UHPC-RC節段組合梁的抗彎性能分析

嚴 靖, 陳 亮, 黃潤鉞

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前,隨著橋梁裝配化施工需求的增加,節段式橋梁被廣泛應用。使用節段拼裝橋梁,可以在加快施工速度的同時減少對交通的影響。然而,文獻[1]研究表明,在彈性狀態下,節段拼裝橋梁與現澆整體橋梁的力學性能相似,而在極限狀態下,由于接縫的存在,節段橋梁的力學表現與整體梁出現較大的差異。因此,作為超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)節段橋梁中重要結構部件的節段接縫,其力學性能受到學者的關注。

過去幾十年,由于普通混凝土(normal concrete,NC)節段橋梁的廣泛應用,對于節段橋梁的研究主要集中在接縫的抗剪能力和整體性上。文獻[2]通過膠接縫直剪試驗研究膠層厚度對接縫抗剪承載力的影響,結果表明隨著膠層厚度的增加,單齒鍵接縫的抗剪強度緩慢增加;文獻[3]基于ABAQUS有限元軟件建立橋梁接縫處節段實體模型,并進行局部應力分析,結果表明,體外預應力節段橋在E2地震作用下,節段接縫處于全截面受壓狀態,剪力鍵均未發生脫離,接縫的設計符合抗震需求。

隨著UHPC的發展,學者們開始對UHPC節段橋梁接縫的抗剪性能進行研究。為準確預測UHPC干接縫的抗剪強度,文獻[4]基于莫爾圓理論,提出干接縫抗剪強度預測公式,并通過試驗驗證了公式的合理性;文獻[5]通過直剪試驗研究鋼纖維摻量、側向壓力和齒鍵數量對UHPC膠接縫開裂荷載和極限荷載的影響,結果表明,齒鍵數的增加對接縫的承載力提高有限,而側壓可以顯著提高接縫的抗剪承載力;文獻[6]對超高性能混凝土-鋼筋混凝土(ultra-high performance concrete-reinforced concrete,UHPC-RC)節段組合箱梁的抗彎性能進行試驗,結果表明,在試驗加載過程中,UHPC的U型梁與普通混凝土橋面板能夠保持良好的協同變形能力。以上文獻大多利用試驗對節段接縫進行研究。近年來,由于高昂的試驗研究費用促使人們開始利用有限元軟件進行工程應用分析,而目前國內外關于有限元軟件分析節段接縫的研究主要集中在接縫的抗剪性能上。文獻[7]基于ABAQUS軟件使用cohesive behavior模型研究環氧樹脂膠接縫齒鍵試件的抗剪性能,而對于膠接縫UHPC節段梁整體力學性能的有限元研究較少。此外,為防止高預應力度造成的橋梁嚴重上撓,某些橋梁采用低預應力度的設計。對于低預應力度的NC節段膠接縫橋梁,文獻[8]的研究表明其接縫開裂先于梁體開裂。目前對于低預應力度UHPC節段膠接縫梁的研究較少。

綜上所述,目前已開展的針對NC節段梁的試驗較多,但關于UHPC節段組合梁的研究卻十分有限。同時,國內外大量的研究主要關注節段接縫的抗剪性能,卻忽略了節段組合梁整體力學行為的研究,尤其是低預應力水平下,節段組合梁力學性能的研究較少。因此,為探究低預應力度下UHPC-RC節段組合梁的抗彎性能,本文基于文獻[6,9]和相關規范[10-12],建立不同節段接縫的UHPC-RC組合梁的ABAQUS有限元模型,并進一步對模擬結果進行分析和總結。

1 有限元模型概況

1.1 試件簡介

本文以文獻[6]中UHPC-RC節段組合箱梁試件為原型,進行有限元分析。該梁長4 m,梁高300 mm,梁下部為預制 UHPC的U型梁,頂板為后澆的C50鋼筋混凝土板。U型梁分為4個節段,每個預制節段長度為1 m。組合梁底部配置了布置4根縱向φ15.2 mm 的預應力鋼絞線,張拉力為140 kN。 RC頂板縱向布置間距80 mm、直徑6 mm的HRB400普通鋼筋,橫向布置間距100 mm、直徑8 mm的HRB400普通鋼筋。在預制 UHPC 的U型梁和后澆RC頂板之間預埋間距 100 mm、直徑10 mm的HRB400 普通鋼筋作為剪力連接件,以加強接合面的黏結。組合箱梁截面尺寸、配筋及縱向布置如圖1所示。該試件加載方式為四點加載,跨中純彎曲段為1 m。

