装配式NC板UHPC湿接缝轴拉性能试验研究

2020-09-07霍书亚

公路工程 2020年4期

张阳，霍书亚

（湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082）

1 概述

建国以来我国基建事业得到了飞速发展，各式各样的普通混凝土房屋、桥梁、隧道等大量建成，而当时设计规范已经难以满足现在的需求，加上日积月累的物理、化学和生物作用，大量的混凝土结构出现了各样不同类型的病害，像混凝土破损、老化、开裂、钢筋外露锈蚀等现象［1］，这些病害的出现势必会导致结构存在一定的安全隐患，传统的桥梁加固改造或者装配式结构的湿接缝都是由普通混凝土（Normal Concrete，简称NC）进行处理，但用于处理加固改造的NC湿接缝处也已有不同程度的损坏，接缝开裂破坏、接缝脱落和漏水等情况已成为通病，影响安全使用［2］，造成NC接缝开裂破坏最直接的原因是普通钢筋混凝土湿接缝的抗拉性能以及韧性较差，使得常规的NC接缝耐久性无法得到保证，加之新老混凝土粘结处强度较低，导致结构需要反复加固，加固周期长，不经济［3］。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC）作为近年来新兴的土木材料主力军，拥有超高的耐久性和超高的力学性能，抗拉性能可达普通混凝土的几倍［4-5］，且UHPC作为一种活性粉末混凝土，全部由细骨料配制而成，相比普通混凝土接缝拥有了更大的接缝接触面积，可以有效提高界面粘结强度和抗渗性［6］。由于这些出色的力学性能，装配式混凝土结构中UHPC作为湿接缝已经被广泛用在工程上［7］。在国外装配式NC-UHPC湿接缝研究较多，一些西方国家像加拿大和美国等已经进行了比较系统深入的研究，并且制定了相应的手册，而我国目前对装配式NC-UHPC湿接缝的轴拉性能研究基本处于空白。

由于目前国内对装配式NC-UHPC湿接缝的研究较少，故本文通过设计1组普通混凝土湿接缝构件对比模型和1组UHPC湿接缝构件模型，每组3个共计6个试验模型，对两种湿接缝进行轴拉试验研究，并结合有限元软件Abaqus进行模拟轴拉试验过程，以此来探索装配式NC-UHPC湿接缝相对于传统NC湿接缝轴拉性能如何。

2 轴拉试验

2.1 试验思路

参考以往研究者的轴拉试验，本试验模型设计为两端的NC采用C40混凝土，本试验所采用的C40配合比如表1所示，水灰比为0.44，用来模拟预制构件或者旧混凝土结构，浇筑普通混凝土时放置于振动台使其密实，3 d后脱模，自然养护28 d以上，为了更接近实际工程情况，对原有混凝土界面进行凿毛处理，用钢刷清除浮浆后在浇筑湿接缝前湿润界面，1组湿接缝采用和原有混凝土一样配合比的C40，另外1组湿接缝采用UHPC，采用的UHPC配合比如表2所示。试验构件的具体构造与配筋如图1所示（单位为mm），试件总长500 m，两端的两段210 mm为C40混凝土，中间长80 mm的阴影部分表示矩形湿接缝，矩形接缝具体尺寸为100 mm×80 mm×50 mm，其中①为φ10钢筋，②③④为φ8钢筋，几种钢筋均为HRB400。试件的原混凝土处配筋率为3.14%，接缝中间配筋率为6.28%。

表1 C40配合比Table 1 Mixture ratio of C40 kg／m3

表2 UHPC配合比Table 2 Mixture ratio of UHPC matrix kg／m3

图1 试件构造与配筋示意图（单位：mm）Figure 1 Schematic diagram of the structure and reinforcement of the test piece（Unit：mm）

2.2 试件制做

本试验针对湿接缝制作了2组构件，每组3个共计6个试件，分别记为NC矩形接缝板（NC-JX1、2、3）和UHPC矩形接缝板（U-JX1、2、3）。U-JX和NC-JX尺寸保持一致，均为100 mm×80 mm×50 mm。

