混凝土脫空修復對角鋼連接件力學性能影響

郭亞唯, 金文良, 宋神友, 付佰勇

(1. 中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司, 北京 100088; 2. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400)

0 引言

鋼殼混凝土沉管隧道是在2層鋼板、橫隔板等格室構造中澆筑混凝土形成的組合結構。由于鋼殼質量較輕且可作為澆筑模板,使得沉管隧道實現水上浮態澆筑; 而且,鋼殼具有良好的密閉性和防水性,使得隧道結構的延性和耐久性得到提升; 此外,鋼殼混凝土可通過約束鋼殼屈曲提高隧道性能,因此鋼殼混凝土沉管隧道的應用越來越廣泛[1-2]。為傳遞鋼殼與混凝土之間的縱向剪力、防止鋼殼與混凝土脫離,需在鋼殼與混凝土之間設置抗剪連接件[3]。常見的抗剪連接件包括栓釘連接件、型鋼連接件和PBL連接件[4-5]。在鋼殼沉管隧道中,抗剪連接件要求具有較高的抗剪承載力,而角鋼連接件能夠較好地滿足需求[6-7]。

在澆筑混凝土過程中,受加勁肋、混凝土自身流動性、混凝土收縮等諸多因素的影響,連接件與混凝土之間容易存在脫空現象。國內外學者對混凝土脫空情況下的連接件受力性能進行了大量研究。Kiyomiya等[8]為研究脫空對角鋼連接件影響,將脫空分為正面脫空、背面脫空和兩側脫空3種。通過試驗發現,混凝土背面脫空對角鋼件影響不大。唐亮等[9]通過澆筑足尺推出模型試驗研究混凝土脫空缺陷對鋼殼沉管隧道抗剪連接件的影響; 試驗結果表明,當脫空深度為10 mm和20 mm時,抗剪連接件的承載力分別降低至83.5%和62.5%,其剛度分別降低至51.6%和29.4%; 同時還提出了角鋼抗剪連接件承載力計算公式。劉玉擎等[10-11]通過研究混凝土澆筑方向對栓釘抗剪連接件性能的影響發現,側立澆筑混凝土會降低栓釘和開孔板連接件的抗剪剛度; 混凝土脫空對構件承載力也有顯著影響,且脫空范圍越增加,構件性能下降越明顯[12-14]。葉勇等[15]通過建立有限元模型發現,脫空會降低鋼管混凝土的極限剪應力。

目前針對鋼殼混凝土、鋼管混凝土等結構脫空的修復方法多為注漿法。部分學者提出采用高性能聚合物進行修復,常用的高性能聚合物材料有聚氨酯、環氧材料[16-18]。然而,國內外針對實際脫空后將如何修復、修復效果是否可靠等方面還未見有報道,因此有必要針對混凝土脫空修復對角鋼連接件力學性能影響進行深入研究。

為此,本文以在建的深中通道沉管隧道為背景,在現有研究基礎上,設計3種不同的脫空形狀和與之對應的脫空修復足尺推出試件,詳細探討不同脫空形狀及脫空修復對連接件破壞形態、荷載-滑移曲線、抗剪承載力和抗剪剛度的影響; 同時,考慮將角鋼連接件周邊區域普通混凝土替換成超高性能混凝土,即在實際鋼殼混凝土組合結構中,采用在其他部位澆筑普通混凝土,在角鋼連接件局部區域澆筑超高性能混凝土,可免去角鋼連接件普通混凝土出現脫空后的再修復,試驗顯示了超高性能混凝土對角鋼連接件力學性能的提升效果。通過開展有限元計算分析,揭示了脫空修復的性能特征差異。

