受腐蝕的鉸縫結(jié)構(gòu)的受力性能分析

彭利英，衛(wèi)軍，余崇

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭，411104；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410082)

裝配式混凝土板結(jié)構(gòu)是常見的結(jié)構(gòu)形式，通過在預(yù)制板之間設(shè)置后澆筑的混凝土鉸縫結(jié)構(gòu)使諸板形成一個整體板結(jié)構(gòu)體系。在特殊情況下，處于露天環(huán)境中的裝配式混凝土板結(jié)構(gòu)體系容易受到氯鹽等腐蝕性介質(zhì)侵蝕，導(dǎo)致后澆的鉸縫結(jié)構(gòu)受到腐蝕，影響橋結(jié)構(gòu)的性能及其使用壽命[1-2]。衛(wèi)軍等[3-4]對常見的空心板鉸縫結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能進(jìn)行了大量試驗研究，在此基礎(chǔ)上，提出了反映鉸縫協(xié)同工作能力的空心板協(xié)同工作系數(shù)的計算公式，以此來評價不同鉸縫結(jié)構(gòu)對各板的協(xié)同工作性。在此基礎(chǔ)上，本文作者通過考慮混凝土彈塑性、非線性和后澆混凝土與空心板界面接觸等因素的影響，結(jié)合試驗研究結(jié)果，通過有限元分析軟件ABAQUS對受腐蝕的鉸縫結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

取空心板結(jié)構(gòu)體系為研究背景，采用跨度為2 m的縮尺試件；考慮空心板橋體系主要靠板肋承受豎向荷載的特點，試驗時略去空心板上下翼緣板，將試件設(shè)計成僅考慮鉸縫變化的截面，見圖1。為了模擬真實空心板截面對環(huán)境作用的響應(yīng)，對試件的2個側(cè)面進(jìn)行介質(zhì)阻斷并保證密封。試件成型分為2個：先澆筑成型鉸縫兩側(cè)(圖1)；待混凝土強(qiáng)度(C50)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，按照常用鉸縫設(shè)計配置鉸縫鋼筋，進(jìn)行拼裝并設(shè)置厚度為50 mm的現(xiàn)澆面層，澆筑成如圖1所示的截面形式。

圖1 鉸縫截面構(gòu)造圖Fig.1 Section structure of hinge joint

1.2 腐蝕及加載制度

為了模擬鹽腐蝕的作用，縮短試驗周期，采用干濕循環(huán)、快速銹蝕的方法。為了對比腐蝕程度導(dǎo)致的鉸縫參數(shù)的變化趨勢，設(shè)計腐蝕程度不同的2組試件EXP-1和 EXP-2，分別在鹽水中浸泡2月和4月。

試驗采用500 kN雙通道電液伺服作動器，在梁三分點處分級對稱加載，每級施加集中荷載F=5 kN，如圖2所示。在梁的兩個側(cè)面A和B的跨中部位上分別黏貼應(yīng)變片，A面、B面由上到下編號依次為1，2，3，4和1′，2′，3′，4′，距梁底距離分別為325，225，125和25 mm。

圖2 加載及應(yīng)變片布置示意圖Fig.2 Layout of loading and strain gauge

2 有限元分析

2.1 材料模型

2.1.1 混凝土材料定義

混凝土采用ABAQUS中的Concrete Damaged Plasticity模型P[5-8]。

(1)塑性性能：混凝土塑性參數(shù)取值見表1。表1中涉及的參數(shù)的含義和取值方法可參閱文獻(xiàn)[5]。

(2)壓縮行為：混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段用規(guī)范中建議的公式(1)，下降段使用文獻(xiàn)[9]中建議的公式(2)，峰值應(yīng)力fc為32.3 MPa，峰值應(yīng)變εc,p為0.002。

式中：σc為混凝土壓應(yīng)力；εc為混凝土壓應(yīng)變；n為系數(shù)，這里取2.0；αd為曲線下降段參數(shù)[9]，這里取2.0。

ABAQUS中材料的彈性與塑性性質(zhì)分開定義，彈性階段塑性應(yīng)變?yōu)?。將總應(yīng)變減去彈性應(yīng)變即為塑性應(yīng)變。應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線如圖3所示。

(3)拉伸行為：考慮到混凝土拉應(yīng)力很小，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段定義為彈性，下降段采用文獻(xiàn)[10]中建議的式(3)，峰值應(yīng)力ft為2.64 MPa，應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線如圖3所示。應(yīng)力云圖中應(yīng)力突然變小之處是混凝土達(dá)到峰值拉應(yīng)力開裂所致。