2.3 试验装置

本试验采用量程为60 t的MTS电液伺服试验机，为了使试验结果精准采用定制夹具，且夹具顶部传力钢板的顶面与特定的万向球铰相连，以保证在试验加载的过程中尽可能减小偏心弯矩产生的影响。试验装置安装时首先把试件安装到定制的夹具上，然后通过万向球铰与传力杆连接，最后通过夹头把其固定在试验机上，安装好后的轴拉试验装置如图2所示。

图2 轴拉试验装置Figure 2 Device of axial tension test

2.4 试验步骤

首先进行预加载，预加载按力控方式加载，力大小为10 N／s，分3级加载至1 500 N，记录每一级的数据，通过各项数据检查轴拉装置安装是否有偏心，因装置制作精度若要达到100%对中基本不可能实现，所以本试验中对应钢筋的应变在预加载阶段每一级增量差与平均值在15%以内时［8］，认为试验装置安装对中，可以进行后续正式加载。如果对应位置的应变在预加载过程中不对称，则重新微调试件和装置的位置，重复预加载过程直至试验装置在拉伸试件时满足上述的对中要求。预加载满足对中要求后，加载至上述1 500 N以后卸载至0 N。随后进行正式加载，正式加载方式同样为力控，加载速率设定为10 N／s，每一级加载步骤设置为200 N，每加载完一级后设置试验装置为力保持状态，待测完各项试验数据以后进行下一步加载，然后重复上述正式加载步骤，直至试件拉伸到破坏，破坏以后记录各项数据，最后卸载拆卸装置。

3 试验结果及分析

经过加载试验，两种构件试验开裂荷载及破坏荷载平均值主要结果比较列于表3。从表中可以看出，采用UHPC湿接缝的试件开裂荷载（本文中的开裂荷载指使用裂缝观测仪所能捕捉到的宽度为0.01 mm的裂缝）和极限荷载都远高于普通混凝土湿接缝构件。普通混凝土接缝板对应的开裂荷载为2.56 kN，以普通混凝土接缝板开裂荷载作为1，则UHPC矩形接缝板为普通混凝土接缝板的278.5%。关于开裂位置方面，虽然普通混凝土矩形接缝板和UHPC矩形接缝板均在接缝界面处开裂，但同样为矩形湿接缝时，UHPC与原混凝土的界面粘结强度明显好于普通混凝土，可以看到UHPC作为湿接缝在轴拉性能方面远远优于传统的普通混凝土湿接缝。

表3 接缝试验结果平均值比较Table 3 Comparison of the average values of joint test results

在极限荷载下接缝板破坏时，2种接缝型式的构件破坏方式如图3试件破坏模式对比所示。3块普通混凝土接缝板对应的极限荷载平均值为17.26 kN，以此为基准1，那么UHPC矩形接缝板为普通混凝土接缝板的232.1%。在试件开裂之前，混凝土和钢筋共同受力，待构件开裂以后，荷载均由钢筋进行承担，由于钢筋采用绑扎的形式，因此最终试件破坏状态均为钢筋从后浇筑湿接缝混凝土中拔出而破坏，为脆性破坏，可以说钢筋与后浇筑湿接缝的锚固长度决定了破坏上限，而同为矩形接缝时由于UHPC骨料级配较小，相对于普通混凝土而言有着与钢筋更好粘结强度，故UHPC湿接缝拥有更高的极限荷载，如图3所示，两种材料矩形接缝型式破坏时均为湿接缝被拉裂。值得注意的是普通混凝土湿接缝界面破坏时新老混凝土粘结非常少，而UHPC湿接缝界面处粘结了许多普通混凝土，说明UHPC作为湿接缝时与旧混凝土具有更好的咬合力。

