装配式节段梁UHPC湿接缝界面力学性能数值模拟分析

殷 雨 时， 杨 纪， 苏 庆 田， 张 冠 华， 易 富， 王 吉 忠

( 1.同济大学 土木工程学院， 上海 200092；2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司， 辽宁 沈阳 110166；3.辽宁工程技术大学 建筑与交通学院， 辽宁 阜新 123000；4.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

2025年我国装配式建筑比例占新建比例要在50%以上，部分城市要求70%以上，装配式结构已然成为未来建筑发展的主体[1]．装配式桥梁结构能缩短约30%工期，节省约70%模板、90%木材、30%用电、50%用水，施工现场能够降低约60%施工噪音，减少约80%建筑垃圾．可见，节能减排效果明显，社会经济效益显著，应用市场前景十分广阔．

桥梁工程建筑装配式整体性能薄弱环节之一，为节段梁湿接缝现浇位置．业内虽已明确认知湿接缝的重要性，但目前桥梁工程建设湿接缝施工中还存在严重工艺不足，反映在湿接缝构造和缝内填充材料上．首先在湿接缝构造上，大多仍延续传统菱形接缝和矩形接缝，导致界面黏结性能不好，局部刚度不稳定，整体性能一般．国外开展装配式节段梁研究工作较早，Makita等[2-6]通过引入超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)，研究了UHPC试件轴拉力学性能，并对矩形和菱形接缝构造下UHPC在接缝处和结构整体力学性能上进行研究．邵旭东、苏庆田、林上顺等[7-12]研究了矩形接缝和菱形接缝尺寸、接缝钢筋布置样态、接缝凿毛情况和界面干湿度对节段梁结构整体力学性能的影响，研究结果表明矩形和菱形接缝构造对界面力学性能影响不大，随着接缝配筋率增加，接缝力学性能不断得到提升，接缝处湿黏结界面相比黏结界面不利于界面黏结．胡志坚等[13]采用ABAQUS有限元模拟手段，分析了弯矩作用下预制拼装桥面板菱形UHPC湿接缝抗弯性能，对不同缝宽、湿接缝界面形式、配筋率的桥面板有限元模型进行了参数化分析，得到菱形接缝构造优于矩形接缝构造，缝宽宜采用150 mm，且配筋率对开裂荷载影响不大，缝内配筋率不宜超过2.6%的结论．其次在湿接缝填充材料上，普遍采用节段梁同一强度等级的混凝土，或采用抗裂水泥[14]进行填充密实，受载后湿接缝界面处剥离问题仍大量出现，导致新旧混凝土界面黏结失效，薄弱面开裂面积不断扩大，产生影响桥梁工程使用寿命和耐久性等一系列不良问题．目前国内规范、规程关于接缝混凝土抗裂构造及施工仍属空白[15-17]，长期处于一种借鉴、探索，边研究边改进的现状．因此高度关注湿接缝构造形态，强调湿接缝填充料本身重要贡献，提升接缝处开裂荷载，提高结构极限承载力，对于完善装配式桥梁工程科学研究和工程设计具有重要现实意义．

材料性能的提高是桥梁工程不断进步的源动力．本文以结构局部改良、材料改性为出发点，以节段梁湿接缝位置为研究对象，提出以UHPC为湿接缝填充材料构造“干”字形湿接缝结构，采用界面力学和有限元法计算原理，利用ABAQUS软件分析湿接缝界面构造、配筋率和结合面粗糙度对节段梁湿接缝界面力学性能影响规律，提出适用装配式混凝土桥梁湿接缝构造形态、界面处理方式和合理配筋率，以期对装配式混凝土梁湿接缝设计和施工提供理论科学依据．

