混凝土脱空修复对角钢连接件力学性能影响

郭亚唯, 金文良, 宋神友, 付佰勇

(1. 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 广东 中山 528400)

0 引言

钢壳混凝土沉管隧道是在2层钢板、横隔板等格室构造中浇筑混凝土形成的组合结构。由于钢壳质量较轻且可作为浇筑模板,使得沉管隧道实现水上浮态浇筑; 而且,钢壳具有良好的密闭性和防水性,使得隧道结构的延性和耐久性得到提升; 此外,钢壳混凝土可通过约束钢壳屈曲提高隧道性能,因此钢壳混凝土沉管隧道的应用越来越广泛[1-2]。为传递钢壳与混凝土之间的纵向剪力、防止钢壳与混凝土脱离,需在钢壳与混凝土之间设置抗剪连接件[3]。常见的抗剪连接件包括栓钉连接件、型钢连接件和PBL连接件[4-5]。在钢壳沉管隧道中,抗剪连接件要求具有较高的抗剪承载力,而角钢连接件能够较好地满足需求[6-7]。

在浇筑混凝土过程中,受加劲肋、混凝土自身流动性、混凝土收缩等诸多因素的影响,连接件与混凝土之间容易存在脱空现象。国内外学者对混凝土脱空情况下的连接件受力性能进行了大量研究。Kiyomiya等[8]为研究脱空对角钢连接件影响,将脱空分为正面脱空、背面脱空和两侧脱空3种。通过试验发现,混凝土背面脱空对角钢件影响不大。唐亮等[9]通过浇筑足尺推出模型试验研究混凝土脱空缺陷对钢壳沉管隧道抗剪连接件的影响; 试验结果表明,当脱空深度为10 mm和20 mm时,抗剪连接件的承载力分别降低至83.5%和62.5%,其刚度分别降低至51.6%和29.4%; 同时还提出了角钢抗剪连接件承载力计算公式。刘玉擎等[10-11]通过研究混凝土浇筑方向对栓钉抗剪连接件性能的影响发现,侧立浇筑混凝土会降低栓钉和开孔板连接件的抗剪刚度; 混凝土脱空对构件承载力也有显著影响,且脱空范围越增加,构件性能下降越明显[12-14]。叶勇等[15]通过建立有限元模型发现,脱空会降低钢管混凝土的极限剪应力。

目前针对钢壳混凝土、钢管混凝土等结构脱空的修复方法多为注浆法。部分学者提出采用高性能聚合物进行修复,常用的高性能聚合物材料有聚氨酯、环氧材料[16-18]。然而,国内外针对实际脱空后将如何修复、修复效果是否可靠等方面还未见有报道,因此有必要针对混凝土脱空修复对角钢连接件力学性能影响进行深入研究。

为此,本文以在建的深中通道沉管隧道为背景,在现有研究基础上,设计3种不同的脱空形状和与之对应的脱空修复足尺推出试件,详细探讨不同脱空形状及脱空修复对连接件破坏形态、荷载-滑移曲线、抗剪承载力和抗剪刚度的影响; 同时,考虑将角钢连接件周边区域普通混凝土替换成超高性能混凝土,即在实际钢壳混凝土组合结构中,采用在其他部位浇筑普通混凝土,在角钢连接件局部区域浇筑超高性能混凝土,可免去角钢连接件普通混凝土出现脱空后的再修复,试验显示了超高性能混凝土对角钢连接件力学性能的提升效果。通过开展有限元计算分析,揭示了脱空修复的性能特征差异。

1 试验设计

1.1 试件设计

共设计8组推出试件,包含3种不同脱空形状、脱空修复以及未修复时的替换混凝土材料。3种不同脱空形状分别为三棱柱、局部圆形和局部不规则形,每种不同脱空形状均对应同种脱空修复方式。混凝土分别采用C50的普通混凝土和C120的超高性能混凝土[19]。推出试件的连接件型号均为L150×90×10。为减少混凝土骨料分布引发的数据离散性,每组制作3个试件,共计24个试件。推出试件参数见表1。

表1 推出试件参数

当混凝土正面脱空时,其承载力显著降低; 而实际工程中有少部分混凝土的脱空深度是10～20 mm[8,20]。因此,脱空应考虑最不利工况,混凝土仅考虑正面脱空形式,三棱柱脱空在试件纵向上贯通无约束,为全截面最不利脱空,脱空深度取20 mm,脱空深度和长度之比为1∶10。局部圆形脱空和局部不规则脱空在试件纵向上未贯通有约束,推出试件尺寸为300 mm×300 mm×600 mm(长×宽×高),试件构造及脱空形式如图1所示。

图1 试件构造及脱空形式(单位: mm)

