新老混凝土粘結(jié)試件的受力數(shù)值模擬及分析

謝占宇 ,胥新偉

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014060；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300401)

新老混凝土粘結(jié)試件的受力數(shù)值模擬及分析

謝占宇1,胥新偉2

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014060；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300401)

基于有限元數(shù)值模擬綜合對(duì)比分析了劈拉極限狀態(tài)下整體混凝土試塊、傳統(tǒng)的新老混凝土試塊和采用鋼筋機(jī)械連接的新老混凝土試塊的粘結(jié)性能，結(jié)果表明：在相同條件下，采用鋼筋機(jī)械連接新老混凝土粘結(jié)時(shí)，其劈拉強(qiáng)度比傳統(tǒng)的不加連接件的新老混凝土粘結(jié)試塊提高了約20%，而且采用鋼筋機(jī)械連接件具有顯著地抑制劈裂面的裂縫擴(kuò)展，混凝土中不同位置的劈拉應(yīng)力的增長(zhǎng)與該處到鋼筋軸心的距離基本呈線性關(guān)系.

粘結(jié)性能；新老混凝土粘結(jié)；鋼筋；有限元

0 引言

當(dāng)前，因功能和環(huán)境等因素的改變，使得工程實(shí)踐中需要對(duì)大量的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)，而影響混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)質(zhì)量的關(guān)鍵因素就是新老混凝土的粘結(jié)性能[1].國(guó)內(nèi)外研究人員和工程界對(duì)影響粘結(jié)性能的因素做了一系列的研究，并總體上將影響新老混凝土的粘結(jié)性能的因素歸納為[2- 4]：①粘結(jié)結(jié)合面處理方式和粗糙程度；②界面劑特點(diǎn)；③修補(bǔ)材料；④老混凝土基層質(zhì)量.實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的界面粘結(jié)方式在實(shí)際工程中效果不佳，因此一些研究人員基于試驗(yàn)提出采用鋼筋機(jī)械連接件來(lái)用于新老混凝土的粘結(jié)，通過(guò)在老混凝土上鉆孔然后植入鋼筋，采用水泥漿或植筋膠等進(jìn)行粘結(jié)，利用鋼筋連接件與老混凝土層的粘結(jié)力來(lái)抵抗界面的剪力.本文采用大型ANSYS軟件數(shù)值模擬分析整體混凝土試件、傳統(tǒng)地界面粘結(jié)新老混凝土試件和鋼筋機(jī)械連接件新老混凝土在劈拉極限狀態(tài)下各自的粘結(jié)性能及機(jī)理.

1 鋼筋連接新老混凝土的有限元分析

1.1 混凝土有限元分析模型

新老混凝土單元采用ANSYS軟件中Solid65單元模式，單元本構(gòu)關(guān)系依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》構(gòu)建[5]，本構(gòu)關(guān)系中，設(shè)置：

當(dāng)x≤1時(shí)有，

當(dāng)x>1時(shí)有，

新混凝土按C40考慮，波松比為0.17，彈性模量為3.25×104MPa.老混凝土按C35考慮，其波松比為0.167，彈性模量為3.10×104MPa.其它參數(shù)如表1所示.

表1 新混凝土本構(gòu)模型參數(shù)表

1.2 鋼筋本構(gòu)模型

鋼筋采用Beam188單元和理想彈塑性模型，其直徑為20mm，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為550MPa，彈性模量Es為1.9×105MPa，波松比為0.3.

1.3 墊塊模型

為模擬分析劈拉試驗(yàn)加載過(guò)程，在加載支座處定義寬度為2mm的彈性墊塊，其取彈性模量Es為3.0×104MPa，波松比0.167.

