预制桥面板UHPC湿接缝的界面受力性能研究

2021-05-13何永波林上顺夏樟华叶世集

水利与建筑工程学报 2021年2期

何永波，林上顺，夏樟华，叶世集

(1.福州大学土木工程学院，福建福州 350108；2.福建工程学院土木工程学院，福建福州 350118)

预制桥面板质量可控、施工快速，且能够有效减少建设过程对周边环境的不利影响，已经列入美国桥梁快速施工计划(Accelerated Bridge Construction，ABC)的重要研发方向之一，在我国也得到了广泛的应用[1]。而对于预制桥面板来说，湿接缝不仅是影响其速度的重要因素之一[2]，而且接缝开裂后造成单梁受力，易影响桥梁耐久性和安全性[3]。现阶段，我国主要使用普通混凝土组成的焊接环形钢筋湿接缝，湿作业量大、施工速度慢且界面粘结性能不佳。而超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)作为超高强的水泥基材料，能够有效的减少湿接缝宽度及大幅度提高结构的承载能力及使用寿命[4-5]，目前国外已经将其广泛用于湿接缝中。

现阶段，国内外关于预制桥面板湿接缝研究较多。朱玉等[6]将环形钢筋湿接缝受力机理与PBL进行相似性分析，并借鉴其公式推出了计算环形钢筋重叠长度的计算公式。张永涛等[7]将使用UHPC湿接缝的预制桥面板与普通混凝土湿接缝桥面板进行对比，得出了UHPC湿接缝能够在不减少其承载力的情况下减少其接缝长度的结论。张阳等[8]使用有限元对不同截面形式的UHPC接缝进行对比，建议使用楔形与菱形湿接缝。目前文献中，对UHPC湿接缝进行有限元模拟中最经常使用的软件为ABAQUS。现阶段，ABAQUS中对UHPC与普通混凝土间的界面关系模拟主要有绑定约束Tie、接触摩擦模型及内聚力模型三种。虽然以上3种接触关系均被广泛地应用于数值分析中，但究竟哪种接触关系能够与试验结合吻合最好以及它们相互之间在模拟时存在的差异，目前相关研究却很少。

因此，笔者在以往学者研究的基础上，选择实际试验文献作为依据，以上述3种约束和接触关系分别建立与其条件相同的有限元模型并进行数值分析。而后将数值分析结果与试验数据进行对比以验证此3种接触关系的各自特点与精确度并确定出其中较适于UHPC湿接缝分析的约束与接触关系。

1 ABAQUS中的3种约束与接触关系

1.1 绑定约束(Tie)

绑定约束主要限制模型节点之间自由度及转动等，使其具有“绑定”的效果，且能够使模型在节点之间传递运动关系，即使两个区域网格是不协调的情况下。在刚度数据传递上相当于两个面刚性连接,绑定区域不发生相对运动和变形，刚度较大;在约束形式上Tie约束为面对面的约束，主要用于点和面以及面与面之间。目前将其用于模拟UHPC-普通混凝土间的约束关系，主要基于UHPC极佳的粘结性能，界面间并不会产生较大分离情况。此外，使用绑定约束(Tie)能够大大减少程序分析时间。

1.2 接触摩擦模型

接触摩擦模型采用理想化的经典库仑摩擦模型来计算摩擦力，认为等效剪应力τeq小于临界剪应力τcrit，则两物之间无相对滑动；反之，两物之间开始相对滑动,如图1所示。接触面的临界剪应力由以下公式计算：

τcrit=μp

(1)

式中：τcrit为临界剪应力；μ为摩擦系数；p为接触应力。而等效剪应力的计算由两正交方向的剪应力组合得到：

(2)

图1 库仑摩擦模型示意图

目前，研究者通常根据预制普通混凝土的界面粗糙程度与模拟计算后与实际的相符情况综合确定摩擦系数μ，取值范围为0.2～0.8之间[9]。

1.3 内聚力模型

内聚力模型属于损伤模型，其损伤规律通过选定相应的损伤起始准则与损伤演化规律来实现。目前，在ABAQUS中较常使用的准则有最大应变准则、二次应力准则、二次应变准则和最大应力准则，考虑到在静力加载下粘聚面之间主要存在法向应力与切向应力，因此本文对UHPC与普通混凝土界面的损伤准则采用二次名义应力准则(Quade Damage)，准则所用公式如式(3)所示。

(3)

图2 Traction-separation 本构模型

损伤演化规律主要可基于等效相对位移及损伤过程所耗能量进行定义，由于目前只有Hussein等[10]基于试验确定了不同粗糙程度的UHPC与普通混凝土间的等效相对位移，所以本文选取等效相对位移定义损伤演化规律，Hussein等由试验确定的不同粗糙度类型的UHPC与普通混凝土界面特性参数如表1所示。

表1 界面特性参数表

2 试验文献选择及数值模型的建立

2.1 试验文献的选择

文献[7]对使用UHPC湿接缝的桥面板进行了静力加载试验，本文选取其中JF-2试件作为使用不同约束与接触关系的数值模型的参考对象。JF-2试件使用不搭接U形钢形钢筋UHPC湿接缝对预制桥面板进行连接，钢筋布置形式如图3所示。试件整体尺寸为3.00 m×0.50 m×0.25 m，预制桥面板混凝土强度为C50，板内钢筋均使用直径16 mm的HRB335钢筋，U形钢筋纵向间距0.09 m，横向分布钢筋间距为0.15 m，钢筋保护层厚度取20 mm，预制桥面板湿接缝宽度为30 cm，试件接缝细部构造如图4所示。

