FRP防治預制水泥路面板微裂紋擴展數值模擬

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

前言

水泥混凝土路面在使用過程中容易出現裂縫、孔洞坑槽、邊角斷裂及表層脫落等局部病害，這些局部損害往往得不到及時、有效的修復，導致破損范圍進一步擴大，最終造成大范圍的整板損壞。針對這類整板損壞路面，常通過預制拼裝修復技術實現對原有破損路面的整板更換。但是這些用于更換的預制路面板在后場加工過程中，難免會由于水泥自身干縮等原因會造成表面含有初始微裂紋。

一、FRP防治裂紋擴展作用機理

FRP與預制混凝土路面板采用環氧材料粘結在一起，形成一個復合體后起到防治路面板表面微裂縫擴展的效果。在車輛荷載作用下，預制路面表面微裂縫有繼續擴展的趨勢，而FRP一定程度上限制了表面微裂縫自由擴展，從而延長了路面板的使用壽命。一般情況下，FRP的作用是使路面板表面微裂紋尖端的拉應力和集中剪應力得到一定程度的的降低，特別是對降低集中拉應力的效果更好。

二、FRP防治裂紋擴展有限元分析

(一)有限元模型的建立

本文采用彈性半空間地基模型進行計算分析，結合我國現行公路水泥混凝土路面設計規范[4]規定的雙層板力學模型要求，本文路面模型采用三層結構，分別為：面層(預制路面板)、基層(水泥穩定碎石)和路基[5-6]。

模型參數如下表1所示，此外模型是基于擴展有限元法來模擬微裂紋擴展，損傷判據為最大主應力失效準則[7-8]，混凝土預制板損傷參數根據課題組前期研究成果，最大主應力為3.1MPa，斷裂能為250N/m。

表1 模型參數

合理建立接觸關系和邊界條件對于正確分析路面結構的力學行為是十分關鍵。假設預制路面板與混凝土界面之間為光滑接觸，AASHO路面設計指南建議的混凝土與基層的摩擦因數[9]為0.9～2.2，因此本文選取的預制混凝土板與基層的摩擦系數為1.5。

(二)計算結果與分析

1.受荷預制板應力變形云圖

無FRP粘貼層的受荷預制板和有FRP粘貼層受荷預制板應力變形云圖，其中FRP模量取200GPa，粘貼層界面剛度取選取為5/0.05MPa·mm-1，由圖像知，在標準軸載作用下，兩類受荷預制板微裂紋尖端的最大主拉應力值都已經超過3.1MPa，但微裂紋并沒有發生擴展，這是因為受荷板斷裂能還沒有達到250N/m，不具備裂紋擴展的條件。

2.超載條件下FRP粘貼層對微裂紋擴展影響

公路交通中由于交通量的大量增加,尤其是載貨汽車的比率逐漸增大,超載現象越來越嚴重,車輛超載會使水泥混凝土路面結構的表面彎沉、面層底面和基層層底的拉應力和剪應力以及土基頂面的最小主應變隨之增大，由此對水泥混凝土路面使用壽命造成了很大的影響。對于預制水泥混凝土路面板來說，車輛超載還會加速預制路面板表面微裂紋擴展，從而造成路面板破壞。

表2 不同車輛荷載下有無FRP粘貼層微裂紋擴展高度值

根據微裂紋擴展高度數據可知：

(1)未粘貼FRP材料的受荷預制板表面微裂紋開始擴展時對應的臨界車輛荷載值在100KN～200KN之間，而粘貼FRP材料的臨界車輛荷載在200KN～300KN之間；

(2)在標準軸載下未粘貼FRP材料的受荷板表面微裂紋沒有發生擴展，而荷載增加到200KN時裂紋擴展了2cm，增加300KN時裂紋擴展了3cm，這說明超載車輛對預防受荷板微裂紋擴展極其不利，且超載值越大，受荷預制板表面微裂紋擴展的越嚴重；

三、結論

本文利用ABAQUS軟件基于擴展有限單元法建立帶初始微裂紋的預制路面板模型，計算分析有無FRP粘貼層的受荷預制板最大主拉應力值、微裂紋尖端應力強度因子大小以及超載條件下表面微裂紋的擴展，評價FRP粘貼層用于防治受荷預制板表面微裂紋擴展的效果，得到的主要結論如下：

(1)標準軸載下，有無FRP粘貼層的受荷預制板表面微裂紋均沒有發生擴展，但粘貼FRP材料的的受荷板中應力分布相對較為分散；

(2)FRP粘貼層能夠一定程度上降低受荷板主拉應力值和微裂紋尖端應力強度因子大小；

(3)粘貼了FRP材料的預制板，最大主拉應力值和微裂紋尖端應力強度因子大小與FRP模量、粘貼層界面剛度均成反比，且隨著FRP模量和界面剛度的增加，下降幅度逐漸變緩，最終趨于穩定。