1 試驗設計

1.1 試件設計

共設計8組推出試件,包含3種不同脫空形狀、脫空修復以及未修復時的替換混凝土材料。3種不同脫空形狀分別為三棱柱、局部圓形和局部不規則形,每種不同脫空形狀均對應同種脫空修復方式。混凝土分別采用C50的普通混凝土和C120的超高性能混凝土[19]。推出試件的連接件型號均為L150×90×10。為減少混凝土骨料分布引發的數據離散性,每組制作3個試件,共計24個試件。推出試件參數見表1。

表1 推出試件參數

當混凝土正面脫空時,其承載力顯著降低; 而實際工程中有少部分混凝土的脫空深度是10～20 mm[8,20]。因此,脫空應考慮最不利工況,混凝土僅考慮正面脫空形式,三棱柱脫空在試件縱向上貫通無約束,為全截面最不利脫空,脫空深度取20 mm,脫空深度和長度之比為1∶10。局部圓形脫空和局部不規則脫空在試件縱向上未貫通有約束,推出試件尺寸為300 mm×300 mm×600 mm(長×寬×高),試件構造及脫空形式如圖1所示。

圖1 試件構造及脫空形式(單位: mm)

為更好地模擬實際工程,推出試件采用素混凝土,鋼材采用Q345級,通過合理的焊接工藝保證角鋼和型鋼連接處的角焊縫不發生破壞。混凝土澆筑過程中用EVA材料填實脫空區域(見圖2(a)和(b)),試件成型后用解膠劑將其融化制造脫空。局部脫空試件破壞后,EVA材料已完全融化,脫空制造效果良好(見圖2(c)和(d))。豎向鋼板的整體強度在推出試驗中不作為控制條件,在脫空對應的豎向鋼板區域局部預留圓孔洞,可忽略預留孔洞對試驗結果的影響。在孔洞內填充水泥基高強無收縮灌漿料來模擬脫空修復(見圖2(e))。待脫空修復試件加載破壞后觀察修復區域,可以看出灌漿料填滿密實,修復效果(見圖2(f))滿足試驗要求。

(a) 三棱柱脫空 (b) 局部不規則脫空

參考材料性能測試相關規范,取同一批次的鋼板進行標準拉伸試驗,采用邊長100 mm混凝土立方體試塊進行抗壓強度測試,采用300 mm×100 mm×100 mm(長×寬×高)棱柱體進行抗折強度及彈性模量測試,試件材料參數如表2所示。

表2 試件材料參數

1.2 加載及量測方案

試驗采用荷載量程5 000 kN的試驗機進行豎向加載,全過程采用實時力控加載,加載速率為0.5 kN/s,在試驗平臺上鋪1層薄砂,確保試件下部受力均勻。試件加載及位移量測如圖3所示,采用導桿位移計量測連接件和混凝土之間的界面滑移,采用力傳感器量測連接件的抗剪承載力。

圖3 試驗加載及位移量測

2 試驗結果及分析

2.1 破壞模式

普通混凝土推出試件破壞表現為角鋼底部混凝土壓潰、角鋼頂部混凝土掀起破壞等,典型破壞模式見圖4。普通混凝土推出試件加載至破壞過程中,角鋼肢尖處產生較大應力并產生向下斜裂縫,角鋼底部混凝土發生豎向或斜向大裂縫的壓潰現象,導致角鋼底部混凝土發生壓潰破壞,角鋼頂部混凝土因角鋼變形而發生掀起破壞,試件達到極限抗剪承載力。

(a) 未脫空 (b) 三棱柱脫空

帶三棱柱脫空的超高性能混凝土推出試件表現為角鋼連接件根部處的鋼板剪切破壞,典型破壞模式如圖5所示。超高性能混凝土推出試件加載至破壞過程中,角鋼根部鋼板發生較大變形,隨著荷載繼續增加,角鋼根部鋼板發生剪切破壞,混凝土表面僅有少量裂紋,試件達到極限抗剪承載力。

圖5 試件破壞模式(超高性能混凝土)

