基于總應變裂縫本構的箱梁混凝土注膠修復機理研究

李 倩 劉恒源 凌天清 桂許蘭 王志勇

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;2.重慶交通職業(yè)學院,重慶 402247;3.重慶路投科技有限公司,重慶 401147)

混凝土箱梁結構在運營期間,由于荷載及環(huán)境的作用,存在大量裂紋甚至較深的裂縫[1].對裂縫進行修補并恢復構件的整體性、連續(xù)性以及耐久性是橋梁混凝土結構修復工程的主要工作,灌注式注膠充填是最有效的修補方法之一[2-5].但膠液在裂縫中的滲流機理尚未見系統(tǒng)性研究,注膠的控制壓力也沒有形成體系,以致沒有注膠效果好、操作簡單的施工工藝.國家加固[6]規(guī)范針對裂縫修補技術,重點規(guī)定了灌縫膠結材料的要求,而針對灌注工藝僅僅是做了簡單的描述.從現(xiàn)有國外的研究成果來看[7-8],采用“環(huán)氧樹脂類”膠液進行橋梁結構裂縫修復的試驗多為構件層面的靜力試驗,且施工工藝較為復雜.基于總應變裂縫本構關系建立箱梁有限元模型,在分析箱梁裂縫開展次序、類型的基礎上,簡化施工工藝,并結合中高壓注膠特點及滲流機理,研究箱梁開裂前后的力學性能并對中高壓注膠修復效果進行分析.

1 總應變裂縫本構模型

總應變裂縫模型不分離各種應變,裂縫的受拉受壓分析中使用同一個本構關系,易于定義非線性特性和應用.Midas FEA中基于總應變裂縫本構模型把混凝土的拉壓性能分別用不同函數(shù)表征.采用總應變本構模型來判斷混凝土的開裂狀態(tài),可以有效地模擬結構裂縫開裂和發(fā)展狀態(tài).

以總應變裂縫本構關系為基礎的受拉模型可以分為基于斷裂能的軟化本構模型和與斷裂能無直接關系的受拉本構模型,有線彈性、Constant、指數(shù)軟化、Hordijk等.混凝土受壓狀態(tài)下受到橫向約束的影響時,各向同性應力將變大,強度和延性也相應提高.通過合理定義混凝土受壓狀態(tài)下的應力-應變關系,可以反映出各向同性應力的影響.受壓狀態(tài)應力-應變關系曲線有線彈性、Thorenfeldt、折線形線性硬化、Saturation hardening等.下文所建模型中選用的拉壓模型為Constant、Thorenfeldt模型.

圖1 Constant模型

圖2 Thorenfeldt模型

2 膠液滲流機理分析

2.1 中高壓注膠特點

基于針管注膠器和高壓泵注膠的缺點,研發(fā)一種新型中高壓注膠器,其膠體存儲器由強度和韌性較高的橡膠材料組成,根據(jù)彈性力學原理,可將壓力值的測量轉化為形變值的測量,從表面刻度讀出內部膠液的壓力值,方便快捷,簡單實用.

2.2 膠液滲流機理

當裂縫寬度≥0.2 mm時,可以采用注膠修復法.在箱梁梁底長、寬為L、h的裂縫中注入粘度為υ,密度為ρ的膠液,注膠壓力為P,在t時刻膠液運動長度為L時,在注膠壓力T下,有[9]：

其中,C1=(P-1×105)/ρ;C2=T/ρA;C3=d S/ρA;d為膠液粘滯系數(shù);S為膠液與縫壁的接觸面積;A為裂縫截面面積.

3 箱梁的力學性能分析

3.1 有限元模型的建立

箱梁有限元模型為單箱單室C50預應力混凝土結構,長20 m,寬10 m,高3 m,底板寬4 m.在底板位置布置3束預應力筋,腹板兩側各布置2束預應力筋.底板約束條件為鉸支.通過Midas FEA建立有限元模型,混凝土箱梁模型采用彈性實體單元;鋼筋模型采用線單元,與箱梁采用共節(jié)點的方式進行連接;腹板和底板預應力筋和箱梁實體采用組合模型,預應力筋與管道壁的摩擦系數(shù)取0.3,與管道每米局部偏差影響系數(shù)為6.6e-5,鋼筋回縮量取0.6 cm,并在開始端和結束端施加預應力4e6 N;劃分單元共26 282個.混凝土開裂狀態(tài)下的力學分析屬于非線性分析,需要將本構模型定義為剛度矩陣進行反復計算,使外力向量和內力向量達到平衡.在Midas FEA中提供的剛度矩陣有割線剛度矩陣和切線剛度矩陣.割線剛度矩陣可以獲得比較穩(wěn)定的解,更適合于鋼筋混凝土結構裂縫力學分析.因此,本模型中選用割線剛度,并考慮橫向約束效應的影響,迭代計算方法選擇收斂速度快的Newton-Raphson法[10].

圖3 箱梁有限元模型

圖4 選取位置示意圖

3.2 開裂后力學性能

箱梁混凝土開裂后,結構中應力-應變不再保持線性關系.所以,裂縫分析需要考慮材料的非線性特征.選取頂板：在腹板位置節(jié)點;頂板：橫向跨中節(jié)點;腹板跨中底部節(jié)點;底板：在腹板位置節(jié)點;底板跨中位置為研究對象.對頂板逐漸施加至3 N/mm2的均布荷載,對上述位置的應力-應變關系、荷載系數(shù)與應力、應變關系進行分析,關系曲線如圖5～7所示.

