鋼-UHTCC組合橋面板濕接縫抗裂性能數(shù)值分析

代健波， 李慶華， 童精中， 徐世烺

（浙江大學(xué)高性能結(jié)構(gòu)研究所，杭州 310058）

0 引言

正交異性組合橋面體系因其施工方便、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁。但在長期使用過程中，其面臨著橋面鋪裝層易損和鋼橋面開裂兩大耐久性問題［1］。有相關(guān)學(xué)者的研究表明，將超高性能水泥基復(fù)合材料（簡稱UHTCC）應(yīng)用于組合橋面體系，形成正交異性鋼-UHTCC韌性組合橋面體系，將能有效改善鋼橋面板剛度不足以及鋪裝層開裂問題［2，3］。

對(duì)于大跨度的組合橋面體系的施工，無論是采用預(yù)制拼裝還是現(xiàn)場澆筑，為了使得橋面結(jié)構(gòu)更加具備整體性，濕接縫將難以避免地出現(xiàn)在橋面鋪裝層當(dāng)中。對(duì)于正交異性UHTCC橋面層而言，濕接縫界面處的抗裂性能將有可能會(huì)由于界面處纖維的不連續(xù)等原因而出現(xiàn)明顯的劣化。目前國內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到了組合橋面板濕接縫的問題，邵旭東等對(duì)RPC（活性粉末混凝土，為高性能混凝土的一種）的濕接縫展開了接縫界面處理、接縫處局部鋼筋構(gòu)造以及接縫形狀等多方面研究，結(jié)果表明，提高接縫處的配筋率能有效提高其抗裂性能［4］。Wang等［5］的預(yù)制拼裝鋼-RPC組合橋面結(jié)構(gòu)的抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果表明，橋面層的裂縫主要集中在濕接縫界面處，原因就在于鋼纖維在界面處的不連續(xù)。Pan等［5］通過模型試驗(yàn)研究了六個(gè)具有不同構(gòu)造的RPC濕接頭的彎曲抗裂性能，結(jié)果表明鋸齒形和矩形濕接縫提供了明顯更好的抗裂性能。

而由于目前對(duì)鋼-UHTCC組合橋面板的研究還處于起步階段，界內(nèi)尚缺乏對(duì)鋼-UHTCC組合橋面板濕接縫的有關(guān)研究，文中將基于相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，探尋對(duì)UHTCC橋面板濕接縫在負(fù)彎矩作用下的受力狀況進(jìn)行仿真模擬的理論和方法。

1 濕接縫界面模擬方法

在ABAQUS中，可以通過在界面之間定義粘聚力接觸，使用基于牽引-分離定律的雙線性本構(gòu)模型如圖1所示，來模擬濕接縫界面的開裂失效，其中橫縱坐標(biāo)分別表示界面分離位移和分離牽引力大小。

圖1 基于牽引-分離定律的雙線性本構(gòu)

粘聚力模型包含多種損傷準(zhǔn)則，考慮到橋面板濕接縫處在負(fù)彎矩作用下主要承受拉應(yīng)力，因此文中采用最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則，其定義如下：

式中，tn對(duì)應(yīng)開裂面上的法向牽引力；ts，tt為開裂面上相互垂直的的切向牽引力；f為斷裂判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)1.0≤f≤1.0+ftol時(shí)，將從界面處產(chǎn)生開裂；ftol為公差，取值默認(rèn)為0.05。

文中所涉及的粘聚力接觸參數(shù)均為結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［7-9］進(jìn)行的定義，如表1所示。

表1 粘聚力接觸參數(shù)

2 有限元模型的建立

有限元模型的設(shè)計(jì)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［10］進(jìn)行，鋼材采用Q345鋼，構(gòu)造參數(shù)如圖2所示。為了并防止鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部屈曲，保證橋面板在負(fù)彎矩作用下能夠充分受彎，模型設(shè)置了底部翼緣以及加載處的多個(gè)橫向加勁肋。模型縱向全長為3.2m、凈跨3m，橋面層厚度為40mm，布設(shè)單層雙向直徑為10mm的HRB400級(jí)鋼筋，橋面層和鋼橋面之間依靠抗剪栓釘進(jìn)行連接。

