基于总应变裂缝本构的箱梁混凝土注胶修复机理研究

李 倩 刘恒源 凌天清 桂许兰 王志勇

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;2.重庆交通职业学院,重庆 402247;3.重庆路投科技有限公司,重庆 401147)

混凝土箱梁结构在运营期间,由于荷载及环境的作用,存在大量裂纹甚至较深的裂缝[1].对裂缝进行修补并恢复构件的整体性、连续性以及耐久性是桥梁混凝土结构修复工程的主要工作,灌注式注胶充填是最有效的修补方法之一[2-5].但胶液在裂缝中的渗流机理尚未见系统性研究,注胶的控制压力也没有形成体系,以致没有注胶效果好、操作简单的施工工艺.国家加固[6]规范针对裂缝修补技术,重点规定了灌缝胶结材料的要求,而针对灌注工艺仅仅是做了简单的描述.从现有国外的研究成果来看[7-8],采用“环氧树脂类”胶液进行桥梁结构裂缝修复的试验多为构件层面的静力试验,且施工工艺较为复杂.基于总应变裂缝本构关系建立箱梁有限元模型,在分析箱梁裂缝开展次序、类型的基础上,简化施工工艺,并结合中高压注胶特点及渗流机理,研究箱梁开裂前后的力学性能并对中高压注胶修复效果进行分析.

1 总应变裂缝本构模型

总应变裂缝模型不分离各种应变,裂缝的受拉受压分析中使用同一个本构关系,易于定义非线性特性和应用.Midas FEA中基于总应变裂缝本构模型把混凝土的拉压性能分别用不同函数表征.采用总应变本构模型来判断混凝土的开裂状态,可以有效地模拟结构裂缝开裂和发展状态.

以总应变裂缝本构关系为基础的受拉模型可以分为基于断裂能的软化本构模型和与断裂能无直接关系的受拉本构模型,有线弹性、Constant、指数软化、Hordijk等.混凝土受压状态下受到横向约束的影响时,各向同性应力将变大,强度和延性也相应提高.通过合理定义混凝土受压状态下的应力-应变关系,可以反映出各向同性应力的影响.受压状态应力-应变关系曲线有线弹性、Thorenfeldt、折线形线性硬化、Saturation hardening等.下文所建模型中选用的拉压模型为Constant、Thorenfeldt模型.

图1 Constant模型

图2 Thorenfeldt模型

2 胶液渗流机理分析

2.1 中高压注胶特点

基于针管注胶器和高压泵注胶的缺点,研发一种新型中高压注胶器,其胶体存储器由强度和韧性较高的橡胶材料组成,根据弹性力学原理,可将压力值的测量转化为形变值的测量,从表面刻度读出内部胶液的压力值,方便快捷,简单实用.

2.2 胶液渗流机理

当裂缝宽度≥0.2 mm时,可以采用注胶修复法.在箱梁梁底长、宽为L、h的裂缝中注入粘度为υ,密度为ρ的胶液,注胶压力为P,在t时刻胶液运动长度为L时,在注胶压力T下,有[9]：

其中,C1=(P-1×105)/ρ;C2=T/ρA;C3=d S/ρA;d为胶液粘滞系数;S为胶液与缝壁的接触面积;A为裂缝截面面积.

3 箱梁的力学性能分析

3.1 有限元模型的建立

箱梁有限元模型为单箱单室C50预应力混凝土结构,长20 m,宽10 m,高3 m,底板宽4 m.在底板位置布置3束预应力筋,腹板两侧各布置2束预应力筋.底板约束条件为铰支.通过Midas FEA建立有限元模型,混凝土箱梁模型采用弹性实体单元;钢筋模型采用线单元,与箱梁采用共节点的方式进行连接;腹板和底板预应力筋和箱梁实体采用组合模型,预应力筋与管道壁的摩擦系数取0.3,与管道每米局部偏差影响系数为6.6e-5,钢筋回缩量取0.6 cm,并在开始端和结束端施加预应力4e6 N;划分单元共26 282个.混凝土开裂状态下的力学分析属于非线性分析,需要将本构模型定义为刚度矩阵进行反复计算,使外力向量和内力向量达到平衡.在Midas FEA中提供的刚度矩阵有割线刚度矩阵和切线刚度矩阵.割线刚度矩阵可以获得比较稳定的解,更适合于钢筋混凝土结构裂缝力学分析.因此,本模型中选用割线刚度,并考虑横向约束效应的影响,迭代计算方法选择收敛速度快的Newton-Raphson法[10].

图3 箱梁有限元模型

图4 选取位置示意图

3.2 开裂后力学性能

箱梁混凝土开裂后,结构中应力-应变不再保持线性关系.所以,裂缝分析需要考虑材料的非线性特征.选取顶板：在腹板位置节点;顶板：横向跨中节点;腹板跨中底部节点;底板：在腹板位置节点;底板跨中位置为研究对象.对顶板逐渐施加至3 N/mm2的均布荷载,对上述位置的应力-应变关系、荷载系数与应力、应变关系进行分析,关系曲线如图5～7所示.