圖1 UHPC-RC節段組合梁示意圖

1.2 有限元模型簡介

1.2.1 材料本構

UHPC和C50混凝土采用ABAQUS中混凝土損傷塑性模型(concrete damaged plasticity,CDP),塑性參數見表1所列。表1中,k為拉伸子午線與壓縮子午線上的第二應力不變量的比值。基于文獻[13]提出的UHPC受壓本構公式,得到的受壓應力-應變關系如圖2a所示,其中峰值抗壓強度為135 MPa。UHPC受拉應力-應變關系采取三折線本構[14],得到的受拉應力-應變關系如圖2b所示,其中抗拉強度為10 MPa。

表1 混凝土塑性參數

圖2 UHPC本構曲線

橋面板的C50混凝土受拉、受壓本構采用文獻[10]的規定,得到的應力-應變關系如圖3a所示,其峰值壓應力和拉應力分別為35.5、2.75 MPa。橋面板HRB400鋼筋和預應力鋼筋本構如圖3b所示,其中橋面板HRB400鋼筋采用理想彈塑性本構模型,屈服強度為400 MPa,彈性模量為195 GPa。參考文獻[11],預應力鋼筋本構為三折線本構,其彈性模量為195 GPa,屈服強度和極限拉應力分別為1 200、1 860 MPa。

圖3 應力-應變曲線

1.2.2 邊界條件

RC橋面板與UHPC的U型梁之間采用綁定(tie)約束。為提高模型的運算速度,在保證精度的情況下,忽略普通鋼筋網與混凝土的黏結滑移,將橋面板鋼筋、界面抗剪鋼筋內置(embeded)到混凝土實體單元中。考慮到試件的體內預應力鋼筋與梁體相對滑移很小,因此預應力筋與梁體采取embeded約束。體內預應力鋼筋的預應力施加方法較多,本文將采用降溫法施加預應力,即通過對預應力筋進行降溫使之收縮,然后通過連接將此收縮應變傳遞到梁體上,由此產生預應力效應。

節段接縫類型不同,其有限元建模方式也不同。作為對照組的整體現澆梁橋節段之間采用tie綁定約束,即將相鄰梁段約束成一個整體,從而形成整體梁。

1) 干接縫的模擬。對于干接縫節段梁,接觸面的陽面與陰面之間采取法向硬接觸、切向“罰”摩擦的接觸方式,其中摩擦系數為0.8。

2) 膠接縫的模擬。目前學界多使用有限元方法預測UHPC-RC節段組合梁的力學行為,而節段梁中膠接縫的界面模擬卻沒有統一的方式。以ABAQUS為例,節段膠接縫的有限元模擬方式主要有以下4種:① 使用完全粘結(tie綁定)對接縫界面進行簡化;② 假設界面中的膠接材料是純彈性的,使用實體單元將其模擬出來; ③ 假設膠接縫界面與干接縫力學行為相似,僅結合面間設置摩擦系數來模擬; ④ 基于零厚度的線性接觸單元模擬界面。

對于UHPC節段梁之間的膠接縫,本文采用ABAQUS中cohesive behavior模型來模擬接縫環氧樹脂膠的力學特性,該模型是一種基于面的黏聚力行為接觸方式,能較好地模擬出接縫處的環氧樹脂膠的力學行為[7]。該模型主要有雙線性模型、指數模型、多項式模型、梯形模型等。其中雙線性模型理論清晰,公式易于推導,在分析過程中穩定性較好,因此本文采用雙線形模型,該模型本構如圖4所示。

圖4 cohesive behavior 雙線性本構模型

圖4中:Gc為膠接縫的牽引分離斷裂能。

對于線彈性階段,由于cohesive behavior模擬的界面層厚度較小,法向上的變形較小,對切向變形影響較小,一般情況下該模型本構關系可以簡化為:

(1)

其中:tn、ts、tt分別為法向(沿全局z軸)、切向1(沿全局x軸)和切向2(沿全局y軸)的牽引力;knn、kss、ktt分別為x、y、z方向上的剛度;δn、δs、δt分別為相應的分離位移;δ為名義位移矩陣;K為剛度矩陣。

因為膠接縫中的接縫環氧樹脂膠配合比不同,其力學特性會有較大的差異,所以本文參考文獻[12]規定的Ⅱ類環氧樹脂膠固化物特性值,見表2所列,得出膠接縫模型中cohesive behavior的設置參數。