可以看出,相比普通混凝土推出試件,超高性能混凝土的抗壓和抗拉性能顯著; 同時,推出試件的抗剪承載力受角鋼連接件母材強度影響較大。

2.2 荷載-滑移曲線

推出試件的荷載-滑移曲線結果如圖6所示。未脫空、脫空及脫空修復的普通混凝土推出試件荷載-滑移曲線大致可以分為3個階段: 1)加載前期,試件的荷載-滑移曲線基本呈直線段; 2)當達到極限荷載的70%之后,荷載-滑移曲線逐漸變緩; 3)極限荷載后荷載-滑移曲線突然下降。普通混凝土推出試件達到極限承載力時的滑移值均在2 mm以內,由此可以看出,普通混凝土推出試件破壞時的滑移量較小,脆性較強。

(a) 普通混凝土三棱柱脫空 (b) 普通混凝土局部圓形脫空 (c) 普通混凝土局部不規則脫空 (d) 普通混凝土和超高性能混凝土三棱柱脫空

從圖6(d)可以看出: 超高性能混凝土脫空試件滑移量較大,說明超高性能混凝土力學性能良好,角鋼在發生顯著變形的情況下,推出試件的抗剪承載力仍有所增加。

2.3 抗剪承載力分析

各組試件連接件抗剪承載力見表3。由表可以看出: 脫空后試件的抗剪承載力顯著小于未脫空試件,不同脫空形狀對承載力的影響程度不同。其中,普通混凝土推出試件三棱柱脫空的承載力折減最大可達32.8%,這與文獻[8]給出的脫空承載力折減31%的結果基本一致; 局部圓形脫空的承載力折減27.9%,局部不規則脫空的承載力折減13.3%,主要原因是脫空后混凝土與連接件的接觸面積減小,繼而造成混凝土的承載能力顯著降低。由于三棱柱脫空形式為沿角鋼連接件長度方向整體脫空,圓形和不規則脫空形式為局部脫空,因此三棱柱脫空對承載力折減程度最大,可作為角鋼連接件最不利脫空影響布置的參考。此外,試驗結果顯示: 超高性能混凝土推出試件三棱柱脫空的承載力提升77%,提升效果顯著。

表3 連接件抗剪承載力

對比脫空試件和脫空修復后的試件抗剪承載力可以看出,脫空修復后的推出試件抗剪承載力有一定提升。其中,普通混凝土推出試件三棱柱脫空修復后的承載力提升19.4%,但脫空修復后的承載力均不能恢復到未脫空時的承載力,承載力最大折減19.7%。這表明脫空處填實能夠在一定程度上恢復承壓面積,改善承壓效果,提升試件抗剪承載能力;但填充物與脫空界面混凝土間存在薄弱層,無法較好地與原構件協同受力。

2.4 抗剪剛度分析

在正常使用狀態下,連接件剪力約為其極限承載力的50%,因此將連接件抗剪剛度規定為50%峰值荷載的割線剛度Kv[21]。連接件抗剪剛度見表4。

表4 連接件抗剪剛度

由表4可知: 相較未脫空時,普通混凝土脫空及脫空修復對角鋼連接件抗剪剛度均有不同程度影響。普通混凝土三棱柱脫空、圓形脫空、不規則脫空對應的連接件剛度折減率分別為76.9%、16.4%和10.2%。可以看出: 三棱柱脫空對角鋼連接件的抗剪剛度影響最大,其對抗剪剛度的影響超過對抗剪承載力的影響; 脫空修復對角鋼連接件的抗剪剛度同樣有影響,修復后連接件的剛度均有提升,但相比未脫空時最大剛度折減約為56.9%; 脫空修復連接件的抗剪剛度相比抗剪承載力的提升效果不明顯,原因是薄弱層的存在使連接件變形得不到明顯改善,無法有效提升連接件的抗剪剛度。