图4 接缝详细构造(单位：mm)

2.2 有限元模型的建立

采用ABAQUS建立与上述文献试件完全相同的有限元模型。该模型主要由普通混凝土、UHPC、钢筋组成，前二者采用实体单元C3D8R，钢筋则采用线性桁架单元T3D2。在进行网格划分时，将UHPC湿接缝与其周边预制桥面板进行细分，网格尺寸为25 mm，其余部分网格尺寸为50 mm。有限元模型如图5所示，铰支座与加载端均使用刚度很大的钢垫块进行模拟，加载时通过加载垫块将荷载传递至桥面板，加载模式为弯曲静力加载。钢垫块与桥面板间使用绑定约束(Tie)，钢筋内置(Embedded)于桥面板中。文献[7]中试件接缝经特别处理，表面较为粗糙，因此在数值模拟时内聚力模型参数使用表1中粗糙界面属性，接触摩擦模型中摩擦系数取0.4。

图5 UHPC接缝桥面板有限元模型

普通混凝土与UHPC材料本构使用混凝土塑性损伤模型，该模型可对材料的拉裂与压碎等力学现象进行模拟[11]。普通混凝土拉压本构采用混凝土结构设计规范[12]计算模型。钢筋不考虑塑性硬化效应，采用理想弹塑性模型[13]，屈服强度为440 MPa。UHPC的拉压本构关系采用文献[14-15]提出的公式：

(4)

(5)

式中：σ为应力；fct为UHPC抗拉强度；fc为UHPC抗压强度;ε为应变；εca为受拉初裂应变；εpc为受拉极限应变；ξ=ε/ε0，ε0为受压峰值点对应的应变;n=Ec/Es,Ec为初始弹性模量;Es为峰值点割线模量。

3 与试验数据的比较与分析

3.1 与试验结果破坏形态的对比

实际试验试件的破坏模式为弯剪破坏，破坏过程主要为在荷载作用下，跨中纯弯段首先产生多条竖向裂缝后，由于预制桥面板普通混凝土相比UHPC强度较弱，因此剪跨段出现斜裂缝延伸至顶板后试件随之破坏，如图6(a)所示。而使用内聚力模型有限元模型破坏图基本与试件实际破坏现象一致，都为纯弯段出现多条竖向裂缝，而后剪跨段出现斜裂缝后破坏，如图6(d)所示。但内聚力模型能够输出UHPC与普通混凝土界面损伤图，如图6(e)所示，图中显示接缝下侧边缘都已完全损伤，与实际下侧出现贯通裂缝相符。而其中绑定约束与接触摩擦模型最终破坏图与实际存在差异，前者剪跨段裂缝与实际存在出入，而后者纯弯段界面处未出现竖向裂缝且此处竖向裂缝数量较少，如图6(b)、图6(c)所示。

3.2 与试验结果数据的对比

3.2.1 荷载-挠度曲线

使用不同约束接触的有限元模型荷载-挠度关系曲线见图7，通过UHPC湿接缝破坏过程可知，UHPC湿接缝在竖向荷载加载下可分为弹性、弹塑性与屈服三个阶段，有限元模型荷载-位移曲线也明显的呈现出了三个阶段，与实际试件吻合。三个模型在前两个阶段曲线基本重合，只是在屈服阶段有着较大的差异，其中使用绑定约束与内聚力模型的模型与实际较为符合，刚度下降较少，而使用接触摩擦的模型因为在进入塑性阶段后，界面剪应力已大于临界剪应力，造成界面分离度较大已接近破坏边缘，因而曲线平缓，荷载随位移增长基本无变化。

3.2.2 荷载-受拉钢筋应变曲线

承受竖向荷载作用时，UHPC湿接缝桥面板抗弯承载力大部分由下侧受拉钢筋提供。因此，提取有限元模拟受拉侧钢筋中的应变值以分析试件破坏过程，构成荷载关系曲线如图8所示。结果表明在竖向荷载作用下，钢筋应变值随荷载增大而增大，基本过程与荷载-位移曲线趋势一致。当试件荷载达到极限前，受拉侧钢筋应变值均达到屈服。

图6 试件试验与有限元裂缝分布对比图

图7 跨中荷载-位移曲线

图8 受拉钢筋荷载-应变曲线

3.2.3 不同约束接触方法有限元对比验证

为验证不同约束接触方法有限元模型的可行性与差异，故将有限元分析与文献[7]中原型试验结果进行对比分析，如表2所示。

表2 有限元结果对比分析表

由表2可知，绑定约束模型与内聚力模型与实际试件初裂荷载与极限荷载相对误差均小于10%，有较大的精确度，而接触摩擦模型在极限荷载上与实际构件相差较大，精确度较低。此外，笔者经过多次尝试发现只提高摩擦系数虽然会使得荷载有所增加，但却会使得极限荷载所对应的位移与实际情况不符。由此可知，针对该类UHPC接缝板进行研究时，使用绑定约束与内聚力模型均有较大的精确度，可根据情况选择其中一种方法进行模拟。