表2 Ⅱ類環氧樹脂膠固化物特性值 單位:MPa

1.3 基準有限元模型的驗證

數值模擬與試驗的荷載-擾度曲線如圖5所示。

圖5 數值模擬與試驗的荷載-撓度曲線

從圖5可以看出,有限元模擬的結果與試驗結果吻合較好。在彈性階段,有限元模擬的梁體剛度與試驗梁剛度幾乎一致;在裂縫發展階段,有限元模型的節段開裂時所對應的外荷載和撓度均比試驗梁略大,但誤差均在10%以內;在極限狀態下,有限元計算所得的試件極限荷載比試驗值小6.0%,極限撓度大小幾乎一致。從圖5還可以看出,有限元結果與試驗值在節段接縫開裂到試件達到極限荷載這一階段的荷載-撓度曲線有些偏差,原因可能是文獻[13]中試驗所用預應力鋼筋的極限強度高于1 860 MPa,造成試驗所得的極限荷載大于有限元模擬。

此外,有限元模型與試驗的對比結果見表3所列。由圖5、表3可知,該基準有限元模型是合理、可靠的,能較準確地預測UHPC-RC節段組合梁的力學行為。

表3 有限元模型與試驗的對比結果

為驗證膠接縫模擬方法的合理性,本文基于文獻[9]中UHPC平面膠接縫直剪試驗,建立相應的膠接縫有限元模型,并將模型結果與試驗數據進行對比,得出荷載-位移曲線,如圖6所示。由文獻[9]可知,膠接縫試件發生的是脆性破壞,當試件達到峰值荷載后突然發生滑移破壞,導致實驗裝置未能及時獲取荷載-位移曲線的下降段。由圖6可知,數值模擬得出荷載-位移曲線與試驗值吻合較好。因此,針對膠接縫,本文采用的內聚力接觸模型參數是合理的,可以較為準確地預測UHPC平面膠接縫的力學性能。

圖6 數值模擬與試驗的荷載-位移曲線

2 節段接縫類型研究

目前,節段拼裝橋梁的節段接縫主要有節段平面干接縫、平面膠接縫、齒鍵干接縫和齒鍵膠接縫4種,顯然以上4種接縫的UHPC-RC節段組合梁力學性能有些差異。因此,為探究接縫類型對UHPC-RC節段組合梁的影響,本文在基準有限元模型的基礎上,建立其余3種接縫的UHPC-RC節段組合梁模型,即節段平面膠接縫、齒鍵干接縫和齒鍵膠接縫,其中齒鍵接縫的構造示意圖如圖7所示。

圖7 齒鍵接縫節段梁示意圖

同時為形成對照試驗,本文又建立了整體現澆U型梁的有限元模型,有限元模型參數見表4所列。以上5個UHPC-RC節段組合梁有限元模型的荷載同文獻[6]一致,均為四點抗彎加載,純彎區段長度為1 m。

表4 有限元模型參數

此外,為精準地模擬出節段接縫處的力學行為,將節段齒鍵部分的網格進行了細化,網格大小約為5 mm×5 mm×5 mm。

3 結果與討論

3.1 荷載-撓度曲線

不同節段接縫的UHPC-RC節段組合梁在四點加載下的荷載-撓度曲線如圖8所示。從圖8可以看出,膠接縫試件荷載-撓度曲線可分為以下3個階段:在加載初始階段,荷載-撓度曲線呈線性變化;當節段接縫開裂后,試件剛度下降,曲線進入非線性階段;當達到峰值荷載后,荷載-位移曲線進入下降段直至破壞。干接縫試件的荷載-撓度曲線也可分為上述3個階段,但與膠接縫試件有所不同的是,干接縫試件達到峰值荷載后,曲線迅速進入下降段,試件最終因預應力筋突然斷裂而發生破壞。

圖8 不同類型節段接縫組合梁的荷載-撓度曲線

從圖8還可以看出,UHPC-RC節段膠接縫組合梁在達到峰值荷載前,荷載-撓度曲線與整體式梁十分接近。

當接縫中環氧樹脂膠失效前(即節段接縫開裂之前),平面膠接縫試件的力學行為與整體式十分接近,同時其極限荷載與整體式相差很小;當接縫中環氧樹脂膠失效后(即節段接縫開裂后),膠接縫試件的力學特性趨同于干接縫試件。