图3 破坏模式对比Figure 3 Comparison of the destruction mode

两种接缝型式的荷载与主裂缝宽度曲线如图4所示，依次进行记录主裂缝宽度随着荷载变化的趋势，两种接缝板的初裂缝最终均发展成为了主裂缝。从图4中可以看出，在裂缝发展阶段UHPC接缝板在同等裂缝宽度的情况下载荷能力要强于普通混凝土接缝板，说明UHPC确实具有着更优异的抗拉性能；2种接缝型式的荷载与应变曲线如图5所示，在构件开裂之前，随着拉力增加钢筋的应变呈线性变化，在构件开裂时，钢筋的应变突变，在构件开裂以后，荷载应变曲线仍然呈线性变化，但此时斜率小于未开裂之前的斜率，因为构件的抗拉刚度从开裂前的钢筋混凝土共同提供转化为了钢筋单独提供。当接缝处的界面已经完全破坏后，相当于仅张拉钢筋，所以继续张拉构件已经无实际意义；两种接缝型式的荷载与位移曲线如图6所示，从图中可以看出，在试件开裂以前，两种试件抗拉刚度均为钢筋与混凝土的组合效果，此时试件随荷载增加位移增加较小，试件开裂时，可以发现荷载位移曲线有了明显的转折，转折点的荷载对应试件开裂荷载，试件开裂后混凝土丧失了抗拉能力，此时试件的抗拉刚度已转为钢筋自身的抗拉刚度，而试件在破坏时钢筋未达到屈服强度，因此开裂后荷载位移曲线大致呈线性变化，且接近脆性破坏的时候位移增加稍快。综合上述试验结果的对比可以得出结论，UHPC作为湿接缝时轴拉性能远高于传统的NC湿接缝，UHPC可以考虑作为湿接缝代替传统的NC湿接缝。

图4 荷载-主裂缝宽度曲线Figure 4 Load-main crack width curve

图5 荷载-应变曲线Figure 5 Load-strain curve

图6 荷载-位移曲线Figure 6 Load-displacement curve

4 有限元模拟

4.1 本构关系与有限元模型

本文采用的有限元分析软件为Abaqus，用Abaqus分析时混凝土采用损伤塑性模型来计算，采用的普通混凝土受拉的本构关系如图7所示，该本构是根据混凝土结构设计规范中的数据所得［9］。采用的UHPC受拉本构如图8所示，该本构数据参考了参考文献4中的试验结果。在考虑单元模拟方面，UHPC和NC均采用C3D8R单元进行模拟，试件里钢筋采用T3D2模拟。其余的混凝土和钢筋细节参数如表4所示。在界面模拟方面，因目前国内对UHPC接缝研究较少，因此有限元分析时比较重要的原NC与UHPC接缝界面之间的接触问题，参考国外学者的做法，其界面用traction-separation粘结单元来模拟，而非使用常规的硬接触与摩擦系数去定义［10］。有限元模型的网格划分如图9所示，分析步按实际加载方式来模拟。

图7 NC受拉本构关系Figure 7 The pull constitutive relation of NC

表4 有限元材料参数Table 4 Material parameters of the FE

图8 UHPC受拉本构关系Figure 8 The pull constitutive relation of UHPC

图9 有限元模型网格划分Figure 9 Mesh of the FE model

4.2 有限元结果与试验对比

通过有限元计算得到理论分析的开裂荷载和破坏荷载，NC接缝板的理论与试验结果对比如图10所示，UHPC接缝板的对比图如图11所示，从图中可以看到试验与有限元分析结果相差在5%以内，且有限元模型模拟的开裂位置与试验保持一致，两种接缝板均为接缝界面处。有限元结果反映了NC与UHPC接缝界面用traction-separation粘结单元来模拟的合理性和准确性。分析试验与有限元误差的原因一方面是材料的弹性模量及其他材料参数很难100%的模拟准确。另一方面有限元模拟力加载时可以做到绝对轴心受拉，而试验基本不可能做到完全的轴线加载，试验时可能会附带出现小部分偏心影响。