基于ABAQUS分析結(jié)合面粗糙度對UHPC鉸縫接觸面損傷的影響

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(浙江工業(yè)大學 建筑工程學院,浙江 杭州 310023)

裝配式預應力砼簡支空心板橋因其設計標準化、生產(chǎn)集成化、施工裝配化、工程造價低、建筑高度小、整體美觀和結(jié)構(gòu)受力明確等優(yōu)點,已成為中小跨徑橋梁建設中的首選,但空心板間鉸縫病害問題一直是遏制其被更加廣泛推廣的關鍵因素。2009年,美國各州的橋梁調(diào)查報告中顯示,沿鉸縫混凝土縱向開裂或者沿鉸縫與主梁結(jié)合面開裂的橋梁數(shù)量約占病害空心板橋梁的75%,其中大約38%橋梁病害是鉸縫處開裂[1]。而鉸縫填充材料料自身的力學性能、填料與混凝土主梁的結(jié)合能力較差是引起鉸縫損傷的主要誘因。2008年,美國聯(lián)邦公路局已經(jīng)提出UHPC鉸縫的設計,利用UHPC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌漿料,這種超高性能混凝土有著很高的機械咬合性能和黏結(jié)強度。正應力和剪應力強度得到增強的UHPC鉸縫填料減少了鉸縫潛在的受壓破壞,而高黏結(jié)強度減少了鉸縫和主梁結(jié)合面的潛在破壞。

UHPC的實質(zhì)仍然是一種水泥基復合材料,源于DSP,MDF和鋼纖維混凝土的活性粉末混凝土RPC,在此基礎上于1993年Larrard等提出超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)的概念[2]。UHPC的超高性能主要是超高的力學性能和超高的耐久性,超高的力學性能是較普通混凝土優(yōu)越的抗拉性能、抗壓性能和抗折性能;超高的耐久性使復合材料的徐變能力較普通混凝土高[3],氯離子擴散系數(shù)僅是普通混凝土的1%,電阻率是普通混凝土的12倍;上述高黏結(jié)強度則是來自于UHPC和空心板的高黏結(jié)力和較大的摩擦力。由于以上優(yōu)越的材料性能,UHPC被應用于橋梁工程領域,在瑞士UHPC被應用于橋梁附屬結(jié)構(gòu)的建造及橋梁加固領域;德國的Gartnerplatz橋和馬來西亞的單跨簡支梁Batu6橋均采用UHPC建造[4];2017年,Hussein等在研究中指出空心板鉸縫開裂問題的不斷出現(xiàn),主要是由于傳統(tǒng)的鉸縫灌漿料和空心板黏結(jié)強度不足造成的,由于這些問題的不斷出現(xiàn),近年來在歐美國家很多專家學者進行了UHPC應用于空心板鉸縫填料的相關研究[5],但UHPC在作為鉸縫灌漿料時鉸縫結(jié)合面粗糙度對鉸縫接觸面損傷特征的影響卻鮮有研究,為此筆者將基于ABAQUS有限元軟件對UHPC鉸縫接觸面損傷與空心板結(jié)合面粗糙度的響應規(guī)律進行了分析研究。

1 建立有限元模型

1.1 結(jié)構(gòu)概況

依據(jù)2008年交通行業(yè)公路橋梁通用圖中10 m跨徑,橋面凈寬10.25 m,斜交角為0°的裝配式預應力砼簡支空心板橋為工程背景并進行結(jié)構(gòu)簡化。由于行車軌跡太規(guī)則是造成單板受力的重要原因,根據(jù)張繼新[6]在分析鉸縫應力狀態(tài)的過程中為方便進行有限元計算分析,選取2塊邊板、1塊中板和2條鉸縫建立三維實體幾何模型,運用ABAQUS6.14進行有限元模擬計算,分析不同粗糙度下鉸縫接觸面的損傷特征,而鉸縫和空心板結(jié)合面根據(jù)粗糙程度可劃分為3種不同的類型:結(jié)合面光滑S(即2003年ASTM指定的混凝土接觸面屬性[7])、結(jié)合面中度粗糙M(即通過噴砂抹面形成的結(jié)合面[8])和結(jié)合面處于粗糙狀態(tài)R(即Russell和Graybeal所推薦的裸露粗骨料的UHPC接觸面[9-10])。有限元中將通過改變結(jié)合面接觸屬性精確模擬鉸縫和空心板結(jié)合面粗糙度,進而計算分析UHPC鉸縫接觸損傷對結(jié)合面粗糙度的響應規(guī)律。

1.2 計算模型相關屬性

1.2.1 材料參數(shù)