1 装配式混凝土梁有限元分析

1.1 有限元模型本构关系

ABAQUS提供了3种混凝土本构模型：脆性开裂模型、弥散裂缝模型和损伤塑性模型．聂建国等[18]对混凝土本构模型中影响结构或构件静力行为的关键因素进行了详细的对比分析，提出了不同混凝土材料选取适用本构模型的建议．Chen等[19]认为混凝土损伤塑性(CDP)模型能更好地模拟混凝土构件受力变形性能．该模型假定混凝土拉压塑性各向同性，通过受拉软化模拟受拉微裂纹的形成和扩展，通过受压应力硬化及下降段的应变软化模拟混凝土的受压塑性．故本文采用混凝土损伤塑性模型．C40混凝土本构关系根据混凝土结构设计规范[16]计算得出．钢筋采用理想弹塑性模型，屈服强度为335 MPa，极限抗拉强度为455 MPa．

UHPC的受压应力-应变曲线采用文献[20]提出的公式，如下式所示：

(1)

式中：σ为压应力；x=ε/ε0，ε为压应变，ε0为峰值点对应的应变；a为UHPC受压应力-应变曲线初始切线模量与峰值割线模量的比值．

UHPC受拉本构关系采用文献[21]中的受拉应力-应变关系，如下式所示：

(2)

式中：ft取7.2 MPa；Et为UHPC受拉初始弹性模量；εt0为UHPC受拉线弹性极限应变，εt0=200×10-6；εpc为UHPC应力软化起始点等效应变，εpc=2 000×10-6．

装配式混凝土梁现浇UHPC段与节段梁接触设置是建立模型的关键．Hussein等[22]认为使用黏结单元(Traction-Separation)来模拟UHPC与普通混凝土的结合面更有实际意义．由于加载条件下破坏由法向应力和切向应力共同作用所致，本文对于UHPC-普通混凝土界面损伤选取二次名义应力准则，结合面的相对滑移选择小滑移，同时设置表面间接触．Traction-Separation常用本构模型为双线性本构模型，如图1所示．普通混凝土和UHPC界面二次名义应力准则的表达如下式所示：

(3)

图1 黏结-滑移双线性本构关系

1.2 有限元模型建立

为分析在弯曲应力作用下，装配式混凝土节段梁湿接缝构造形式、配筋率和界面粗糙度对湿接缝界面力学性能影响规律，本文建立10个装配式混凝土节段梁有限元模型，节段梁模型整体尺寸为1 100 mm×300 mm×200 mm，同时对湿接缝区域进行网格细化，网格尺寸为1 cm，其余位置网格尺寸为1.5 cm．采用四点弯曲方式10 mm位移控制加载，如图2，Bi为接缝宽度．UHPC和普通混凝土均采用八节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)模拟，在赋予材料属性和本构关系中进行区别．钢筋采用三维二节点桁架单元T3D2模拟，并嵌入混凝土中，300 mm梁高上分布4层搭接钢筋，每层上下错开布置4根钢筋，梁底层受拉区布置3根受拉钢筋，见图3．支座(垫块)设置为离散刚体，利用绑定约束与主梁实体连接．

(a) 菱形UHPC湿接缝

图3 模型中湿接缝钢筋搭接形式

1.3 有限元模型参数设置

为了分析湿接缝构造形式、配筋率和界面粗糙度对湿接缝界面力学性能影响规律，采用正交试验分析思路，形成试验研究方案．由于接缝位置界面粗糙度对节段梁接缝黏结性能有一定影响[12]，构造3种不同程度的粗糙样态，分别在ABAQUS中通过参数设置为光滑(S)、中度粗糙(M)和粗糙(R)，见表1．模型材料物理参数、界面接触参数和界面粗糙度量值设置见表2、3．

表1 节段梁湿接缝参数试验设计

表2 有限元模型材料物理参数

表3 湿接缝界面接触参数

2 湿接缝数值模拟与分析

2.1 湿接缝构造形式对界面力学性能的影响

采用ABAQUS建立缝宽为150 mm、配筋率为2.1%且接缝为中等粗糙(M)的UHPC湿接缝，模型加载后与传统菱形接缝构造进行界面力学性能(界面黏结正应力σn、界面剥离位移sstr、界面切向剪应力τ)对比分析．其中菱形两个起坡点分别距梁顶高度h为45 mm和255 mm，菱形键齿最大深度为75 mm．界面黏结正应力和界面剥离位移如图4、5所示．

