相对位移对结构抗剪承载力的影响，研究过火后结构承载能力的退化规律，为结构抗火的设计理论和火灾后结构的评定加固工作提供依据。

1 铰缝的相对位移特征值

1.1 火灾后铰缝的破坏特点

对于在工厂预制现场拼装的装配式混凝土梁桥来说，后浇筑的铰缝混凝土和预制的混凝土板的接触形式是新旧混凝土的粘结，而粘结接触面的力学性能受多种因素的影响。目前公认的主要结论为铰缝粘结处的力学性能主要受3个方面的影响：铰缝处混凝土板的粗糙程度；铰缝处的粘结剂；铰缝的构造措施[3,4]。其中混凝土板的粗糙程度在国内规范中没有明确的要求，只是在施工过程中会采用高压射水、喷砂或人工凿毛等方法进行铰缝处的粗糙处理，粗糙处理后对粘结界面涂刷合适的环氧类或聚合物类的粘结剂，构造措施方面采用加钢筋或钢板的方法进行结合面的设计。

由此可以认为新旧混凝土之间的粘结主要是依靠材料间的摩阻力、化学胶结力和构造产生的咬合力组成[5,6]。这种粘结力在高温后会发生巨大的变化，而铰缝特殊的构造形式使得它成为桥梁整体受力的薄弱点[7,8]。所以研究火灾后梁桥铰缝的损伤程度对结构整体受力性能的研究至关重要。已有的研究资料表明：在高温作用下铰缝处混凝土的粘结强度会大幅下降，产生裂缝，原因是高温使混凝土收缩导致斜向应力和劈裂应力增大[9,10]；同时钢筋的热膨胀系数也比混凝土大，高温后混凝土遇水产生膨胀，钢筋收缩，导致钢筋和混凝土间的摩擦力和咬合力减小，使粘结状况进一步恶化，在极大程度上降低了铰缝处的承载力。

1.2 火灾后铰缝的相对位移特征值的确定

式中，为铰缝实际相对位移；为计算跨径；10000为系数。

2 火灾后铰缝的剩余承载力有限元分析

2.1 钢筋混凝土空心板简支梁桥的温度场分析

2.1.1 升温阶段结构处于高温状态时，空间结构中各点的升温情况导致温度差异，与火源点距离越远而温度越低。处于结构上部位置的梁、板等构件在不断上升的热气流作用下温度较高，构件表面温度的均匀性与温度的高低的影响因素较为复杂，与构件受火位置、受火时间和气流方向都有关系。本文釆用国际标准化组织所提出的标准火灾升降温曲线，曲线说明了结构在受火过程中升温、降温以及火灾作用后续阶段温度的变化情况：=0+345lg(8+1)≤t(2)

2.1.3 高温作用后=0t≤(4)

式中：--温度，单位为℃；--高温持续时间，单位为min；t--升降温的临界时间，单位为min。

铰缝构件在高温作用下通过热空气将热能传递到构件内部，构件内部发生热传递。目前的研究结果认为可以将这个过程分为2个阶段：第一个阶段，热能由空气以热量对流交换和物体之间的辐射换热方式传给结构或构件的外表面；第二个阶段，热能在构件内部以固体导热的方式传递到构件内部。因此可以应用传热学的原理进行温度场求解，以便得到钢筋混凝土构件内部各点在不同温度作用下的温度分布。

式中：--温度；--介质密度；--介质比热容J/(℃·kg)；,--坐标；--时间。

2.2 有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元软件进行梁桥结构的高温模拟，提取温度场；在此基础上进行热-应力耦合分析，同时对于不同温度场对铰缝处内力与位移的情况进行讨论，获得不同相对位移特征值对应下的铰缝的剩余抗剪承载力，确定不同位移特征值对应的铰缝火灾后的承载力损失情况，为灾后梁桥的快速评估和加固提供进一步的理论依据。