鉸縫采用UHPC,鑒于分析和研究空心板和橋面鋪裝均采用高強混凝土;根據(jù)Hussein等研究定義有限元模型中的混凝土材料屬性[5],如表1所示。

表1 有限元模型中混凝土材料屬性Table 1 UHPC and HSC properties used in FE modeling

1.2.2 混凝土損傷模型

ABAQUS軟件中有兩種混凝土本構(gòu)模型,即混凝土彌散裂縫(CSC)和混凝土損傷塑性(CDP)模型。Chen等認為對于超高性能混凝土UHPC而言,CDP較CSC在非線性分析階段更容易收斂,分析結(jié)果與試驗相符[11-12],以下研究中混凝土損傷模型均采用CDP模型。UHPC的拉伸行為和受壓行為具體參數(shù)見圖1中的UHPC應力—應變曲線[13],有限元CDP模型詳細參數(shù)取用表1所列。

圖1 有限元模型中UHPC單軸應力—應變曲線Fig.1 Uniaxial stress-strain response of UHPC used in FE model

1.2.3 結(jié)合面接觸屬性

韓菊紅等[14]通過4組87個新老混凝土黏結(jié)構(gòu)件的斷裂試驗,發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的破壞均出現(xiàn)在混凝土和鉸縫的結(jié)合面處,結(jié)果表明鉸縫的抗剪強度實際是由鉸縫和空心板結(jié)合面的抗剪強度決定的,而結(jié)合面的粗糙程度和黏結(jié)強度是影響抗剪強度的主導因素。研究過程中鉸縫和空心板結(jié)合面相互作用的黏結(jié)行為應當采用ABAQUS中的Traction-separation模型,該黏結(jié)滑移模型與接觸面黏結(jié)滑移的雙折線模型極其類似,其黏結(jié)滑移過程如圖2所示[15],基于以上分析并結(jié)合鉸縫的工作機理,在建模過程中采用Surface-based cohesive behavior接觸類型模擬鉸縫和主梁的接觸和黏結(jié)失效行為,其中接觸面的相對滑動選擇Small sliding的表面和表面的接觸。

圖2 包含失效準則的黏結(jié)滑移雙折線模型Fig.2 Bond-slip model of traction-separation response

對于有黏聚力的接觸表面選擇二次應力破壞準則,只有當接觸面應力比的二次方之和等于1時接觸面才開始出現(xiàn)損傷。模型中鉸縫和空心板間結(jié)合面接觸屬性的黏結(jié)行為具體參數(shù)如表2所示[5]。二次應力破壞準則表達式為

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表2 鉸縫結(jié)合面接觸屬性Table 2 Mechanical properties of bonding interface

1.2.4 等效荷載及邊界條件

為使有限元模型在計算過程中容易收斂,將外荷載轉(zhuǎn)化為具有一定截面尺寸和一定質(zhì)量密度的等效實體自重,加載位置平面示意圖如圖3所示[16],根據(jù)公路橋涵設計通用規(guī)范[17]車輛荷載的技術(shù)指標擬定等效實體的縱向間距為1.4 m,橫向間距為1.8 m,實體截面尺寸為0.60 m×0.20 m×0.20 m,邊界條件為空心板板端在三維模型中采用簡支約束。

圖3 等效荷載作用位置示意圖Fig.3 Diagram of location for equivalent load

1.2.5 單元類型、網(wǎng)格屬性

模型中空心板、鉸縫、支座、橋面鋪裝層及等效質(zhì)量塊均采用三維實體單元,單元類型采用適應于ABAQUS/Standard分析的八結(jié)點線性六面體單元(C3D8I),為保證網(wǎng)格質(zhì)量邊板翼緣底部有少量楔形單元(C3D6)。整體模型有C3D8I單元37 930個,C3D6單元2 048個,具體網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 三梁空心板橋有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.4 FE mesh of the full model of three adjacent box beams

2 分析結(jié)果

2.1 鉸縫接觸損傷特征分析

在進行鉸縫接觸損傷分析時,采集鉸縫與空心板結(jié)合面的接觸面應力。接觸面應力主要包含橫向正應力、縱向剪應力和豎向剪應力。對于鉸縫結(jié)構(gòu)的各向應力狀態(tài)而言,荷載橫向最不利位置為一側(cè)輪載作用在鉸縫,而另一側(cè)輪載位于該鉸縫相鄰板梁位置,縱向最不利位置為輪載作用于跨中[16];鉸縫結(jié)合面在3種不同粗糙度狀態(tài)下鉸縫結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生時其受力性能的響應規(guī)律,其研究過程中對應區(qū)域應力采集圖式如圖5所示,定義鉸縫底緣為y=0 mm,上部350～480 mm為結(jié)合面A,中部80～350 mm為結(jié)合面B,下部0～80 mm為結(jié)合面C。針對1.2.4的加載工況,3種結(jié)合面粗糙度狀態(tài)分別當結(jié)構(gòu)加載至1 025.10,1 051.85,1 080.61 kN時,此時接觸面開始損傷,定義該狀態(tài)為DI狀態(tài)(Damage initiation),表3為該狀態(tài)不同結(jié)合面粗糙度的接觸損傷特征。根據(jù)損傷起始位置，接觸面應力選取1,2號鉸縫實體1,2荷位對應的單元為研究對象,其應力采集圖式見圖5。

