裝配式NC板UHPC濕接縫軸拉性能試驗(yàn)研究

張 陽，霍書亞

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

1 概述

建國以來我國基建事業(yè)得到了飛速發(fā)展，各式各樣的普通混凝土房屋、橋梁、隧道等大量建成，而當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在的需求，加上日積月累的物理、化學(xué)和生物作用，大量的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各樣不同類型的病害，像混凝土破損、老化、開裂、鋼筋外露銹蝕等現(xiàn)象［1］，這些病害的出現(xiàn)勢必會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患，傳統(tǒng)的橋梁加固改造或者裝配式結(jié)構(gòu)的濕接縫都是由普通混凝土 （Normal Concrete，簡稱NC）進(jìn)行處理，但用于處理加固改造的NC濕接縫處也已有不同程度的損壞，接縫開裂破壞、接縫脫落和漏水等情況已成為通病，影響安全使用［2］，造成NC接縫開裂破壞最直接的原因是普通鋼筋混凝土濕接縫的抗拉性能以及韌性較差，使得常規(guī)的NC接縫耐久性無法得到保證，加之新老混凝土粘結(jié)處強(qiáng)度較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)需要反復(fù)加固，加固周期長，不經(jīng)濟(jì)［3］。超高性能混凝土 （Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC）作為近年來新興的土木材料主力軍，擁有超高的耐久性和超高的力學(xué)性能，抗拉性能可達(dá)普通混凝土的幾倍［4-5］，且UHPC作為一種活性粉末混凝土，全部由細(xì)骨料配制而成，相比普通混凝土接縫擁有了更大的接縫接觸面積，可以有效提高界面粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B性［6］。由于這些出色的力學(xué)性能，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中UHPC作為濕接縫已經(jīng)被廣泛用在工程上［7］。在國外裝配式NC-UHPC濕接縫研究較多，一些西方國家像加拿大和美國等已經(jīng)進(jìn)行了比較系統(tǒng)深入的研究，并且制定了相應(yīng)的手冊，而我國目前對裝配式NC-UHPC濕接縫的軸拉性能研究基本處于空白。

由于目前國內(nèi)對裝配式NC-UHPC濕接縫的研究較少，故本文通過設(shè)計(jì)1組普通混凝土濕接縫構(gòu)件對比模型和1組UHPC濕接縫構(gòu)件模型，每組3個(gè)共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對兩種濕接縫進(jìn)行軸拉試驗(yàn)研究，并結(jié)合有限元軟件Abaqus進(jìn)行模擬軸拉試驗(yàn)過程，以此來探索裝配式NC-UHPC濕接縫相對于傳統(tǒng)NC濕接縫軸拉性能如何。

2 軸拉試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)思路

參考以往研究者的軸拉試驗(yàn)，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為兩端的NC采用C40混凝土，本試驗(yàn)所采用的C40配合比如表1所示，水灰比為0.44，用來模擬預(yù)制構(gòu)件或者舊混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑普通混凝土?xí)r放置于振動(dòng)臺(tái)使其密實(shí)，3 d后脫模，自然養(yǎng)護(hù)28 d以上，為了更接近實(shí)際工程情況，對原有混凝土界面進(jìn)行鑿毛處理，用鋼刷清除浮漿后在澆筑濕接縫前濕潤界面，1組濕接縫采用和原有混凝土一樣配合比的C40，另外1組濕接縫采用UHPC，采用的UHPC配合比如表2所示。試驗(yàn)構(gòu)件的具體構(gòu)造與配筋如圖1所示 （單位為mm），試件總長500 m，兩端的兩段210 mm為C40混凝土，中間長80 mm的陰影部分表示矩形濕接縫，矩形接縫具體尺寸為100 mm×80 mm×50 mm，其中①為φ10鋼筋，②③④為φ8鋼筋，幾種鋼筋均為HRB400。試件的原混凝土處配筋率為3.14%，接縫中間配筋率為6.28%。

表1 C40配合比Table 1 Mixture ratio of C40 kg／m3

表2 UHPC配合比Table 2 Mixture ratio of UHPC matrix kg／m3

圖1 試件構(gòu)造與配筋示意圖 （單位：mm）Figure 1 Schematic diagram of the structure and reinforcement of the test piece（Unit：mm）

2.2 試件制做

本試驗(yàn)針對濕接縫制作了2組構(gòu)件，每組3個(gè)共計(jì)6個(gè)試件，分別記為NC矩形接縫板（NC-JX1、2、3）和UHPC矩形接縫板（U-JX1、2、3）。U-JX和NC-JX尺寸保持一致，均為100 mm×80 mm×50 mm。

2.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用量程為60 t的MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)，為了使試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)采用定制夾具，且夾具頂部傳力鋼板的頂面與特定的萬向球鉸相連，以保證在試驗(yàn)加載的過程中盡可能減小偏心彎矩產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)裝置安裝時(shí)首先把試件安裝到定制的夾具上，然后通過萬向球鉸與傳力桿連接，最后通過夾頭把其固定在試驗(yàn)機(jī)上，安裝好后的軸拉試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 軸拉試驗(yàn)裝置Figure 2 Device of axial tension test

