新舊混凝土粘結(jié)界面之仿真計(jì)算方法研究

王 崗 覃 朗 鄭克如 余文韜

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州；2.杭州偉業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州）（3.浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州；4.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州）

1 概述

多年以來，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，預(yù)制構(gòu)件拼裝完成后需要二次澆筑混凝土將構(gòu)件連接成整體；另外，結(jié)構(gòu)服役多年后，舊的混凝土材料會(huì)出現(xiàn)蜂窩、脫落及開裂等病害，需要采用新的混凝土予以補(bǔ)強(qiáng)加固。因此，新舊混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量是保證結(jié)構(gòu)整體受力性能的關(guān)鍵因素。在實(shí)際工程中，因新舊混凝土粘結(jié)性能出現(xiàn)問題而造成的影響日益突出，如瑞士的一座橋的橋面板經(jīng)噴射混凝土維修后，僅用了兩年時(shí)間新舊混凝土粘結(jié)界面脫開率就達(dá)到了30%～35%[1]；2009年9月浙江省甬臺(tái)溫高速公路寧波段某大橋由于空心板二次澆注的鉸縫結(jié)構(gòu)破壞造成橋梁結(jié)構(gòu)單板受力現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了空心板斷裂的重大事故[2]。然而，在對(duì)新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)性能的研究中，如何合理有效地對(duì)粘結(jié)界面的性能進(jìn)行仿真模擬的相關(guān)研究卻很少。王振領(lǐng)在其博士論文中提出目前對(duì)新老混凝土結(jié)合面的仿真分析研究極少[3]。因此，對(duì)新舊混凝土粘結(jié)性能的研究及尋找合理的仿真計(jì)算方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文以梁橋中常用的鉸縫結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，應(yīng)用有限元計(jì)算程序，建立裝配式橋梁上部結(jié)構(gòu)的工程仿真數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)新舊混凝土粘結(jié)性能的模擬方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。本文的研究結(jié)果將為混凝土結(jié)構(gòu)加固以及裝配式橋梁二次澆注混凝土粘結(jié)病害的成因分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 裝配式橋梁鉸縫結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算方法

20世紀(jì)70年代以來，我國大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，裝配式鋼筋混凝土鉸接板梁橋和T 型梁橋由于易于設(shè)計(jì)成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用相當(dāng)普遍。相鄰板塊之間廣泛采用的鉸縫構(gòu)造是在梁板預(yù)制時(shí)在梁板內(nèi)部相應(yīng)位置預(yù)埋鋼筋，待吊裝完成后，支立模板澆筑二次混凝土完成板塊連接的一種形式。鉸縫結(jié)構(gòu)屬于二次澆注混凝土，鉸縫混凝土與梁板混凝土接觸面使得兩次澆筑的混凝土存在明顯的分界面，屬于典型的新舊混凝土粘結(jié)問題。圖1為空心板梁橋的鉸縫構(gòu)造示意圖，相鄰兩片梁板之間有1 cm 寬度的縫隙?？紤]到這種實(shí)際情況，模型中將梁板與鉸縫分別建模，相鄰兩片梁板與鉸縫的兩邊二次混凝土澆筑部位存在分界面。

圖1 鉸縫傳力體系

根據(jù)鉸縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在外荷載作用時(shí)，鉸縫與梁板之間應(yīng)發(fā)生撓曲變形，而鉸縫結(jié)構(gòu)的橫向傳力性能可以有效反映新舊混凝土的粘結(jié)性能。相對(duì)于梁板高度來說，鉸縫的高度較小，因而鉸縫的剛度較小。在結(jié)構(gòu)受力時(shí)，假定轉(zhuǎn)動(dòng)變形主要發(fā)生在連接兩片梁板的1 cm 厚度鉸縫混凝土部位。本文通過改變鉸縫結(jié)構(gòu)部位1 cm 厚度混凝土（稱之為“連接層”）的材料性能來模擬鉸縫兩側(cè)梁板的適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)變形，如圖2所示。連接層保證了梁板間的橫向聯(lián)系，同時(shí)通過改變其材料性能又可以模擬出鉸縫結(jié)構(gòu)部位的適度變形。

