聚羧酸减水剂对型钢混凝土界面黏结性能的影响

2021-09-03周乐,张欣

沈阳大学学报(自然科学版) 2021年4期

周乐,张欣

(沈阳大学 a.建筑工程学院,b.辽宁省环境岩土工程重点实验室,辽宁沈阳 110044)

型钢混凝土组合结构具有刚度大、抗震性能好、承载力强等显著优越性,被广泛应用于高层及超高层建筑中.同时,国内高强钢材及高性能混凝土的制备及应用也推动了型钢混凝土组合结构的应用.在一定承载力范围内,型钢与混凝土可以协同工作,从而实现界面的应力传递.但是型钢与混凝土的协同工作依赖于界面的黏结作用,随着载荷的不断增大,由于2种材料存在变形差,这种黏结力会逐渐减小,使界面出现黏结滑移现象,大大降低了型钢混凝土的受力性能.因此,型钢混凝土的界面黏结性能研究在学术界和工程界中备受重视.

国内外诸多学者对型钢混凝土的界面黏结性能进行了相关试验及有限元模拟研究.赵鸿铁等[1]对型钢混凝土黏结滑移研究现状进行了综述,总结并分析了型钢混凝土黏结滑移的本构关系、基本方程及影响因素.杨勇等[2]通过正交试验法,研究了混凝土强度等级、型钢埋置长度、横向配箍率、混凝土保护层厚度等影响因素对型钢混凝土黏结滑移性能的影响,并根据试验结果提出了型钢混凝土平均黏结应力-加载端滑移本构关系的数学模型.郑山锁等[3]通过型钢高强高性能混凝土简支梁试验,分析了界面黏结软化机理及局部黏结强度的影响因素,建立了型钢与混凝土界面黏结滑移分析的理论模型.李俊华等[4]对型钢混凝土柱进行低周反复加载,研究了在弯矩、轴力、剪力作用下型钢混凝土柱的黏结性能,建立了黏结滑移本构关系及恢复力模型,为型钢混凝土柱在地震作用中的反应提供了一定的参考.王斌等[5]、李磊等[6]对型钢混凝土的界面黏结性能进行研究,得出了基于能量的型钢混凝土界面脱黏准则.杨勇[7]在型钢混凝土的试验方法研究中,发明了一款新型实用的内置式钢-混凝土电子滑移传感器,并用ANSYS软件对型钢混凝土黏结滑移进行了有限元模拟,为型钢混凝土的黏结滑移研究提供了有限元理论分析.林海量[8]通过试验和ABAQUS有限元模拟对型钢-ECC黏结滑移进行了分析,试验和模拟结果吻合良好.李磊等[9]对型钢高强高性能混凝土的界面强化机理进行研究,得出聚羧酸减水剂对型钢混凝土的界面层有强化作用,可以缓解裂缝应力集中,改善界面层的内部应力状态的结论.

目前流行的聚羧酸高效减水剂可以增强混凝土的弹性模量、抗压强度、抗劈裂等力学性能.周乐等[10-12]通过研究负载下外包钢筋混凝土加固钢柱的轴压静力试验,得出混凝土强度对构件的承载力及变形能力都有显著的提升作用的结论.通过对负载钢柱进行无外包钢筋混凝土的方法进行加固,经过试验和有限元分析,证明混凝土强度越高,可越有效地提高正截面承载力及改善构件的刚度.可见,混凝土的强度是影响试件极限承载力的首要因素.目前大多数研究集中于混凝土强度对型钢混凝土的极限承载力的影响,对于聚羧酸减水剂及混凝土性能在型钢混凝土的界面黏结性能的影响方面研究较少.

针对聚羧酸减水剂可以增强混凝土性能,从而可进一步影响型钢混凝土的黏结性能这一问题,本文通过有限元模拟和理论分析,引入cohesive黏结单元,模拟型钢混凝土推出试验,得到相应的载荷-滑移曲线.定义了聚羧酸减水剂对混凝土弹性模量的增强系数,对添加聚羧酸高效减水剂的型钢混凝土的黏结滑移相关计算公式进行了参数修正,得到了求解添加聚羧酸减水剂的型钢混凝土的化学胶结力修正公式.结合有限元模拟和理论公式推导求解,分析了混凝土强度、型钢强度、聚羧酸减水剂对型钢混凝土界面化学胶结力影响作用,为型钢混凝土黏结滑移有限元分析和界面化学胶结力求解提供一定的参考依据.

1 型钢混凝土推出试验有限元模拟

1.1 试件设计

为研究型钢混凝土的黏结滑移性能,通过有限元软件ABAQUS模拟型钢混凝土的推出试验,得到型钢混凝土界面黏结层的残余载荷和极限载荷.模拟的参数为混凝土的强度和型钢强度,共设计了3个构件,其构件尺寸及参数如表1所示,3个构件长度均为900 mm,都采用热轧HW100×100型钢,箍筋采用直径为8 mm的HPB300级钢筋,纵筋采用4根直径为12 mm的HRB335级钢筋,混凝土保护层厚度为50 mm.构件的截面尺寸为200 mm×200 mm,其截面尺寸如图1所示.