未對三棱柱脫空進行修復、采用超高性能混凝土替換普通混凝土時,推出試件的抗剪剛度相比普通混凝土三棱柱脫空時折減8.9%,原因是普通混凝土替換成超高性能混凝土后,角鋼連接件的極限抗剪承載力提升顯著,但脫空導致角鋼連接件出現較大變形,使得連接件抗剪剛度總體表現出折減現象。

3 有限元分析

3.1 模型建立

為分析混凝土脫空對角鋼連接件抗剪性能的影響機制,考慮推出試驗結果中三棱柱脫空為最不利脫空,利用ABAQUS/CAE建立普通混凝土未脫空、三棱柱整體脫空和脫空修復的有限元實體模型。以三棱柱脫空和修復為例,實體模型相互作用及網格密度如圖7所示。模型主要由混凝土試件、角鋼連接件和灌漿修復料組成,均采用八節點六面體線性縮減積分單元C3D8R模擬。混凝土本構關系在材性試驗結果的基礎上參考文獻[22],采用ABAQUS中混凝土塑性損傷本構模型,其破壞特征為混凝土的開裂和壓碎,混凝土損傷的表征方式為各向同性彈性損傷和多重硬化塑性損傷理論。鋼筋和型鋼采用理想的彈塑性模型,采用CDP模型模擬灌漿料的材料性能以及灌漿料各項參數取值[23]。

圖7 模型相互作用及網格密度

鋼板與混凝土之間采用面面接觸,接觸面存在法向接觸和切向接觸,參數定義分別為“硬接觸”和“罰”函數,考慮界面之間的摩擦因數為0.6。修復料與混凝土界面薄弱位置同樣采用面面接觸設置屬性。在試件底部約束所有節點的平動和轉動自由度,在試件頂端設置參考點并與試件頂部端面耦合。采用ABAQUS的Explicit模塊能較好地處理關于材料損傷、復雜變形和接觸條件等問題。由于分析模塊進行的是動力計算,模型加載時須嚴格控制載荷速率,盡可能避免引入過多慣性力影響計算誤差。采用位移加載的方式模擬以得到推出試驗過程中的荷載-滑移曲線,為得到較為準確的計算結果,本文采用0.1 mm/s的位移加載速率。

3.2 有限元驗證

3.2.1 荷載-滑移曲線驗證

有限元與試驗荷載-滑移曲線結果對比如圖8所示。整體來看,有限元分析結果與推出試驗結果的荷載-滑移曲線在加載階段剛度存在偏差,主要原因是有限元分析過程中,混凝土與鋼板的接觸(包括混凝土與型鋼、混凝土與角鋼)參數設置較為復雜,對抗剪剛度影響較大,難以進行準確模擬,但抗剪承載力計算值與實測值誤差在5%以內,極限承載力偏差不大,有限元計算分析結果可以有效反應極限承載力的實測結果。

圖8 有限元與試驗荷載-滑移曲線結果對比

3.2.2 破壞模式驗證

試件破壞模式有限元分析與實測結果對比如圖9—11所示。由圖可知,未脫空、脫空及修復試件受壓損傷均發生在角鋼連接件內側混凝土區域,受拉損傷發生在角鋼肢尖和角鋼肩端區域,這與試件實際破壞模式基本一致。其中修復料受壓損傷不明顯,且實際試件最終破壞后的修復料也較為完整,進一步驗證了修復料與脫空界面混凝土存在的薄弱層導致脫空修復部位難以較好地協同受力。同時可以看出,有限元模型能夠有效分析未脫空、脫空及脫空修復的角鋼連接件推出試件的破壞模式。