图5 应力-应变关系

图6 应力-荷载系数关系

图7 应变-荷载系数关系

从上图可以得出：除了顶板：横向跨中节点位置由于顶板预应力筋的作用没有开裂以外,其余部位的应力-应变均呈现非线性关系,且底板跨中位置的应变最大,表明裂缝开展较为明显.随着荷载的增加,各个特征节点的应力、应变均为非线性特征.荷载系数小于0.5时各个特征节点应变基本上是线性关系,之后逐渐呈现出非线性特性.

4 注胶修补箱梁裂缝效果分析

4.1 箱梁裂缝状态

从有限元模型分析过程中可以得出,箱梁裂缝的发展次序是由顶板两端预应力筋的锚固区和支座附近区域向箱梁腹板和底板跨中区域逐渐延伸,如图8所示.

图8 箱梁裂缝部位示意图

从裂缝走向上看,在顶板两端的预应力锚固区多为横向裂缝;随着顶板荷载的逐渐增大,在箱梁腹板和底板跨中处出现一些纵向裂缝且纵横裂缝缓慢相互连通.

4.2 灌注式注胶工艺

箱梁实验室模型和有限元模型的比例为1∶5.在顶板区域施加均布荷载逐渐至1 N/mm2,箱梁底板出现较为明显的纵向和横向裂缝.对宽度≥0.2 mm的裂缝进行注胶加固修复.根据裂缝的深度和宽度,注胶压力控制在0.1～0.5 MPa,注胶材料选用日本肖邦环氧树脂类,其指标见表1[11].

表1 肖邦环氧树脂类的力学性能

在裂缝周围进行处理后粘贴注胶嘴并封闭裂缝,注胶嘴间距为10 cm左右,将上述胶液配置好的胶液注入到胶囊中,旋转接入基座,注胶器弹开基座阀门后,由于胶囊的收缩压力将胶液通过基座底孔注入至裂缝内部,注胶时可通过胶囊上的刻度读出注胶压力,注胶嘴布置示意图如图9所示.

图9 注胶嘴布置示意图

胶液扩散半径R取0.31,沿梁长方向裂缝截面面积A为0.5×10-3m2,胶液与裂缝内壁的总接触面积S为0.49 m2,胶液总体积用量V为0.03 m3,注胶用时t约为1 260 s,由此得：C1=363 m,C1=1.82T(m),C3=0.23d(1/s).初始条件：t=0时,L=L(t)=0,粘度为v=L'(t)=0.由计算软件Matlab解得系数T=8.8 N,d=14 N/s·m3,并将其带入方程可得到注胶时间和注胶深度、速度之间的关系,从而验证了公式方程和实际工程数据的吻合性.

4.3 注胶后箱梁力学性能分析

注胶完成待胶液完全固化后对实验室模型进行相关力学性能试验：对前所述特征位置节点粘贴应变片,在缓慢加载情况下进行应变的量测;同时,通过电子位移计实时对箱梁加固前后跨中挠度进行监测,分析特征节点区域裂缝注胶修复后的应力-应变关系和箱梁裂缝中高压灌注式注胶加固效果(如图10所示).

图10 注胶加固后的应力-应变关系

从图10可以看出：在箱梁裂缝处注胶加固以后,各个特征点处在2.5 MPa的均布荷载下,应力-应变大致呈线性关系;随着荷载的继续增大,应力-应变呈非线性关系;底板跨中应变最大位置较加固前减小18%左右,加固修复效果良好.

箱梁裂缝加固前后分别对底板跨中处进行挠度监测,每次连续监测2 h,监测结果如图11所示[12].

图11 箱梁底板跨中挠度值监测曲线

由以上数据曲线可知：中高压灌注式注胶加固后,箱梁底板跨中处的挠度值大幅减小.加固前底板挠度值最大为1.475 mm,注胶加固后挠度最大值为1.11 mm,降幅约为25%,表明注胶加固对带裂缝工作的箱梁修复效果明显,提高了箱梁后续承载能力.

5 结 论

基于总应变裂缝本构的箱梁有限元模型能较好的反应裂缝的发展次序和静力力学性能.在荷载系数＞0.5时,箱梁各个特征点应力-应变均逐渐呈现非线性状态,裂缝的发展类型也由横向裂缝向纵向裂缝转变且横纵裂缝相互贯通.在胶液渗流机理的基础上,对箱梁裂缝进行中高压灌注式注胶,胶液填充裂缝饱满.对修复后箱梁各个特征点进行应变量测和底板跨中挠度监测,结果表明底板跨中应变和挠度分别较修复前减小18%和25%左右,修复效果良好,中高压灌注式注胶修复箱梁裂缝具有较高的先进性、创新性及实用性.