新旧混凝土粘结界面之仿真计算方法研究

王 岗 覃 朗 郑克如 余文韬

（1.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州；2.杭州伟业建设集团有限公司，浙江 杭州）（3.浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州；4.浙江大学交通工程研究所，浙江 杭州）

1 概述

多年以来，装配式混凝土结构在工程建设领域应用广泛，预制构件拼装完成后需要二次浇筑混凝土将构件连接成整体；另外，结构服役多年后，旧的混凝土材料会出现蜂窝、脱落及开裂等病害，需要采用新的混凝土予以补强加固。因此，新旧混凝土之间的粘结质量是保证结构整体受力性能的关键因素。在实际工程中，因新旧混凝土粘结性能出现问题而造成的影响日益突出，如瑞士的一座桥的桥面板经喷射混凝土维修后，仅用了两年时间新旧混凝土粘结界面脱开率就达到了30%～35%[1]；2009年9月浙江省甬台温高速公路宁波段某大桥由于空心板二次浇注的铰缝结构破坏造成桥梁结构单板受力现象，最终导致了空心板断裂的重大事故[2]。然而，在对新旧混凝土结合面粘结性能的研究中，如何合理有效地对粘结界面的性能进行仿真模拟的相关研究却很少。王振领在其博士论文中提出目前对新老混凝土结合面的仿真分析研究极少[3]。因此，对新旧混凝土粘结性能的研究及寻找合理的仿真计算方法具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文以梁桥中常用的铰缝结构作为分析对象，应用有限元计算程序，建立装配式桥梁上部结构的工程仿真数值计算模型，对新旧混凝土粘结性能的模拟方法进行计算机实现。本文的研究结果将为混凝土结构加固以及装配式桥梁二次浇注混凝土粘结病害的成因分析和优化设计提供一定的参考。

2 装配式桥梁铰缝结构仿真计算方法

20世纪70年代以来，我国大力发展基础设施建设，装配式钢筋混凝土铰接板梁桥和T 型梁桥由于易于设计成系列化和标准化，应用相当普遍。相邻板块之间广泛采用的铰缝构造是在梁板预制时在梁板内部相应位置预埋钢筋，待吊装完成后，支立模板浇筑二次混凝土完成板块连接的一种形式。铰缝结构属于二次浇注混凝土，铰缝混凝土与梁板混凝土接触面使得两次浇筑的混凝土存在明显的分界面，属于典型的新旧混凝土粘结问题。图1为空心板梁桥的铰缝构造示意图，相邻两片梁板之间有1 cm 宽度的缝隙。考虑到这种实际情况，模型中将梁板与铰缝分别建模，相邻两片梁板与铰缝的两边二次混凝土浇筑部位存在分界面。

图1 铰缝传力体系

根据铰缝的结构特点，在外荷载作用时，铰缝与梁板之间应发生挠曲变形，而铰缝结构的横向传力性能可以有效反映新旧混凝土的粘结性能。相对于梁板高度来说，铰缝的高度较小，因而铰缝的刚度较小。在结构受力时，假定转动变形主要发生在连接两片梁板的1 cm 厚度铰缝混凝土部位。本文通过改变铰缝结构部位1 cm 厚度混凝土（称之为“连接层”）的材料性能来模拟铰缝两侧梁板的适当转动变形，如图2所示。连接层保证了梁板间的横向联系，同时通过改变其材料性能又可以模拟出铰缝结构部位的适度变形。

采用有限元软件ABAQUS 建立铰缝传力结构的仿真模型。模型为13 m 跨径的空心板桥，板宽为99 cm，并排布置20 片梁板（19 条铰缝）。着眼于精细计算，梁板、铰缝单元划分均采用高精度的六面体实体单元。桥梁计算模型及铰缝部位网格划分如图3所示。由于铰接板理论不考虑桥面铺装的荷载分散效果，计算模型不包括桥面铺装结构。模型中梁板及铰缝均采用弹性单元，未考虑钢筋作用。

图2 铰缝结构连接层模拟方法示意

图3 空心板梁桥有限元模型

表1为模型中材料特性取值，其中E 为材料的弹性模量，V 为材料的泊松系数。

表1 有限元模型材料特性

3 连接层有效性验证

有限元模型中连接层对模型的有效性影响很大，因此如何确定铰缝结构连接层的材料性能（以材料的弹性模量E 来表征）是有限元模型模拟实际结构是否成功的关键点。

在数值计算中，采用单片板跨中加载的方式，荷载大小取275 kN，荷载作用面积取68×20 cm（纵向×横向）。连接层弹性模量采用试算分析的方式来确定。

模型中让连接层的弹性模量E 值从32500 MPa（C40 混凝土的弹性模量）到1650 MPa 发生改变，相当于铰缝混凝土弹性模量的1/10000 ～ 1/20。当荷载作用于10 号板时，其左右两侧的两条铰缝受力较大，荷载传递效果最为明显。连接层的弹性模量E 取不同值时10 号板竖向位移如图4所示。根据梁板受力及铰缝横向传力特点，在外荷载作用时，横向发生挠曲变形，而且铰缝与梁板之间发生相对错动，参数E 取值太大则铰缝与梁板之间相对错动不明显，如图5a）、b）所示；反之，参数E 取值太小则铰缝与梁板之间相对错动过大，如图5d）所示。据此可以初步推断，铰缝弹性模量数量级应该在3250 MPa 附近取值。

图4 铰缝材料E 取不同值时10 号板竖向位移图（放大500 倍）

查《混凝土简支梁（板）桥》[4]中20 块板的铰接板桥横向分布影响线表，计算各板跨中位置横向分布系数，按横向最不利位置布载，求得四车道工况下各板横向分布系数。将模型计算值与铰接板理论值相比较，模型中连接层的弹性模量E取3000 MPa，结果如图5所示。图中横坐标N 为板号，竖坐标m 为横向分布系数。从图中分析，模型计算结果与理论值吻合较好。

图5 板桥跨中截面横向分布系数模型计算值与理论值比较

4 小结

根据有限元模型计算值结果，可以看出模型中连接层的弹性模量E 取3000MPa时，铰接板桥横向分布系数理论值与模型计算结果所得的桥梁横向变形曲线吻合较好，这表明采用连接层的方式来模拟铰缝横向传力性能可以较好的体现荷载的横向传递效果，能够有效反映板梁结构的空间分布。至此，建立了一个可以反映新旧混凝土粘结性能的空间数值计算方法。