1.2 材料参数及本构关系

1.2.1 材料参数

1)混凝土.有限元模拟中采用表1中C50、C70两种强度等级的混凝土,其中强度等级为C50的混凝土弹性模量为43.5 GPa,强度等级为C70的混凝土弹性模量为51.4 GPa.

表1 构件尺寸及参数Table 1 Component dimensions and parameters

2)钢材.有限元模拟中采用的Q345、Q235、HPB300、HRB335的材料参数如表2所示.

表2 钢材参数Table 2 Steel parameters

1.2.2 混凝土本构关系

1)混凝土应力-应变曲线.混凝土采用塑性损伤模型,采用文献[13-14]的混凝土单轴应力-应变曲线,如式(1)、式(2)所示.

① 混凝土单轴受压时的应力-应变曲线表达式采用

(1)

② 混凝土单轴受拉时的应力-应变曲线表达式采用

(2)

2)混凝土塑性控制参数.混凝土塑性参数中膨胀角为30°,流动势偏移值为0.1,初始双轴抗压应力与初始单轴抗压应力的比值为1.16,屈服常数为0.666 7,黏性系数为0.005.

1.2.3 钢材本构关系

模型中钢材采用双折线理想弹塑性模型[8]如图2所示,E0代表上升段的切线模量,fy代表钢材屈服强度,εy代表钢材屈服应变.

图2 双折线理想弹塑性模型Fig.2 Ideal elastic-plastic model of double fold line

1.2.4 cohesive黏结单元

模型中采用cohesive黏结单元作为型钢混凝土中的黏结层,采用牵引-分离模型,如图3所示.图中:τu为极限牵引力;Su为黏结层初始破坏位移;Sf为黏结层破坏位移;Ke为黏结界面弹性刚度;Ks为黏结界面软化刚度;Gc为耗散的能量.

图3 牵引-分离模型Fig.3 Traction-separation model

cohesive黏结单元损伤准则采用最大名义应变准则如式(3)所示,通过黏结强度-滑移关系建立型钢混凝土界面层的本构关系.

(3)

1.3 型钢混凝土黏结滑移有限元模型

1.3.1 建模步骤

1)根据型钢混凝土截面尺寸图,建立型钢、混凝土、cohesive、箍筋、钢筋等5个部件,选择合适的单元类型,根据材料参数和本构关系相应地赋予各个部件材料属性.

2)将各个部件进行装配,钢筋和箍筋通过旋转、移动、阵列等合并成一个新的钢筋骨架.

3)将钢筋骨架嵌入到混凝土中,通过tie绑定型钢与cohesive单元、混凝土与cohesive单元.建立参考点,便于建立边界条件,施加载荷.

4)根据模型建立合适的分析步.

5)建立边界条件:混凝土底面进行完全约束,顶面约束平动自由度,对型钢进行位移加载.其幅值采用平滑分析步,如图4所示.

图4 平滑分析步曲线Fig.4 Smooth analysis step curve

6)对各个部件指派相应的属性,通过整体法分割构件,划分网格.

1.3.2 有限元模型

模拟有限元模型装配图、型钢网格划分图、混凝土网格划分图、cohesive单元网格划分图分别如图5～图8所示.

图5 有限元模型装配Fig.5 Assembly of finite elementmodel

图6 型钢网格划分Fig.6 Meshing of section steel

图7 混凝土网格划分Fig.7 Meshing of concrete

图8 cohesive单元网格划分Fig.8 Meshing of cohesive element

1.3.3 模型变形图

模拟有限元模型的混凝土变形图、型钢变形图、cohesive单元变形失效图如图9～图11所示.

图9 混凝土变形Fig.9 Deformation concrete

图10 型钢变形Fig.10 Deformation of section steel

图11 cohesive单元变形失效Fig.11 Failure of cohesive element deformation

2 型钢混凝土黏结滑移影响因素分析

2.1 混凝土强度

通过SRHC-1与SRHC-2两组型钢混凝土推出试验,比较混凝土强度等级对型钢混凝土界面黏结载荷-滑移曲线的影响.SRHC-1采用C70混凝土,SRHC-2采用C50混凝土,模拟分析得出的加载端的载荷-滑移曲线如图12所示.

图12 不同混凝土强度的型钢混凝土载荷滑移曲线Fig.12 Load-slip curves of steel reinforced concrete with different concrete strengths

由载荷-滑移曲线图可以看出,SRHC-1界面极限载荷是SRHC-2的1.23倍.因此,证明混凝土等级越高,型钢混凝土界面的黏结力越大,胶合作用越强.