为更好地模拟实际工程,推出试件采用素混凝土,钢材采用Q345级,通过合理的焊接工艺保证角钢和型钢连接处的角焊缝不发生破坏。混凝土浇筑过程中用EVA材料填实脱空区域(见图2(a)和(b)),试件成型后用解胶剂将其融化制造脱空。局部脱空试件破坏后,EVA材料已完全融化,脱空制造效果良好(见图2(c)和(d))。竖向钢板的整体强度在推出试验中不作为控制条件,在脱空对应的竖向钢板区域局部预留圆孔洞,可忽略预留孔洞对试验结果的影响。在孔洞内填充水泥基高强无收缩灌浆料来模拟脱空修复(见图2(e))。待脱空修复试件加载破坏后观察修复区域,可以看出灌浆料填满密实,修复效果(见图2(f))满足试验要求。

(a) 三棱柱脱空 (b) 局部不规则脱空

参考材料性能测试相关规范,取同一批次的钢板进行标准拉伸试验,采用边长100 mm混凝土立方体试块进行抗压强度测试,采用300 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)棱柱体进行抗折强度及弹性模量测试,试件材料参数如表2所示。

表2 试件材料参数

1.2 加载及量测方案

试验采用荷载量程5 000 kN的试验机进行竖向加载,全过程采用实时力控加载,加载速率为0.5 kN/s,在试验平台上铺1层薄砂,确保试件下部受力均匀。试件加载及位移量测如图3所示,采用导杆位移计量测连接件和混凝土之间的界面滑移,采用力传感器量测连接件的抗剪承载力。

图3 试验加载及位移量测

2 试验结果及分析

2.1 破坏模式

普通混凝土推出试件破坏表现为角钢底部混凝土压溃、角钢顶部混凝土掀起破坏等,典型破坏模式见图4。普通混凝土推出试件加载至破坏过程中,角钢肢尖处产生较大应力并产生向下斜裂缝,角钢底部混凝土发生竖向或斜向大裂缝的压溃现象,导致角钢底部混凝土发生压溃破坏,角钢顶部混凝土因角钢变形而发生掀起破坏,试件达到极限抗剪承载力。

(a) 未脱空 (b) 三棱柱脱空

带三棱柱脱空的超高性能混凝土推出试件表现为角钢连接件根部处的钢板剪切破坏,典型破坏模式如图5所示。超高性能混凝土推出试件加载至破坏过程中,角钢根部钢板发生较大变形,随着荷载继续增加,角钢根部钢板发生剪切破坏,混凝土表面仅有少量裂纹,试件达到极限抗剪承载力。

图5 试件破坏模式(超高性能混凝土)

可以看出,相比普通混凝土推出试件,超高性能混凝土的抗压和抗拉性能显著; 同时,推出试件的抗剪承载力受角钢连接件母材强度影响较大。

2.2 荷载-滑移曲线

推出试件的荷载-滑移曲线结果如图6所示。未脱空、脱空及脱空修复的普通混凝土推出试件荷载-滑移曲线大致可以分为3个阶段: 1)加载前期,试件的荷载-滑移曲线基本呈直线段; 2)当达到极限荷载的70%之后,荷载-滑移曲线逐渐变缓; 3)极限荷载后荷载-滑移曲线突然下降。普通混凝土推出试件达到极限承载力时的滑移值均在2 mm以内,由此可以看出,普通混凝土推出试件破坏时的滑移量较小,脆性较强。

(a) 普通混凝土三棱柱脱空 (b) 普通混凝土局部圆形脱空 (c) 普通混凝土局部不规则脱空 (d) 普通混凝土和超高性能混凝土三棱柱脱空

从图6(d)可以看出: 超高性能混凝土脱空试件滑移量较大,说明超高性能混凝土力学性能良好,角钢在发生显著变形的情况下,推出试件的抗剪承载力仍有所增加。

2.3 抗剪承载力分析

各组试件连接件抗剪承载力见表3。由表可以看出: 脱空后试件的抗剪承载力显著小于未脱空试件,不同脱空形状对承载力的影响程度不同。其中,普通混凝土推出试件三棱柱脱空的承载力折减最大可达32.8%,这与文献[8]给出的脱空承载力折减31%的结果基本一致; 局部圆形脱空的承载力折减27.9%,局部不规则脱空的承载力折减13.3%,主要原因是脱空后混凝土与连接件的接触面积减小,继而造成混凝土的承载能力显著降低。由于三棱柱脱空形式为沿角钢连接件长度方向整体脱空,圆形和不规则脱空形式为局部脱空,因此三棱柱脱空对承载力折减程度最大,可作为角钢连接件最不利脱空影响布置的参考。此外,试验结果显示: 超高性能混凝土推出试件三棱柱脱空的承载力提升77%,提升效果显著。