采用有限元軟件ABAQUS 建立鉸縫傳力結(jié)構(gòu)的仿真模型。模型為13 m 跨徑的空心板橋，板寬為99 cm，并排布置20 片梁板（19 條鉸縫）。著眼于精細(xì)計(jì)算，梁板、鉸縫單元?jiǎng)澐志捎酶呔鹊牧骟w實(shí)體單元。橋梁計(jì)算模型及鉸縫部位網(wǎng)格劃分如圖3所示。由于鉸接板理論不考慮橋面鋪裝的荷載分散效果，計(jì)算模型不包括橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。模型中梁板及鉸縫均采用彈性單元，未考慮鋼筋作用。

圖2 鉸縫結(jié)構(gòu)連接層模擬方法示意

圖3 空心板梁橋有限元模型

表1為模型中材料特性取值，其中E 為材料的彈性模量，V 為材料的泊松系數(shù)。

表1 有限元模型材料特性

3 連接層有效性驗(yàn)證

有限元模型中連接層對(duì)模型的有效性影響很大，因此如何確定鉸縫結(jié)構(gòu)連接層的材料性能（以材料的彈性模量E 來表征）是有限元模型模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)是否成功的關(guān)鍵點(diǎn)。

在數(shù)值計(jì)算中，采用單片板跨中加載的方式，荷載大小取275 kN，荷載作用面積取68×20 cm（縱向×橫向）。連接層彈性模量采用試算分析的方式來確定。

模型中讓連接層的彈性模量E 值從32500 MPa（C40 混凝土的彈性模量）到1650 MPa 發(fā)生改變，相當(dāng)于鉸縫混凝土彈性模量的1/10000 ～ 1/20。當(dāng)荷載作用于10 號(hào)板時(shí)，其左右兩側(cè)的兩條鉸縫受力較大，荷載傳遞效果最為明顯。連接層的彈性模量E 取不同值時(shí)10 號(hào)板豎向位移如圖4所示。根據(jù)梁板受力及鉸縫橫向傳力特點(diǎn)，在外荷載作用時(shí)，橫向發(fā)生撓曲變形，而且鉸縫與梁板之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，參數(shù)E 取值太大則鉸縫與梁板之間相對(duì)錯(cuò)動(dòng)不明顯，如圖5a）、b）所示；反之，參數(shù)E 取值太小則鉸縫與梁板之間相對(duì)錯(cuò)動(dòng)過大，如圖5d）所示。據(jù)此可以初步推斷，鉸縫彈性模量數(shù)量級(jí)應(yīng)該在3250 MPa 附近取值。

圖4 鉸縫材料E 取不同值時(shí)10 號(hào)板豎向位移圖（放大500 倍）

查《混凝土簡支梁（板）橋》[4]中20 塊板的鉸接板橋橫向分布影響線表，計(jì)算各板跨中位置橫向分布系數(shù)，按橫向最不利位置布載，求得四車道工況下各板橫向分布系數(shù)。將模型計(jì)算值與鉸接板理論值相比較，模型中連接層的彈性模量E取3000 MPa，結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)N 為板號(hào)，豎坐標(biāo)m 為橫向分布系數(shù)。從圖中分析，模型計(jì)算結(jié)果與理論值吻合較好。

圖5 板橋跨中截面橫向分布系數(shù)模型計(jì)算值與理論值比較

4 小結(jié)

根據(jù)有限元模型計(jì)算值結(jié)果，可以看出模型中連接層的彈性模量E 取3000MPa時(shí)，鉸接板橋橫向分布系數(shù)理論值與模型計(jì)算結(jié)果所得的橋梁橫向變形曲線吻合較好，這表明采用連接層的方式來模擬鉸縫橫向傳力性能可以較好的體現(xiàn)荷載的橫向傳遞效果，能夠有效反映板梁結(jié)構(gòu)的空間分布。至此，建立了一個(gè)可以反映新舊混凝土粘結(jié)性能的空間數(shù)值計(jì)算方法。