在裂縫發展階段,齒鍵接縫組合梁的外荷載比平面接縫的略高,表明齒鍵接縫試件開裂后的力學性能優于平面接縫。

不同狀態下的力學特性結果匯總見表5所列,峰值荷載下各試件的應力云圖如圖9所示,圖9中單位為MPa。

表5 不同狀態下的力學特性結果

圖9 峰值荷載下節段拼裝UHPC-RC節段組合梁應力云圖

由接縫有無使用環氧樹脂膠的對比發現,平面膠接縫試件和齒鍵膠接縫試件的極限荷載比分別比對應的干接縫高9.7%、10.0%,比整體梁低0.9%、0.5%;平面膠接縫試件和齒鍵膠接縫試件的接縫開裂荷載分別比對應的干接縫試件高7.1%、6.7%。對比不同節段接縫的試件達到極限荷載時的接縫開裂寬度可知,膠接縫試件的接縫開裂寬度明顯小于干接縫試件。以上現象說明,使用環氧樹脂膠可以改善節段梁的力學行為,提高節段梁的極限荷載和開裂荷載,降低節段接縫開裂寬度;原因是環氧樹脂膠能使節段梁底拉應力在接縫處發生傳遞,有利于接縫面抗彎力矩的形成,從而提高節段梁的整體性。

接縫的幾何特征對比發現,齒鍵干接縫的極限荷載比平面干接縫高0.2%,但其開裂荷載比平面干接縫低3.7%;齒鍵膠接縫的極限荷載比平面膠接縫高0.5%,其開裂荷載比平面膠接縫低0.4%。總之,接縫幾何特征不同的節段梁之間的開裂荷載和極限荷載的差別都在4.0%以內;由此可知,接縫的幾何特征對UHPC-RC節段梁開裂荷載和極限荷載的影響不是很明顯。

從圖9可以看出,當試件達到峰值荷載時,齒鍵干接縫、齒鍵膠接縫和平面膠接縫試件的兩側接縫在加載過程中均未發生開裂,而平面干接縫試件的兩側接縫發生了微小的豎向錯位,表明平面干接縫的整體性最差。

3.2 荷載-預應力鋼筋應力曲線

荷載-預應力鋼筋應力曲線如圖10所示。從圖10可以看出,膠接縫試件的荷載-預應力鋼筋應力曲線可分為如下3個階段:在初始階段呈線性增長;在裂縫發展階段(裂縫開展或接縫張開),應力增長速率逐漸變大;達到峰值荷載后,荷載-預應力鋼筋應力曲線進入下降段。同理,對于干接縫試件,其荷載-預應力鋼筋應力曲線可分為如下2個階段:在初始階段呈線性增長;在裂縫發展階段,曲線緩慢上升直至試件發生破壞。

圖10 荷載-預應力鋼筋應力曲線

從圖10還可以看出,當試件達到峰值荷載時,膠接縫試件的體內預應力筋未達到抗拉強度值,而此時干接縫試件的預應力筋達到抗拉強度值。此外,當預應力鋼筋拉應力一致時,膠接縫試件所承擔的外荷載比干接縫的大,比整體現澆梁的略小。由此說明,節段接縫面使用環氧樹脂膠有利于提高UHPC-RC節段組合梁的整體性,進而有利于發揮預應力鋼筋的抗拉性能。

3.3 荷載-接縫開裂寬度曲線

荷載-節段接縫開裂寬度曲線如圖11所示。該曲線可分為如下3個節段:初始階段呈線性變化;在裂縫發展階段,節段接縫張開速率逐漸變大;達到峰值荷載后,荷載-節段接縫開裂寬度曲線進入下降段。膠接縫試件對比干接縫試件發現,在裂縫發展階段,膠接縫試件的節段接縫張開速率明顯高于干接縫試件;膠接縫試件達到峰值荷載時對應的節段接縫開裂寬度要小于干接縫試件。以上現象再次表明,環氧樹脂膠可以提高UHPC-RC節段組合梁的整體性,減小節段接縫的開裂寬度。

圖11 荷載-接縫開裂寬度曲線

4 結 論

本文對低預應力度下,不同類型的節段接縫UHPC-RC組合梁橋展開研究,為分析其整體力學性能,建立ABAQUS有限元模型,并對結果進行分析,得出以下結論:

1) 在四點受彎加載方式下,接縫幾何特征(平面或齒鍵)不同的節段梁之間的開裂荷載和極限荷載的差距都在4.0%以內,即接縫的幾何特征對UHPC-RC節段組合梁開裂荷載和極限荷載的影響不是很明顯。

2) 有無使用環氧樹脂膠對組合梁的極限荷載影響較大,即節段接縫使用環氧樹脂膠可以改善節段梁的力學行為,提高節段梁的整體性,增加梁的開裂荷載和極限荷載,同時降低節段接縫的開裂寬度,進而有利于發揮出預應力鋼筋和UHPC的抗拉性能。

3) 本文基于cohesive behavior模型模擬環氧樹脂膠接縫的方法是可行的;分析結果表明,本文建立的ABAQUS有限元模型能較為準確地模擬UHPC-RC節段組合梁的抗彎特性,為以后的節段組合梁橋的研究提供參考。