表3 连接件抗剪承载力

对比脱空试件和脱空修复后的试件抗剪承载力可以看出,脱空修复后的推出试件抗剪承载力有一定提升。其中,普通混凝土推出试件三棱柱脱空修复后的承载力提升19.4%,但脱空修复后的承载力均不能恢复到未脱空时的承载力,承载力最大折减19.7%。这表明脱空处填实能够在一定程度上恢复承压面积,改善承压效果,提升试件抗剪承载能力;但填充物与脱空界面混凝土间存在薄弱层,无法较好地与原构件协同受力。

2.4 抗剪刚度分析

在正常使用状态下,连接件剪力约为其极限承载力的50%,因此将连接件抗剪刚度规定为50%峰值荷载的割线刚度Kv[21]。连接件抗剪刚度见表4。

表4 连接件抗剪刚度

由表4可知: 相较未脱空时,普通混凝土脱空及脱空修复对角钢连接件抗剪刚度均有不同程度影响。普通混凝土三棱柱脱空、圆形脱空、不规则脱空对应的连接件刚度折减率分别为76.9%、16.4%和10.2%。可以看出: 三棱柱脱空对角钢连接件的抗剪刚度影响最大,其对抗剪刚度的影响超过对抗剪承载力的影响; 脱空修复对角钢连接件的抗剪刚度同样有影响,修复后连接件的刚度均有提升,但相比未脱空时最大刚度折减约为56.9%; 脱空修复连接件的抗剪刚度相比抗剪承载力的提升效果不明显,原因是薄弱层的存在使连接件变形得不到明显改善,无法有效提升连接件的抗剪刚度。

未对三棱柱脱空进行修复、采用超高性能混凝土替换普通混凝土时,推出试件的抗剪刚度相比普通混凝土三棱柱脱空时折减8.9%,原因是普通混凝土替换成超高性能混凝土后,角钢连接件的极限抗剪承载力提升显著,但脱空导致角钢连接件出现较大变形,使得连接件抗剪刚度总体表现出折减现象。

3 有限元分析

3.1 模型建立

为分析混凝土脱空对角钢连接件抗剪性能的影响机制,考虑推出试验结果中三棱柱脱空为最不利脱空,利用ABAQUS/CAE建立普通混凝土未脱空、三棱柱整体脱空和脱空修复的有限元实体模型。以三棱柱脱空和修复为例,实体模型相互作用及网格密度如图7所示。模型主要由混凝土试件、角钢连接件和灌浆修复料组成,均采用八节点六面体线性缩减积分单元C3D8R模拟。混凝土本构关系在材性试验结果的基础上参考文献[22],采用ABAQUS中混凝土塑性损伤本构模型,其破坏特征为混凝土的开裂和压碎,混凝土损伤的表征方式为各向同性弹性损伤和多重硬化塑性损伤理论。钢筋和型钢采用理想的弹塑性模型,采用CDP模型模拟灌浆料的材料性能以及灌浆料各项参数取值[23]。

图7 模型相互作用及网格密度

钢板与混凝土之间采用面面接触,接触面存在法向接触和切向接触,参数定义分别为“硬接触”和“罚”函数,考虑界面之间的摩擦因数为0.6。修复料与混凝土界面薄弱位置同样采用面面接触设置属性。在试件底部约束所有节点的平动和转动自由度,在试件顶端设置参考点并与试件顶部端面耦合。采用ABAQUS的Explicit模块能较好地处理关于材料损伤、复杂变形和接触条件等问题。由于分析模块进行的是动力计算,模型加载时须严格控制载荷速率,尽可能避免引入过多惯性力影响计算误差。采用位移加载的方式模拟以得到推出试验过程中的荷载-滑移曲线,为得到较为准确的计算结果,本文采用0.1 mm/s的位移加载速率。

3.2 有限元验证

3.2.1 荷载-滑移曲线验证

有限元与试验荷载-滑移曲线结果对比如图8所示。整体来看,有限元分析结果与推出试验结果的荷载-滑移曲线在加载阶段刚度存在偏差,主要原因是有限元分析过程中,混凝土与钢板的接触(包括混凝土与型钢、混凝土与角钢)参数设置较为复杂,对抗剪刚度影响较大,难以进行准确模拟,但抗剪承载力计算值与实测值误差在5%以内,极限承载力偏差不大,有限元计算分析结果可以有效反应极限承载力的实测结果。