2.3 模型的建立

本文以《公路桥梁通用图》中跨径20 m的后张法预应力空心板为例进行模型的建立，对简支空心板梁的铰缝进行温度场和过火后的力学性能分析。温度场分析中，混凝土采用热传导单元DC3D8；高温下应力分析时再把混凝土单元类型改为C3D8R实体单元，全桥的单元划分如图1。模型中以跨中单面受火为例采用ISO 843标准升温曲线，暂不考虑钢筋对结构内部温度场的影响，在4#板与5#板、6#板与7#板、8#与9#板、10#板与11#板纵向跨中的铰缝处布置4个测点，分析对应不同相对位移的铰缝处抗剪承载力损失的实变效应过程，确定铰缝的耐火极限。

图 1 全桥模型网格划分

图 2 桥梁纵向

3 高温后铰缝的相对位移变化情况

在有限元模型建立过程中，设置2个后续分析步，均采用静力分析方法（Static,General）。Step-1：总步长假定为1，增量0.3；Step-2：总步长假定为1.4，增量0.08。初始条件下所有节点温度10°C，4个测点高温作用后温度随时间变化的曲线如图3，对比4个测点的温度变化可以看出，4条曲线总的发展趋势是随着铰缝处的温度逐渐升高，铰缝的相对位移明显增大。

图 3 铰缝相对位移与温度发展关系图

3.1 高温作用后铰缝处的剩余承载力分析

利用有限元模型，对铰缝在高温下受力变化过程考察，得到铰缝处应力变化随铰缝相对位移的发展规律。铰缝受力过程为：温度开始上升阶段，锚固在混凝土中的钢筋与铰缝处的混凝土变形协调，共同承担荷载；温度不断上升过程中，铰缝处的混凝土发生剪切破坏而逐渐进入塑性阶段，但此时钢筋仍处于弹性阶段，钢筋承担了绝大多数的荷载；当温度继续增加时钢筋屈服，此时结构承载能力急剧下降，铰缝破坏。在升温过程中，铰缝相对位移与铰缝抗剪承载力损失的变化关系如下：

表 1 1号铰缝相对位移与抗剪承载力损失关系表

表 2 2号铰缝相对位移与抗剪承载力损失关系表

表 3 3号铰缝相对位移与抗剪承载力损失关系表

表 4 4号铰缝相对位移与抗剪承载力损失关系表

图 4 铰缝抗剪承载力损失随温度变化情况

4 结论

（1）由于铰缝处混凝土受高温作用吸水膨胀、强度降低，钢筋收缩，摩擦力和咬合力大幅降低，粘结状况劣化，材料的塑性变形能力增加，因此高温作用后铰缝的相对位移有所增加；

（2）铰缝处的抗剪承载力随温度升高而损失显著。低温段（10~30）℃时损失（0~10%），中温段（30~500）℃时损失20%~50%，髙温段（500~1300）℃时损失50%~80%，混凝土强度发生急剧下降，发生质变，导致粘结强度发生骤降；

（3）高温后，影响铰缝处受力性能的因素很多，本文只选取了通用图中企口式铰缝模型，混凝土强度只考虑了C30，在受火位置与温度的变化范围上也选择了有限的参数。对于其他因素的影响有待于进一步研究。

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The Mechanical Properties and Simulation for Hinged Joint Structure on High Temperature Based on Relative Displacement

CAO Hui1, ZHANG Ke-feng2, SHEN Qiang-ru1*

1.226019,2.226018,

To analyze the material characteristics and temperature field after high temperature, ABAQUS finite element software was used to simulate the high temperature of bridge structure and to extract the temperature field. On this basis, the thermal stress coupling analysis was carried out, and the internal force and displacement of the hinged joints were discussed in different temperature fields. The residual shear bearing capacity of the hinged joints corresponding to different relative displacement eigenvalues was obtained to determine the relative displacement characteristics and shear bearing capacity loss of the hinged joints under high temperature and provide further theoretical basis for the rapid evaluation and reinforcement of the bridge after disaster.

Hinged joint; mechanical properties; simulation

U446

A

1000-2324(2019)02-0232-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.012

2018-02-05

2018-05-02

2017年江苏省住房与城乡建设厅科技计划项目(2017JH06001);2018国家自然科学基金青年科学基金项目(51808298);2016年江苏省建设系统科技项目(2016ZD106)

曹慧(1986-),女,硕士,讲师.研究方向:桥梁损伤评估，桥梁结构基本理论. E-mail:caohui03@ntu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:Shengqr88@ntu.edu.cn