圖5 鉸縫結(jié)合面應力采集圖式Fig.5 Stress collection scheme of hinge joint bonding surface

2.2 鉸縫接觸損傷應力狀態(tài)分析

2.2.1 不同粗糙度下鉸縫1接觸面損傷規(guī)律

根據(jù)表3結(jié)合圖6(a),結(jié)合面光滑狀態(tài)時當結(jié)構(gòu)加載至1 025.10 kN時,鉸縫1的結(jié)合面C發(fā)生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力2.58 MPa,而其余兩種粗糙狀態(tài)下橫向正應力均已超出2.58 MPa,但鉸縫尚未發(fā)生結(jié)合面損傷,且3種粗糙度下結(jié)合面A和B的接觸橫向正應力曲線趨于重合。接觸面B處于拉壓交互狀態(tài),整個接觸面A處于受拉狀態(tài)，結(jié)合圖6(b,c),由于鉸縫1上外荷載未直接加載,接觸面橫向剪應力和豎向剪應力受結(jié)合面粗糙度的影響程度較弱。

表3不同粗糙度狀態(tài)下的接觸損傷特征

Table3Characteristicsofcontactdamageindifferentroughnessstates

接觸面損傷變量接觸屬性光滑中度粗糙粗糙極限荷載/kN1 025.101 051.851 080.61應力比二次和1.0051.0241.021損傷起始位置鉸縫1接觸面C鉸縫2接觸面C鉸縫2接觸面C最大拉應力/MPa2.584.805.42

圖6 鉸縫1在DI狀態(tài)下應力隨接觸面粗糙度變化曲線Fig.6 The stress change curve of hinge joint No.1 with different bonding surface roughness

2.2.2 不同粗糙度下鉸縫2接觸面損傷規(guī)律

根據(jù)表3結(jié)合圖7(a),結(jié)合面中度粗糙狀態(tài)時當結(jié)構(gòu)加載至1 051.85 kN時,鉸縫2的接觸面C發(fā)生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力4.80 MPa,較光滑狀態(tài)增大11.63%;而結(jié)合面粗糙狀態(tài)時當加載至1 080.61 kN時,鉸縫2的接觸面C發(fā)生損傷,此時接觸面橫向最大拉應力5.42 MPa,較光滑狀態(tài)增大14.58%。上述兩種粗糙度狀態(tài)下接觸面損傷發(fā)生時,接觸面B處于拉壓交互狀態(tài),而整個接觸面A均處于受壓狀態(tài)。

圖7 鉸縫2在DI狀態(tài)下應力隨接觸面粗糙度變化曲線Fig.7 The stress change curve of hinge joint No.2 with different bonding surface roughness

結(jié)合表3綜合分析圖6,7可以得出如下結(jié)論:1) 結(jié)合面光滑狀態(tài)時僅自重作用下鉸縫1接觸面較負載鉸縫2接觸面先發(fā)生損傷,其他兩種狀態(tài)則相反;2) 結(jié)合面粗糙度變化對接觸面C的橫向正應力影響最大,雖然接觸面C處于拉剪應力狀態(tài),但橫向正應力超限是引起UHPC鉸縫接觸面發(fā)生損傷的最主要因素,與張繼新分析的普通混凝土鉸縫橫向正應力研究結(jié)論一致[6];3) 不論結(jié)合面處于何種粗糙狀態(tài)均是C接觸面拉應力先達到極限狀態(tài)接觸面開始損傷,接觸面A和接觸面B的橫向拉應力受結(jié)合面粗糙度影響程度較弱;4) 接觸面損傷開始時結(jié)合面粗糙度對鉸縫接觸面A和接觸面C的縱向正應力影響微乎其微,而接觸面B中部由于外荷載的增加而導致其縱向正應力增大,但縱向正應力均在材料的容許應力范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上分析鉸縫和空心板結(jié)合面粗糙度對鉸縫損傷的影響規(guī)律,可知如果把UHPC作為鉸縫填充材料或縱橫接縫使用時,可以將UHPC鉸縫或縱橫接縫下部接觸面作粗糙結(jié)合面,而上部及中部接觸面設計為中度粗糙結(jié)合面。雖說現(xiàn)階段用UHPC作鉸縫填料還是比較奢侈,而且還需要一系列的試驗研究,但UHPC材料是工程師的新寵,一定會有很大的應用前景,同時通過分析研究也佐證了現(xiàn)用空心板鉸縫接觸面鑿毛的重要性。