圖5 應力-應變關系

圖6 應力-荷載系數(shù)關系

圖7 應變-荷載系數(shù)關系

從上圖可以得出：除了頂板：橫向跨中節(jié)點位置由于頂板預應力筋的作用沒有開裂以外,其余部位的應力-應變均呈現(xiàn)非線性關系,且底板跨中位置的應變最大,表明裂縫開展較為明顯.隨著荷載的增加,各個特征節(jié)點的應力、應變均為非線性特征.荷載系數(shù)小于0.5時各個特征節(jié)點應變基本上是線性關系,之后逐漸呈現(xiàn)出非線性特性.

4 注膠修補箱梁裂縫效果分析

4.1 箱梁裂縫狀態(tài)

從有限元模型分析過程中可以得出,箱梁裂縫的發(fā)展次序是由頂板兩端預應力筋的錨固區(qū)和支座附近區(qū)域向箱梁腹板和底板跨中區(qū)域逐漸延伸,如圖8所示.

圖8 箱梁裂縫部位示意圖

從裂縫走向上看,在頂板兩端的預應力錨固區(qū)多為橫向裂縫;隨著頂板荷載的逐漸增大,在箱梁腹板和底板跨中處出現(xiàn)一些縱向裂縫且縱橫裂縫緩慢相互連通.

4.2 灌注式注膠工藝

箱梁實驗室模型和有限元模型的比例為1∶5.在頂板區(qū)域施加均布荷載逐漸至1 N/mm2,箱梁底板出現(xiàn)較為明顯的縱向和橫向裂縫.對寬度≥0.2 mm的裂縫進行注膠加固修復.根據(jù)裂縫的深度和寬度,注膠壓力控制在0.1～0.5 MPa,注膠材料選用日本肖邦環(huán)氧樹脂類,其指標見表1[11].

表1 肖邦環(huán)氧樹脂類的力學性能

在裂縫周圍進行處理后粘貼注膠嘴并封閉裂縫,注膠嘴間距為10 cm左右,將上述膠液配置好的膠液注入到膠囊中,旋轉接入基座,注膠器彈開基座閥門后,由于膠囊的收縮壓力將膠液通過基座底孔注入至裂縫內部,注膠時可通過膠囊上的刻度讀出注膠壓力,注膠嘴布置示意圖如圖9所示.

圖9 注膠嘴布置示意圖

膠液擴散半徑R取0.31,沿梁長方向裂縫截面面積A為0.5×10-3m2,膠液與裂縫內壁的總接觸面積S為0.49 m2,膠液總體積用量V為0.03 m3,注膠用時t約為1 260 s,由此得：C1=363 m,C1=1.82T(m),C3=0.23d(1/s).初始條件：t=0時,L=L(t)=0,粘度為v=L'(t)=0.由計算軟件Matlab解得系數(shù)T=8.8 N,d=14 N/s·m3,并將其帶入方程可得到注膠時間和注膠深度、速度之間的關系,從而驗證了公式方程和實際工程數(shù)據(jù)的吻合性.

4.3 注膠后箱梁力學性能分析

注膠完成待膠液完全固化后對實驗室模型進行相關力學性能試驗：對前所述特征位置節(jié)點粘貼應變片,在緩慢加載情況下進行應變的量測;同時,通過電子位移計實時對箱梁加固前后跨中撓度進行監(jiān)測,分析特征節(jié)點區(qū)域裂縫注膠修復后的應力-應變關系和箱梁裂縫中高壓灌注式注膠加固效果(如圖10所示).

圖10 注膠加固后的應力-應變關系

從圖10可以看出：在箱梁裂縫處注膠加固以后,各個特征點處在2.5 MPa的均布荷載下,應力-應變大致呈線性關系;隨著荷載的繼續(xù)增大,應力-應變呈非線性關系;底板跨中應變最大位置較加固前減小18%左右,加固修復效果良好.

箱梁裂縫加固前后分別對底板跨中處進行撓度監(jiān)測,每次連續(xù)監(jiān)測2 h,監(jiān)測結果如圖11所示[12].

圖11 箱梁底板跨中撓度值監(jiān)測曲線

由以上數(shù)據(jù)曲線可知：中高壓灌注式注膠加固后,箱梁底板跨中處的撓度值大幅減小.加固前底板撓度值最大為1.475 mm,注膠加固后撓度最大值為1.11 mm,降幅約為25%,表明注膠加固對帶裂縫工作的箱梁修復效果明顯,提高了箱梁后續(xù)承載能力.

5 結 論

基于總應變裂縫本構的箱梁有限元模型能較好的反應裂縫的發(fā)展次序和靜力力學性能.在荷載系數(shù)＞0.5時,箱梁各個特征點應力-應變均逐漸呈現(xiàn)非線性狀態(tài),裂縫的發(fā)展類型也由橫向裂縫向縱向裂縫轉變且橫縱裂縫相互貫通.在膠液滲流機理的基礎上,對箱梁裂縫進行中高壓灌注式注膠,膠液填充裂縫飽滿.對修復后箱梁各個特征點進行應變量測和底板跨中撓度監(jiān)測,結果表明底板跨中應變和撓度分別較修復前減小18%和25%左右,修復效果良好,中高壓灌注式注膠修復箱梁裂縫具有較高的先進性、創(chuàng)新性及實用性.