图4 接缝界面黏结正应力变化规律

图5 接缝剥离位移变化规律

2.1.1 界面黏结正应力和剥离位移 从图4可以看到，距节段梁顶0～150 mm，“干”字形湿接缝构造产生的黏结正应力明显高于菱形湿接缝的；距离梁顶150～300 mm时“干”字形构造接缝对于应力减小作用显著，最大可减小43%，这对于减少梁底开裂，防止钢筋和UHPC剥离起到了较好的抑制作用．

“干”字形湿接缝构造在抑制接缝界面剥离位移上要优于传统菱形接缝，见图5．尤其需要指出的是，在装配式节段梁的钢筋和UHPC界面处，“干”字形湿接缝构造显著减少了钢筋和UHPC之间产生的剥离位移．在距梁顶高250～300 mm时，处于受拉区的节段梁受到受拉钢筋黏结约束，界面剥离位移较小，当界面高度增加后，界面剥离位移增加，直至到梁底附近，再次受到受拉钢筋的约束，剥离位移再次减小．由此可以判断，菱形接缝界面在弯曲荷载作用下受拉区域已经出现剥离开裂，接缝处受拉钢筋布置会降低界面剥离位移，但无法阻止界面继续开裂，这是由菱形接缝界面构造形式所决定．“干”字形接缝在横截面高度达到275 mm(钢筋与UHPC连接处)时，相对于菱形接缝界面剥离位移减小83.7%，可见“干”字形接缝在约束接缝界面开裂上效果十分明显．

2.1.2 界面切向剪应力 为了分析“干”字形接缝构造对湿接缝界面切向剪应力影响规律，开展了ABAQUS切向剪应力CSHEAR1分析．这里切向剪应力方向定义如下：竖直接触面为沿着接触面竖直向下；水平接触面为水平指向节段梁方向；菱形斜界面为沿着斜面平行几何边界切向向下．

由于接缝构造形式不同，菱形湿接缝界面受剪面积明显大于“干”字形湿接缝界面的，荷载施加过程中菱形斜界面比“干”字形竖直界面的最大剪应力增大84.1%．“干”字形湿接缝构造仅在75 mm 处产生剪应力集中，距梁底75 mm范围内，接缝边界存在局部剪应力集中，但作用面积很小．与菱形湿接缝构造类似，“干”字形湿接缝在钢筋位置水平面上存在应力集中，同样出现钢筋-UHPC界面剥离开裂的情况，但剥离面积较小．

菱形接缝斜坡面的构造，对界面剪应力切向传递有逐步减弱作用．具体表现在当湿接缝承受正弯矩作用时，节段梁上部受压，上斜坡距离梁顶46～112 mm剪应力集中较为明显，最大切向剪应力出现在距梁顶75 mm处，达到3.09 MPa，随后随着距梁顶距离增加，切向剪应力逐渐减小，降低至0.61 MPa；下斜坡面应力相对趋于缓和，大应力和集中应力均未出现，如图6所示．

图6 接缝界面切向剪应力变化规律

总体来说，“干”字形湿接缝构造剪应力集中区域远小于菱形接缝，且出现钢筋剥离开裂的面积要更小．原因在于“干”字形UHPC和节段梁键齿相互嵌入，形成机械咬合作用，这种构造能大大削减剪切作用产生的局部破坏，将局部集中应力分散到键齿各个区位；而菱形湿接缝由于斜界面承受了绝大部分的剪应力，更易产生应力集中，加速接缝界面裂缝的开启．