(a) 未脫空破壞模式

(a) 脫空破壞模式

(a) 脫空修復破壞模式

3.2.3 參數分析

以修復料力學性能為變參數,分析采用灌漿料、超高性能混凝土(C120)和超高性能混凝土(C140)作為修復料時對推出試件最不利三棱柱脫空修復性能的改善效果。不同性能修復料試件荷載-滑移曲線如圖12所示,由圖可知,提高修復料力學性能對改善三棱柱脫空修復后的承載性能影響不明顯,主要是因為在試件不斷加載的情況下,修復料處于低應力狀態(見圖13),損傷區域較小,且薄弱層的存在使修復料與脫空區域無法協同受力,繼而導致修復料的力學性能特點得不到有效發揮。

圖12 不同性能修復料試件荷載-滑移曲線

(a) 灌漿料

推出試件相對滑移提取位置及脫空修復薄弱層滑移曲線如圖14所示,薄弱層在試件達到約50%極限載荷時產生0.2 mm以上的顯著滑移,表明修復料與脫空界面混凝土間的黏結失效,繼而導致脫空修復前后推出試件的抗剪剛度改善效果不明顯。

(a) 相對滑移提取位置

4 結論與建議

本文基于深中通道沉管隧道鋼殼混凝土連接件局部構造,通過足尺推出試驗和有限元計算對脫空及修復的角鋼連接件抗剪性能進行研究,總結不同脫空形狀及脫空修復對應的連接件破壞模式和力學性能變化規律,得到如下結論:

1)7組普通混凝土連接件推出試件均發生角鋼連接件內側混凝土壓潰破壞,具有較強脆性;1組超高性能混凝土連接件推出試件發生連接件根部鋼板切斷破壞,延性顯著;試件破壞模式受脫空和脫空修復影響不明顯,但混凝土強度的顯著提高對試件破壞模式影響較大。

2)脫空對角鋼連接件的抗剪承載力和抗剪剛度均有削弱影響,不同脫空形狀對承載力和剛度的削弱程度存在差異。脫空形狀為三棱柱脫空、局部圓形脫空和局部不規則脫空時,試驗測得的承載力折減率分別為32.8%、27.9%和13.3%,剛度折減率分別為76.9%、16.4%和10.2%。三棱柱脫空對連接件剛度削弱比對承載力削弱更大,主要是由于三棱柱脫空為全截面整體脫空,對角鋼根部的約束作用最不利。

3)脫空修復對脫空時角鋼連接件的抗剪承載力和抗剪剛度均有提升作用,不同脫空形狀修復的承載力和剛度提升程度存在差異。試驗測得修復后較未脫空時最大承載力折減19.7%、剛度折減56.9%,脫空修復的抗剪承載力和抗剪剛度性能恢復效果不顯著,主要原因是修復料與脫空界面混凝土間存在薄弱層,繼而造成修復料無法較好地與原構件協同受力,修復料仍處于低應力狀態且損傷區域較小。

4)當推出試件存在三棱柱脫空未修復時,將普通混凝土替換為超高性能混凝土,推出試件的抗剪承載力較未脫空時提升77%,抗剪剛度較脫空時折減8.9%。超高性能混凝土優良的高強力學性能使得角鋼連接件的抗剪承載力得到明顯提高,但由于脫空導致角鋼連接件出現較大變形,因而無法有效提升脫空情況下連接件的抗剪剛度。

5)通過最不利三棱柱脫空修復料力學性能變參數分析可以發現,提高修復料力學性能對改善三棱柱脫空修復后的承載性能效果不明顯,主要是因為修復料處于較低應力狀態且損傷區域較小。另外,薄弱層的存在使修復料與脫空區域無法協同受力,繼而導致修復料的力學性能特點得不到有效發揮。

后續研究建議如下:

1)脫空修復對角鋼連接件的性能影響規律研究還需要更多的試驗樣本來提供支撐,需繼續關注適用于不同脫空形式的修復方法研究。

2)本文主要研究了在脫空深度不變的情況下改變脫空形狀對角鋼連接件的抗剪性能影響,后續還應在脫空縱向長度和深度參數變化的條件下開展系統性深入研究,進一步明確脫空縱向長度與脫空深度的影響程度。