表1 混凝土塑性參數(shù)Table1 Plastic parameters of concrete

圖3 混凝土拉、壓應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線Fig.3 Relationship between tension, compression stress and plastic-strain of concrete

式中：σt為混凝土壓應(yīng)力；εt為混凝土壓應(yīng)變；αt為定義參數(shù)[10]；εt,p為混凝土峰值應(yīng)變。

(4)腐蝕影響：考慮到混凝土受拉對結(jié)構(gòu)影響很小，本文只考慮腐蝕對混凝土受壓的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]，腐蝕混凝土受壓時，先會經(jīng)歷1個腐蝕裂縫閉合階段，導(dǎo)致應(yīng)變增大，之后受力行為與普通混凝土的基本一致。本文采用如圖3所示腐蝕混凝土應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線，在普通混凝土應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上，將曲線向右平移。

2.1.2 鋼筋材料定義

縱筋和箍筋的型號分別為HRB335和HPB235，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服后彈性模量為0 N/mm2。對于受銹蝕影響的鋼筋S6，S7和S9(圖1)，由試驗測得的質(zhì)量損失率δs根據(jù)文獻(xiàn)[14]計算出銹蝕后的屈服強(qiáng)度。δs與銹蝕鋼筋屈服應(yīng)力如表2所示。

2.2 接觸和單元選取

界面的連接采用ABAQUS中的surface-based cohesive接觸屬性，該接觸屬性規(guī)定在接觸面有法向和2個切向3個剛度，反映了接觸應(yīng)力與相對位移之間的關(guān)系，單位為MPa/mm，各剛度如圖4所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的試驗數(shù)據(jù)，未腐蝕鉸縫3個剛度可均取10 MPa/mm。本文Knn與Kss均取10 MPa/mm，Ktt與縱向抗剪黏接強(qiáng)度直接相關(guān)，分別取1，3，5和7，計算FEA-1，F(xiàn)EA-2，F(xiàn)EA-3和FEA-4共4個有限元模型。混凝土采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元。按25 mm×25 mm劃分網(wǎng)格，沿荷載方向有16個單元，以避免沙漏的影響。

2.3 邊界條件和荷載

創(chuàng)建200 mm×100 mm×20 mm的3維剛體作為支座與加載墊塊。用參考點耦合加載墊塊上表面，將集中荷載施加在參考點上，并通過定義幅值曲線實現(xiàn)逐級加載。將支座沿短邊中點切開，將鉸支邊界條件施加在支座中線上。

2.4 鉸縫參數(shù)

分別建立鉸縫和2個側(cè)面3個部件，2個側(cè)面賦予普通混凝土材料，鉸縫賦予腐蝕混凝土材料。將箍筋和縱筋定好位置后合成為1個整體作為鋼筋骨架，并將其植入混凝土。有限元模型如圖5所示。

表2 鉸縫鋼筋銹蝕參數(shù)Table2 Corrosion parameters of rebar in hinge joints

圖4 接觸面cohesive剛度及方向Fig.4 Cohesive stiffness and direction

圖5 ABAQUS模型圖Fig.5 ABAQUS Models

3 計算結(jié)果與分析

3.1 跨中截面Mises應(yīng)力分析

荷載為50 kN時跨中截面Mises應(yīng)力云圖如圖6所示，從左到右依次為FEA-1，F(xiàn)EA-2，F(xiàn)EA-3和FEA-4在鉸縫開裂的臨界荷載50 kN作用下跨中截面Mises應(yīng)力云圖。圖中顏色越深應(yīng)力越小。截面上中間部分有狹長的深色區(qū)域即為中性軸的位置。截面上底部由淺白色突然變成深色即為梁底混凝土開裂。從圖6可以看出：隨著Ktt的增大，兩側(cè)部分與鉸縫的中性軸逐漸靠近；壓應(yīng)力逐漸向鉸縫頂部集中；鉸縫底部開裂程度逐漸減弱，協(xié)同受力能力提高。

FEA-1，F(xiàn)EA-2，F(xiàn)EA-3和FEA-4在側(cè)邊部分開裂荷載70 kN作用下跨中截面Mises應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖7可以看出：隨著Ktt的增大，截面中性軸位置逐漸成為一條直線；側(cè)邊上部壓應(yīng)力減小，壓應(yīng)力向鉸縫上部集中；底部開裂更均勻；FEA-1和FEA-2側(cè)邊都有一塊深色應(yīng)力接近0的區(qū)域，是由于在3部分協(xié)同受力能力不夠的情況下，鉸縫的尖角部分對側(cè)邊會產(chǎn)生壓力，使側(cè)面開裂。