2 數(shù)值模擬分析

2.1 劈拉受力時(shí)整體混凝土試塊有限元分析

整體混凝土試件尺寸為150mm×150mm×150mm，有限元網(wǎng)格劃分采用變尺寸節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)方法，在y、z方向上單元尺寸為7.5mm.x方向上，混凝土單元節(jié)點(diǎn)在加載處與墊塊單元節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng).彈性墊塊大小為150mm×2mm×1mm.整體混凝土試塊模型如圖1所示.下層墊塊節(jié)點(diǎn)三個(gè)方面均約束.上層墊塊約束x方向自由度.模擬施加荷載為830N/mm.

圖1 整體混凝土及墊塊模型

分析劈拉面的受力情況，如圖2所示.在該劈拉面上，由于混凝土的開(kāi)裂，造成靠近支座與施加荷載的地方受力變化復(fù)雜.特別是在支座開(kāi)裂處的截面x向應(yīng)力由受拉變?yōu)槭軌?

圖2 劈拉面的x向應(yīng)力圖(Ⅰ)

有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，整體混凝土試件的極限承載力72.2kN.根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算的理論值為78.8kN，而根據(jù)圖2中x向應(yīng)力平均值即劈拉強(qiáng)度為2.2MPa，理論值為2.5MPa，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果與理論值比較吻合.

2.2 劈拉受力時(shí)新老混凝土粘結(jié)有限元分析

圖3所示為新老混凝土粘結(jié)模型.其中左右分別為新老混凝土，尺寸為150mm×150mm×75mm.考慮到二者之間粘結(jié)實(shí)質(zhì)為雙材料粘結(jié)問(wèn)題，已有研究結(jié)果表明[6]：隨著新老混凝土彈性模量比值差異的增大，新老混凝土粘結(jié)面上的剪切應(yīng)力也會(huì)隨之逐漸增大.規(guī)范規(guī)定原有混凝土修補(bǔ)時(shí)應(yīng)采用和老混凝土同等級(jí)的混凝土級(jí)配，以避免粘結(jié)面剪應(yīng)力畸變的發(fā)生.本模型采用的彈性模量比為1∶1.05,滿足要求.

圖3 新老混凝土分析模型

與整體混凝土試塊一樣，取新老混凝土中間結(jié)合面分析，在極限載荷作用下中間結(jié)合面上的x向應(yīng)力圖如圖4所示.

圖4 劈拉面的x向應(yīng)力圖(Ⅱ)

綜合分析表明，新老混凝土試塊的極限承載力52.5kN.根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算的理論值為65.5kN，而根據(jù)圖4中x向應(yīng)力平均值即劈拉強(qiáng)度為1.45MPa，理論值為1.8MPa.很明顯，與整體混凝土試塊相比，新老混凝土試塊的極限承載能力和劈拉強(qiáng)度分別下降了27.3%和34.1%.

3 新老混凝土粘結(jié)性能的數(shù)值模擬分析

新老混凝土粘結(jié)一般采用鋼筋進(jìn)行機(jī)械連接，連接后，需要對(duì)鋼筋連接件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的抗剪、抗拉計(jì)算.這里采用ANSYS中三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧M鋼筋.整體粘結(jié)模型如圖5所示.

圖5 鋼筋機(jī)械連接新老混凝土分析模型

這里模型加載與分析參數(shù)與整體試塊模型相同，計(jì)算到不收斂時(shí)，表明試塊破壞，達(dá)到極限承載能力.圖6(a)為極限狀態(tài)下x向應(yīng)力圖，6(b)為極限承載下混凝土試塊開(kāi)裂情況.