2.2 湿接缝配筋率对界面力学性能的影响

2.2.1 界面黏结正应力和剥离位移 为了研究配筋率对湿接缝界面力学性能影响规律，分别以配筋率2.1%、4.8%和8.4%为参数，采用节段梁湿接缝宽度为225 mm，构造接缝界面粗糙度为中度的有限元模型开展数值模拟分析，分析结果如图7～10所示．

图7 不同配筋率下接缝界面黏结正应力变化规律

从图7可以看到，随着湿接缝配筋率的提高，界面黏结正应力未呈现同比例变化趋势．距离湿接缝梁顶高度0～75 mm，4.8%配筋率表现出略高的界面黏结正应力，增加幅度为26.65%；当高度超过150 mm后，各配筋情况对界面黏结正应力影响大致相同．

从图8可以看到，接缝宽度从150 mm增至225 mm后，湿接缝界面剥离面积随之增大．尤其到了梁底(225～300 mm)附近，钢筋和UHPC黏结所受影响变大，钢筋-UHPC界面剥离较为明显．模拟云图中多次出现应力集中点在曲线中表现为界面剥离点．另外曲线中发现距离湿接缝梁顶0～160 mm，配筋率对界面剥离位移无影响，而高度达160～300 mm时，由于剥离位移变化非常小(0～0.002 7 mm)，可认为剥离位移没有变化，即配筋率对于剥离位移影响很小．

图8 不同配筋率下接缝剥离位移变化规律

2.2.2 界面切向剪应力 从图9、10可以发现，整体上两种构造形式的接缝呈现阶段式效应，尤其“干”字形接缝呈现双峰效应．在距梁顶37.5 mm高度范围内，接缝构造形式和配筋率对切向剪应力没有影响，反映在切向剪应力数值均为零．说明在本文荷载工况下，两种界面构造形式和最低配筋率(2.1%)均对正弯矩梁顶开裂起到保护作用；当正截面高度达47～75 mm时，界面开始形成剪应力，且随着接缝配筋率增长，切向剪应力呈现逐渐降低的趋势．最大降低幅度均出现在距离梁顶56.25 mm处，“干”字形构造和菱形构造两种接缝构造切向剪应力分别降低29.24%和15.25%．值得说明的是，随着配筋率增加，“干”字形湿接缝构造切向剪应力数值突变较为明显，从距离梁顶48 mm处的降低11.13%提高至56.25 mm处的29.24%，75 mm处降低至11.97%，说明“干”字形构造对于湿接缝界面剪应力作用效果明显，且在钢筋布置处，剪应力出现集中减弱，这对于钢筋布置构造设计和防止钢筋与UHPC界面剥离非常有利．

图9 “干”字形接缝界面切向剪应力分布规律

图10 菱形接缝界面切向剪应力分布规律

2.3 湿接缝界面粗糙度对界面力学性能的影响

2.3.1 界面黏结正应力和剥离位移 为了分析界面粗糙度对湿接缝界面力学性能影响规律，分别采用光滑界面、中度粗糙界面和粗糙界面，构造湿接缝宽度为150 mm，接缝配筋率为2.1%的有限元模型开展有限元数值模拟分析，分析结果如图11、12所示．

图11 不同粗糙度下接缝界面黏结正应力变化规律

图12 不同粗糙度下接缝剥离位移变化规律

从图11可以看到，总体上，随着界面粗糙度变化，界面黏结正应力变化趋势随着装配式节段梁横截面高度改变呈现4个分布区段．分别为阶段Ⅰ，贴合区；阶段Ⅱ，启裂影响区；阶段Ⅲ，开裂区；阶段Ⅳ，完全剥离区．越靠近装配式梁顶，粗糙度对界面的黏结正应力影响越明显，随着正截面高度远离梁顶，界面粗糙度对界面黏结正应力影响变小，从曲线上可以发现，当高度大于175 mm后，3种粗糙度界面黏结正应力接近一致．

从图12可见，界面剥离位移在0.000 3～0.002 0 mm变化，可认为粗糙度对界面剥离位移影响很小．因此防止湿接缝受拉区受弯开裂，接缝界面粗糙化并不能改善其局部刚度状态．