2.2 型钢强度

通过SRHC-1与SRHC-3两组型钢混凝土推出试验,比较混凝土强度等级对型钢混凝土界面黏结载荷-滑移曲线的影响.SRHC-1采用Q345级型钢,SRHC-3采用Q235级型钢,模拟分析得出的加载端的载荷-滑移曲线如图13所示.

图13 不同型钢强度的型钢混凝土载荷滑移曲线Fig.13 Load-slip curves of steel reinforced concrete with different steel strength

由图13可以看出,SRHC-1与SRHC-3的界面极限载荷很接近,2组构件的载荷-滑移曲线几乎重合.因此,型钢等级对型钢混凝土界面的黏结力影响很小,可以忽略不计.

2.3 混凝土的弹性模量增强系数

聚羧酸减水剂对混凝土的弹性模量有一定的增强作用,根据文献[15]可知,添加质量分数为1%的聚羧酸减水剂的混凝土弹性模量为不添加减水剂的混凝土弹性模量的1.194倍.可见聚羧酸减水剂对混凝土弹性模量的影响较大.

取η=1.194,则有限元模拟中掺加聚羧酸减水剂后,强度等级为C50的混凝土弹性模量为51.9 GPa,强度等级为C70的混凝土弹性模量为61.4 GPa.

3 化学胶结力求解和影响分析

3.1 基本假定

1)由于型钢混凝土之间凹凸不平的作用极其微小,因此忽略型钢混凝土之间的机械咬合作用,型钢混凝土之间的黏结应力τ=τc+τf.

2)型钢混凝土在不发生滑移的阶段满足变形协调条件,当两者发生滑移时该条件不成立.

3)型钢混凝土在全部滑移阶段时,由于两者之间的化学胶结力已经消失,则两者间的黏结应力τ=τf.

3.2 型钢混凝土化学胶结力求解

根据文献[17]可知,型钢混凝土黏结滑移分为无滑移、局部滑移、全部滑移3个阶段,根据3个阶段的受力平衡可求得型钢混凝土的化学胶结力.则求解过程如下.

在局部滑移极限状态的受力平衡方程为

Pu=C(τfl1+τcl2).

(4)

式中:Pu为试件的极限载荷;C为型钢截面周长;τf为型钢混凝土的摩擦应力;τc为型钢混凝土的胶结应力;l1为局部滑移状态下的型钢滑移长度;l2为局部滑移状态下的型钢未滑移长度.

在全部滑移阶段的受力平衡方程为

Pr=τflC.

(5)

式中:Pr为试件的残余载荷;l为型钢埋置在混凝土中的长度,l1+l2=l.

根据受力平衡,在外载荷作用下,沿着型钢埋置长度方向的黏结应力在该方向上的积分与外载荷大小相对.

(6)

式中:P为试件承受的外载荷,由假设可知,全部滑移阶段:τ(x)=τf.

根据文献[17]可知,型钢混凝土试件的滑移长度为

x1=P/[(1+ξ1β)τfC].

(7)

添加聚羧酸减水剂后,型钢混凝土试件的滑移长度为

x2=P/[(1+ξ2β)τfC].

(8)

将式(4)～式(7)联合求解,得到不添加减水剂型钢混凝土的化学胶结力;联合式(4)～式(6)、式(8)求解,得到添加聚羧酸减水剂的型钢混凝土的化学胶结力.

3.3 聚羧酸减水剂的影响

根据聚羧酸减水剂对混凝土弹性模量的增强作用,设计模拟JSRHC-1、JSRHC-2两组模型,与表1中未添加减水剂的SRHC-1、SRHC-2两组型钢混凝土模型相比较.4组模型的参数如表3所示.

表3 4组模型参数Table 3 Parameters of four sets of model

根据表3模拟对比得出4组模型的载荷-滑移曲线如图14、图15所示.

图14 SRHC-1和JSRHC-1载荷滑移曲线对比Fig.14 Comparison of load-slip curves of SRHC-1 and JSRHC-1

图15 SRHC-2和JSRHC-2载荷滑移曲线对比Fig.15 Comparison of load-slip curves of SRHC-2 and JSRHC-2

由图14、图15可以得到4组模型载荷-滑移曲线的极限载荷和残余载荷数值,将数值统计成表格,如表4所示.

表4 4组模型载荷滑移曲线的极限载荷和残余载荷Table 4 Ultimate load and residual load of load-slip curves of four sets of model

根据式(4)～式(8)可以计算出添加聚羧酸减水剂和未添加聚羧酸减水剂的型钢混凝土化学胶结力,计算结果如表5所示.从表5可以看出,在其他条件相同的情况下,JSRHC-1与SRHC-1相比,添加聚羧酸减水剂的型钢混凝土界面化学胶结力是未添加聚羧酸减水剂组的1.134倍;JSRHC-2与SRHC-2相比,添加聚羧酸减水剂的型钢混凝土界面化学胶结力是未添加聚羧酸减水剂组的1.259倍.证明聚羧酸减水剂对型钢混凝土界面黏结作用明显,在型钢混凝土黏结滑移问题中应予以考虑.