圖6 F=50 kN時跨中截面Mises應(yīng)力Fig.6 Mises stresses of mid-section when F=50 kN

圖7 F=70 kN時跨中截面Mises應(yīng)力Fig.7 Mises stresses of midspan section when F=70 kN

3.2 有限元與試驗應(yīng)變對比分析

試驗的應(yīng)變由電阻應(yīng)變片測得，為真實應(yīng)變。ABAQUS提供了多種類型的應(yīng)變，其中對數(shù)應(yīng)變與電阻應(yīng)變片測得應(yīng)變的含義是一致的。

由于混凝土的峰值拉應(yīng)力和拉應(yīng)變都很小，開裂后微觀應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^的裂縫，測得的拉應(yīng)變只能反映裂縫開展的程度和趨勢。因此，本文主要對1號位置應(yīng)變和中性軸附近的2號應(yīng)變進(jìn)行對比分析。

3.2.1 1號應(yīng)變片

1號位置有限元計算應(yīng)變與試驗結(jié)果對比結(jié)果如圖8所示。從圖8可見：隨著Ktt增大，相同應(yīng)力下壓應(yīng)變絕對值減小，與應(yīng)力分析結(jié)果一致；除EXP-2曲線外，都有1個向上的轉(zhuǎn)折，并且有限元計算的曲線在最后一級荷載都會有大的回落。

出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點是因為截面中性軸上升到1號應(yīng)變位置，隨著Ktt增大，轉(zhuǎn)折點靠后。出現(xiàn)大的回落是因為在最后一級底部縱筋達(dá)到屈服應(yīng)力。ABAQUS中鋼筋植入命令Embedded region不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，使鋼筋應(yīng)力得到了最大程度地應(yīng)用。EXP-2由于腐蝕比較嚴(yán)重，3部分之間的協(xié)同受力能力大大下降，應(yīng)變一直增大。

3.2.2 二號應(yīng)變片

取開裂前的彈性部分進(jìn)行分析，2號位置應(yīng)變對比結(jié)果如圖9所示。從圖9可見：除EXP-2外，所有的曲線在荷載等于50 kN處開始轉(zhuǎn)折，并在荷載等于60 kN時都由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變。由前面分析可知，Ktt越大兩側(cè)邊部分中性軸與鉸縫中性軸越接近，越靠上，壓應(yīng)變絕對值也越小。而EXP-2由于腐蝕嚴(yán)重，3部分之間作用力不足，側(cè)邊部分與鉸縫協(xié)同受力能力太弱，因此，在中性軸靠下，壓應(yīng)變持續(xù)發(fā)展。

3.3 有限元計算跨中撓度

撓度與荷載關(guān)系曲線如圖10所示。從圖10可見：當(dāng)荷載小于120 kN時，4個模型跨中撓度相差較小；隨著荷載增大，Ktt小者先出現(xiàn)拐點，跨中撓度迅速增大；當(dāng)荷載等于180 kN時，F(xiàn)EA-1的撓度比FEA-2的大110%，而FEA-2，F(xiàn)EA-3和FEA-4之間的撓度相差30%～60%。

圖8 1號位置應(yīng)變對比Fig.8 Strain contrast of the first position

圖9 2號位置應(yīng)變對比Fig.9 Strain contrast of the second position

圖10 荷載-撓度曲線Fig.10 Curve of load-deflection

4 結(jié)論

(1)鉸縫界面縱向黏接力是影響預(yù)制板結(jié)構(gòu)體系平面內(nèi)整體工作性能的重要因素。

(2)鋼筋銹蝕會引起鉸縫界面黏接力下降，板間縱向剪力傳遞能力大大降低，板體系中性軸不連續(xù)分布，板平面內(nèi)整體工作性能下降。

(3)鉸縫界面間黏接力下降導(dǎo)致受力機(jī)理發(fā)生變化，由整體板受力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)組合板梁受力形式，其造成的影響遠(yuǎn)比材料本身性能下降嚴(yán)重。

(4)在腐蝕作用不顯著時，鉸縫結(jié)構(gòu)具有較好的聯(lián)系作用，板結(jié)構(gòu)體系可視為整體結(jié)構(gòu)。

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