(a)x方向應(yīng)力圖

(b)混凝土開(kāi)裂xy面投影圖

分析x為75mm的劈拉面，如圖7所示.由圖可知，因?yàn)殇摻钸B接的作用，使得新老混凝土粘結(jié)面裂縫擴(kuò)展得到明顯抑制，且離鋼筋連接件越近，混凝土的劈拉應(yīng)力越小，而越遠(yuǎn)，混凝土的劈拉應(yīng)力越大，由圖可清晰的看到，混凝土不同位置劈拉應(yīng)力的增長(zhǎng)基本上與該處距鋼筋軸心的距離呈線性關(guān)系.圖8中鋼筋軸力圖顯示，鋼筋在靠近劈拉面部位時(shí)軸力較大，此時(shí)，新老混凝土劈拉面上的部分拉應(yīng)力是由鋼筋來(lái)承擔(dān)的，因而，控制加鋼筋機(jī)械連接新老混凝土粘結(jié)部件劈拉強(qiáng)度的主要因素為，原有混凝土的劈拉強(qiáng)度及鋼筋連接件與新老混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并有如下評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)鋼筋連接件與新老混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度足夠大時(shí)，試件破壞以老混凝土的破壞為標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)鋼筋連接件與新老混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度不足時(shí)，試件破壞則以新老混凝土的脫粘為標(biāo)志.

圖7 極限狀態(tài)下粘結(jié)面x向應(yīng)力

圖8 鋼筋連接件軸力圖

綜合分析表明，采用鋼筋連接新老混凝土試塊的極限承載力62.7kN.根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算的理論值為75.4kN，而根據(jù)圖7中x向應(yīng)力平均值即劈拉強(qiáng)度為1.65MPa，理論值為2.1MPa.很明顯，采用鋼筋機(jī)械連接件可以顯著改善混凝土的抗劈拉能力，新老混凝土采用鋼筋進(jìn)行連接時(shí)，其劈拉強(qiáng)度比不使用連接件的新老混凝土粘結(jié)結(jié)構(gòu)提高了20%左右，同整體混凝土試塊相比，采用鋼筋連接新老混凝土試塊的極限承載能力和劈拉強(qiáng)度分別下降13.2%和25.0%.

4 結(jié)論

采用有限元數(shù)值模擬對(duì)比分析了劈拉極限力下整體混凝土試塊、傳統(tǒng)界面劑粘結(jié)的新老混凝土試塊和采用鋼筋機(jī)械連接的新老混凝土試塊的性能，主要結(jié)論為：

(1)同等條件下，采用鋼筋機(jī)械連接新老混凝土粘結(jié)，其劈拉強(qiáng)度比傳統(tǒng)的不加連接件的新老混凝土粘結(jié)試塊提高了約20%；

(2)采用鋼筋機(jī)械連接件具有明顯抑制劈裂面的裂縫擴(kuò)展，且混凝土中不同位置的劈拉應(yīng)力的增長(zhǎng)與該處到鋼筋軸心的距離基本呈線性關(guān)系.

[1]趙志方.新老混凝土粘結(jié)機(jī)理和測(cè)試方法[D].大連：大連理工大學(xué)，1998.

[2]趙志方,趙國(guó)藩,黃承逵.新老混凝土粘結(jié)抗折性能研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2000(2):67- 72.

[3]劉建,趙國(guó)藩.新老混凝土粘結(jié)收縮性能研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001(3)：339- 342.

[4]趙志方,趙國(guó)藩,黃承逵. 新老混凝土粘結(jié)的劈拉性能研究[J]. 工業(yè)建筑,1999,29(11):56-59.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50010一2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[6]趙曉艷.新老混凝土鋼筋連接件結(jié)合性能研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004.

Numerical Analysis of Mechanical Performance for Bonding Properties of Fresh and old Concretes

XIE Zhanyu1,XU Xinwei2

(1.Baotou Railway Vocational and Technical College,Baotou 014060,China;2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on numerical analysis of Finite element method,comprehensively comparative analysis are carried out to investigate the bonding properties of fresh and old concretes by traditional methods and mechanical joint element.The results show that the splitting strength of the fresh and old concretes is enhanced significantly and increased over 20% than traditional bonding method.Moreover,the mechanical joint element such as steel bars have the function to curb the crack developing.The splitting stresses in the concrete samples is tend to be the linear relations with the distance between axes of steel and location.

bonding properties;fresh and old concrete;steel;FEM

1673- 9590(2015)01- 0064- 04

2014- 08- 03

謝占宇(1971-),男，講師,學(xué)士，主要從事建筑工程的研究

E-mail:15849298289@163.com.

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