2.4 試驗(yàn)步驟

首先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載按力控方式加載，力大小為10 N／s，分3級加載至1 500 N，記錄每一級的數(shù)據(jù)，通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢查軸拉裝置安裝是否有偏心，因裝置制作精度若要達(dá)到100%對中基本不可能實(shí)現(xiàn)，所以本試驗(yàn)中對應(yīng)鋼筋的應(yīng)變在預(yù)加載階段每一級增量差與平均值在15%以內(nèi)時(shí)［8］，認(rèn)為試驗(yàn)裝置安裝對中，可以進(jìn)行后續(xù)正式加載。如果對應(yīng)位置的應(yīng)變在預(yù)加載過程中不對稱，則重新微調(diào)試件和裝置的位置，重復(fù)預(yù)加載過程直至試驗(yàn)裝置在拉伸試件時(shí)滿足上述的對中要求。預(yù)加載滿足對中要求后，加載至上述1 500 N以后卸載至0 N。隨后進(jìn)行正式加載，正式加載方式同樣為力控，加載速率設(shè)定為10 N／s，每一級加載步驟設(shè)置為200 N，每加載完一級后設(shè)置試驗(yàn)裝置為力保持狀態(tài)，待測完各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以后進(jìn)行下一步加載，然后重復(fù)上述正式加載步驟，直至試件拉伸到破壞，破壞以后記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)，最后卸載拆卸裝置。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過加載試驗(yàn)，兩種構(gòu)件試驗(yàn)開裂荷載及破壞荷載平均值主要結(jié)果比較列于表3。從表中可以看出，采用UHPC濕接縫的試件開裂荷載 （本文中的開裂荷載指使用裂縫觀測儀所能捕捉到的寬度為0.01 mm的裂縫）和極限荷載都遠(yuǎn)高于普通混凝土濕接縫構(gòu)件。普通混凝土接縫板對應(yīng)的開裂荷載為2.56 kN，以普通混凝土接縫板開裂荷載作為1，則UHPC矩形接縫板為普通混凝土接縫板的278.5%。關(guān)于開裂位置方面，雖然普通混凝土矩形接縫板和UHPC矩形接縫板均在接縫界面處開裂，但同樣為矩形濕接縫時(shí)，UHPC與原混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度明顯好于普通混凝土，可以看到UHPC作為濕接縫在軸拉性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的普通混凝土濕接縫。

表3 接縫試驗(yàn)結(jié)果平均值比較Table 3 Comparison of the average values of joint test results

在極限荷載下接縫板破壞時(shí)，2種接縫型式的構(gòu)件破壞方式如圖3試件破壞模式對比所示。3塊普通混凝土接縫板對應(yīng)的極限荷載平均值為17.26 kN，以此為基準(zhǔn)1，那么UHPC矩形接縫板為普通混凝土接縫板的232.1%。在試件開裂之前，混凝土和鋼筋共同受力，待構(gòu)件開裂以后，荷載均由鋼筋進(jìn)行承擔(dān)，由于鋼筋采用綁扎的形式，因此最終試件破壞狀態(tài)均為鋼筋從后澆筑濕接縫混凝土中拔出而破壞，為脆性破壞，可以說鋼筋與后澆筑濕接縫的錨固長度決定了破壞上限，而同為矩形接縫時(shí)由于UHPC骨料級配較小，相對于普通混凝土而言有著與鋼筋更好粘結(jié)強(qiáng)度，故UHPC濕接縫擁有更高的極限荷載，如圖3所示，兩種材料矩形接縫型式破壞時(shí)均為濕接縫被拉裂。值得注意的是普通混凝土濕接縫界面破壞時(shí)新老混凝土粘結(jié)非常少，而UHPC濕接縫界面處粘結(jié)了許多普通混凝土，說明UHPC作為濕接縫時(shí)與舊混凝土具有更好的咬合力。