2.3.2 界面切向剪应力 湿接缝粗糙度对界面切向剪应力影响分布规律整体上和黏结正应力呈正态相关性，这与混凝土界面力学研究工作中法向正应力和切向剪应力相互关系的结论是一致的，在节段梁研究工作[23-24]中也得到了体现．

从图13可以看到，随着正截面高度远离梁顶，界面切向剪应力逐渐减小．随着粗糙度逐渐增大，界面切向剪应力逐渐增加，但增加幅度并未随着粗糙度同比例增长．以最大粗糙度(R)为例，相比光滑(S)界面，其最大增加幅度27.04%出现在距离梁顶168.75 mm，即几何中轴略下位置处．这个过程与上文分析黏结正应力随高度分布规律类似，亦出现4个区段．可以发现，粗糙度对湿接缝界面黏结应力(正应力、切向剪应力)影响不大，尤其对于弯曲正应力梁底开裂段影响很小．从以上分析可以得到施工指导，即节段梁后浇筑UHPC，对于接缝界面粗糙程度对界面力学性能的影响可以忽略不计，只需考虑施工要求即可，可从湿接缝构造形式上，或通过节段梁间增加搭接钢板、预埋纤维网格布[25]等补强措施，提升湿接缝局部力学性能综合考虑，进而提高湿接缝界面抗剪能力．

图13 “干”字形接缝界面切向剪应力分布规律

3 模型的可靠性验证

采用ABAQUS开展装配式混凝土梁抗弯性能分析研究，并基于研究结论和目前试验研究结果做对比，对模型的可靠性进行验证．开展ABAQUS模拟装配式混凝土梁四点受弯破坏，重点之一在于关注湿接缝界面黏结失效样态．通过DAMAGET损伤破坏云图可以发现，在距离梁底1/2截面高度范围内界面应力高度集中，具体表现为距离梁底150 mm范围内出现了拉应力大于界面黏结应力的普遍现象，框格内出现明显的湿接缝界面剥离，如图14虚线框内所示．图15为石雪飞等[26]开展的菱形湿接缝节段梁四点弯曲破坏试验．从试验结果可以看到，湿接缝界面从菱形底端沿着界面向上开裂，直至延伸到界面高度1/2～3/4梁高处完全破坏．试验中先启裂的界面加载后期启裂速率相对较快，应力重新分配到湿接缝启裂界面裂隙尖端处．具体体现在接缝处左侧界面启裂失稳后，右侧界面不再剥离，以左侧剥离直至试件破坏为止，反之亦然．文献[26]的结论和建模对比分析进一步验证和解释了本文建模方法的可靠性和精度．

图14 菱形接缝整体梁四点弯曲试验加载损伤破坏云图

图15 菱形接缝四点弯曲试验界面破坏模式

4 结 论

(1)“干”字形湿接缝构造显著优于传统菱形接缝，其接缝界面处力学性能得到明显提升，界面附近的裂纹开启和扩展得到根本控制．

(2)“干”字形湿接缝剪应力集中区域要远小于菱形接缝，且出现界面剥离开裂的面积更小．“干”字形湿接缝在正弯矩受拉区对钢筋和UHPC 剥离起到了很好的抑制作用，最大剥离位移可减小83.7%．

(3)“干”字形湿接缝界面黏结正应力并不随配筋率增加而同比例提高，配筋率对界面切向剪应力影响呈双峰效应．本文工况下，建议湿接缝配筋率取4.8%．配筋率对界面法向剥离位移影响很小．

(4)“干”字形湿接缝黏结正应力与正截面高度具有区域相关性．越接近节段梁顶，粗糙度对界面的黏结正应力影响越显著，随着距梁顶距离增加，界面粗糙度对界面黏结正应力影响逐渐变小．粗糙度对界面法向剥离位移影响很小．