图8 有限元与试验荷载-滑移曲线结果对比

3.2.2 破坏模式验证

试件破坏模式有限元分析与实测结果对比如图9—11所示。由图可知,未脱空、脱空及修复试件受压损伤均发生在角钢连接件内侧混凝土区域,受拉损伤发生在角钢肢尖和角钢肩端区域,这与试件实际破坏模式基本一致。其中修复料受压损伤不明显,且实际试件最终破坏后的修复料也较为完整,进一步验证了修复料与脱空界面混凝土存在的薄弱层导致脱空修复部位难以较好地协同受力。同时可以看出,有限元模型能够有效分析未脱空、脱空及脱空修复的角钢连接件推出试件的破坏模式。

(a) 未脱空破坏模式

(a) 脱空破坏模式

(a) 脱空修复破坏模式

3.2.3 参数分析

以修复料力学性能为变参数,分析采用灌浆料、超高性能混凝土(C120)和超高性能混凝土(C140)作为修复料时对推出试件最不利三棱柱脱空修复性能的改善效果。不同性能修复料试件荷载-滑移曲线如图12所示,由图可知,提高修复料力学性能对改善三棱柱脱空修复后的承载性能影响不明显,主要是因为在试件不断加载的情况下,修复料处于低应力状态(见图13),损伤区域较小,且薄弱层的存在使修复料与脱空区域无法协同受力,继而导致修复料的力学性能特点得不到有效发挥。

图12 不同性能修复料试件荷载-滑移曲线

(a) 灌浆料

推出试件相对滑移提取位置及脱空修复薄弱层滑移曲线如图14所示,薄弱层在试件达到约50%极限载荷时产生0.2 mm以上的显著滑移,表明修复料与脱空界面混凝土间的黏结失效,继而导致脱空修复前后推出试件的抗剪刚度改善效果不明显。

(a) 相对滑移提取位置

4 结论与建议

本文基于深中通道沉管隧道钢壳混凝土连接件局部构造,通过足尺推出试验和有限元计算对脱空及修复的角钢连接件抗剪性能进行研究,总结不同脱空形状及脱空修复对应的连接件破坏模式和力学性能变化规律,得到如下结论:

1)7组普通混凝土连接件推出试件均发生角钢连接件内侧混凝土压溃破坏,具有较强脆性;1组超高性能混凝土连接件推出试件发生连接件根部钢板切断破坏,延性显著;试件破坏模式受脱空和脱空修复影响不明显,但混凝土强度的显著提高对试件破坏模式影响较大。

2)脱空对角钢连接件的抗剪承载力和抗剪刚度均有削弱影响,不同脱空形状对承载力和刚度的削弱程度存在差异。脱空形状为三棱柱脱空、局部圆形脱空和局部不规则脱空时,试验测得的承载力折减率分别为32.8%、27.9%和13.3%,刚度折减率分别为76.9%、16.4%和10.2%。三棱柱脱空对连接件刚度削弱比对承载力削弱更大,主要是由于三棱柱脱空为全截面整体脱空,对角钢根部的约束作用最不利。

3)脱空修复对脱空时角钢连接件的抗剪承载力和抗剪刚度均有提升作用,不同脱空形状修复的承载力和刚度提升程度存在差异。试验测得修复后较未脱空时最大承载力折减19.7%、刚度折减56.9%,脱空修复的抗剪承载力和抗剪刚度性能恢复效果不显著,主要原因是修复料与脱空界面混凝土间存在薄弱层,继而造成修复料无法较好地与原构件协同受力,修复料仍处于低应力状态且损伤区域较小。

4)当推出试件存在三棱柱脱空未修复时,将普通混凝土替换为超高性能混凝土,推出试件的抗剪承载力较未脱空时提升77%,抗剪刚度较脱空时折减8.9%。超高性能混凝土优良的高强力学性能使得角钢连接件的抗剪承载力得到明显提高,但由于脱空导致角钢连接件出现较大变形,因而无法有效提升脱空情况下连接件的抗剪刚度。

5)通过最不利三棱柱脱空修复料力学性能变参数分析可以发现,提高修复料力学性能对改善三棱柱脱空修复后的承载性能效果不明显,主要是因为修复料处于较低应力状态且损伤区域较小。另外,薄弱层的存在使修复料与脱空区域无法协同受力,继而导致修复料的力学性能特点得不到有效发挥。

后续研究建议如下:

1)脱空修复对角钢连接件的性能影响规律研究还需要更多的试验样本来提供支撑,需继续关注适用于不同脱空形式的修复方法研究。

2)本文主要研究了在脱空深度不变的情况下改变脱空形状对角钢连接件的抗剪性能影响,后续还应在脱空纵向长度和深度参数变化的条件下开展系统性深入研究,进一步明确脱空纵向长度与脱空深度的影响程度。