圖3 破壞模式對比Figure 3 Comparison of the destruction mode

兩種接縫型式的荷載與主裂縫寬度曲線如圖4所示，依次進(jìn)行記錄主裂縫寬度隨著荷載變化的趨勢，兩種接縫板的初裂縫最終均發(fā)展成為了主裂縫。從圖4中可以看出，在裂縫發(fā)展階段UHPC接縫板在同等裂縫寬度的情況下載荷能力要強(qiáng)于普通混凝土接縫板，說明UHPC確實(shí)具有著更優(yōu)異的抗拉性能；2種接縫型式的荷載與應(yīng)變曲線如圖5所示，在構(gòu)件開裂之前，隨著拉力增加鋼筋的應(yīng)變呈線性變化，在構(gòu)件開裂時(shí)，鋼筋的應(yīng)變突變，在構(gòu)件開裂以后，荷載應(yīng)變曲線仍然呈線性變化，但此時(shí)斜率小于未開裂之前的斜率，因?yàn)闃?gòu)件的抗拉剛度從開裂前的鋼筋混凝土共同提供轉(zhuǎn)化為了鋼筋單獨(dú)提供。當(dāng)接縫處的界面已經(jīng)完全破壞后，相當(dāng)于僅張拉鋼筋，所以繼續(xù)張拉構(gòu)件已經(jīng)無實(shí)際意義；兩種接縫型式的荷載與位移曲線如圖6所示，從圖中可以看出，在試件開裂以前，兩種試件抗拉剛度均為鋼筋與混凝土的組合效果，此時(shí)試件隨荷載增加位移增加較小，試件開裂時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)荷載位移曲線有了明顯的轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的荷載對應(yīng)試件開裂荷載，試件開裂后混凝土喪失了抗拉能力，此時(shí)試件的抗拉剛度已轉(zhuǎn)為鋼筋自身的抗拉剛度，而試件在破壞時(shí)鋼筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度，因此開裂后荷載位移曲線大致呈線性變化，且接近脆性破壞的時(shí)候位移增加稍快。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果的對比可以得出結(jié)論，UHPC作為濕接縫時(shí)軸拉性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的NC濕接縫，UHPC可以考慮作為濕接縫代替?zhèn)鹘y(tǒng)的NC濕接縫。

圖4 荷載-主裂縫寬度曲線Figure 4 Load-main crack width curve

圖5 荷載-應(yīng)變曲線Figure 5 Load-strain curve

圖6 荷載-位移曲線Figure 6 Load-displacement curve

4 有限元模擬

4.1 本構(gòu)關(guān)系與有限元模型

本文采用的有限元分析軟件為Abaqus，用Abaqus分析時(shí)混凝土采用損傷塑性模型來計(jì)算，采用的普通混凝土受拉的本構(gòu)關(guān)系如圖7所示，該本構(gòu)是根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的數(shù)據(jù)所得［9］。采用的UHPC受拉本構(gòu)如圖8所示，該本構(gòu)數(shù)據(jù)參考了參考文獻(xiàn)4中的試驗(yàn)結(jié)果。在考慮單元模擬方面，UHPC和NC均采用C3D8R單元進(jìn)行模擬，試件里鋼筋采用T3D2模擬。其余的混凝土和鋼筋細(xì)節(jié)參數(shù)如表4所示。在界面模擬方面，因目前國內(nèi)對UHPC接縫研究較少，因此有限元分析時(shí)比較重要的原NC與UHPC接縫界面之間的接觸問題，參考國外學(xué)者的做法，其界面用traction-separation粘結(jié)單元來模擬，而非使用常規(guī)的硬接觸與摩擦系數(shù)去定義［10］。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖9所示，分析步按實(shí)際加載方式來模擬。

圖7 NC受拉本構(gòu)關(guān)系Figure 7 The pull constitutive relation of NC

表4 有限元材料參數(shù)Table 4 Material parameters of the FE

圖8 UHPC受拉本構(gòu)關(guān)系Figure 8 The pull constitutive relation of UHPC

圖9 有限元模型網(wǎng)格劃分Figure 9 Mesh of the FE model

4.2 有限元結(jié)果與試驗(yàn)對比

通過有限元計(jì)算得到理論分析的開裂荷載和破壞荷載，NC接縫板的理論與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖10所示，UHPC接縫板的對比圖如圖11所示，從圖中可以看到試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果相差在5%以內(nèi)，且有限元模型模擬的開裂位置與試驗(yàn)保持一致，兩種接縫板均為接縫界面處。有限元結(jié)果反映了NC與UHPC接縫界面用traction-separation粘結(jié)單元來模擬的合理性和準(zhǔn)確性。分析試驗(yàn)與有限元誤差的原因一方面是材料的彈性模量及其他材料參數(shù)很難100%的模擬準(zhǔn)確。另一方面有限元模擬力加載時(shí)可以做到絕對軸心受拉，而試驗(yàn)基本不可能做到完全的軸線加載，試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)附帶出現(xiàn)小部分偏心影響。

圖10 NC接縫有限元與試驗(yàn)結(jié)果對比Figure 10 Comparison of the NC joint FE and test results

圖11 UHPC接縫有限元與試驗(yàn)結(jié)果對比Figure 11 Comparison of the UHPC joint FE and test results

5 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d與有限元模型模擬結(jié)果可以得到下列結(jié)論：

a.裝配式NC-UHPC濕接縫軸拉性能遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)普通混凝土濕接縫結(jié)構(gòu)，可以考慮UHPC作為濕接縫。

b.兩種接縫板軸拉至破壞時(shí)，接縫板破壞位置均在新老混凝土接縫界面處。說明普通鑿毛處理的UHPC濕接縫軸拉性能弱于原有普通混凝土。

c.經(jīng)過試驗(yàn)與有限元模擬的相互驗(yàn)證，充分說明了NC與UHPC接縫界面處用traction-separation粘結(jié)單元來模擬的合理性和準(zhǔn)確性。