圖2 有限元模型整體構(gòu)造尺寸參數(shù)（單位：mm）

根據(jù)橋面板濕接縫的不同構(gòu)造，文中共設(shè)計(jì)了5個(gè)試件，如表2所示。其中包含一個(gè)不含濕接縫的“整澆”試件和4個(gè)帶有濕接縫且包含不同鋼筋構(gòu)造的試件，其中針對(duì)現(xiàn)澆橋面的后澆濕接縫及預(yù)制拼裝橋面的濕接縫鋼筋構(gòu)造進(jìn)行了研究，各試件的接縫處鋼筋構(gòu)造具體如圖3所示。

表2 試件的構(gòu)造參數(shù)

圖3 濕接縫局部鋼筋構(gòu)造（單位：mm）

2.2 材料本構(gòu)及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

UHTCC使用周航凱等［11］建議的基于混凝土塑性損傷模型的UHTCC拉壓本構(gòu)模型，如圖4所示。同時(shí)UHTCC基本的彈性及相關(guān)的塑性參數(shù)也在表3中給出。鋼材、栓釘及鋼筋的本構(gòu)模型則根據(jù)Zhao等所給出的背應(yīng)力理論及彈塑性線性強(qiáng)化模型來進(jìn)行定義，如圖5所示。

表3 UHTCC材料參數(shù)取值

圖4 UHTCC拉壓塑性本構(gòu)模型

圖5 鋼板及鋼筋本構(gòu)模型

在網(wǎng)格劃分方面，UHTCC及栓釘均使用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋則采用T3D2線性桁架單元。而由于鋼梁部分其長度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度（比值在10以上），因此使用S4R殼單元既能減少計(jì)算量又能獲得接近實(shí)際的模擬效果?？紤]到計(jì)算的準(zhǔn)確度和速度，單元網(wǎng)格劃分尺寸為0.025m，濕接縫局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，尺寸為0.001m。模型中各部件的相互作用關(guān)系定義均結(jié)合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行。首先，考慮到橋面層在受彎狀態(tài)下將會(huì)同鋼橋面產(chǎn)生一定的滑移，因此模型中橋面層底面和鋼橋面之間定義為法向硬接觸和切向摩擦關(guān)系；其次，抗剪栓釘?shù)撞客ㄟ^綁定約束與鋼橋面，而上部則隨同鋼筋通過嵌入約束于橋面層中；此外，濕接縫界面粘結(jié)力學(xué)行為的定義則根據(jù)前文所述的粘聚力接觸進(jìn)行界面間相互作用的設(shè)置。

如圖6所示，模型加載條件為四點(diǎn)彎簡支邊界加載，加載過程以位移控制加載進(jìn)行。模型的分析采用Abaqus/Standard隱式求解器進(jìn)行。

圖6 加載方式

3 有限元結(jié)果分析

3.1 整體受力狀況分析

各個(gè)模型的整體破壞模態(tài)接近，以模型WJ為例，其整體受力應(yīng)力分布云圖如圖7、圖8所示，模型的最終的破壞由跨中純彎段鋼梁的屈曲引起。而由于各模型的接縫部位縱向鋼筋構(gòu)造不同，其鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)也有所區(qū)別。

圖7 整體受力情況（以WJ為例）

圖8 各模型鋼筋及鋼梁應(yīng)力狀態(tài)

其中整澆橋面模型INT和設(shè)置濕接縫由于鋼筋構(gòu)造完全一致，因此應(yīng)力狀態(tài)基本相同，鋼筋在純彎段部分均已達(dá)到最大應(yīng)力，進(jìn)入極限狀態(tài)。而對(duì)于設(shè)置加密鋼筋構(gòu)造的模型WJ-EH而言，由于加密鋼筋對(duì)應(yīng)力的分擔(dān)，在濕接縫部分的鋼筋應(yīng)力明顯有所減小。而對(duì)于搭接鋼筋構(gòu)造的模型WJ-RLP及WJRLPEH而言，其濕接縫的搭接段鋼筋應(yīng)力相對(duì)也有所減小，鋼筋在純彎段其余部位也幾乎都已進(jìn)入極限狀態(tài)。

濕接縫在界面處的破壞模態(tài)如圖9所示，在負(fù)彎矩作用下，橋面層整體處于受拉狀態(tài)，接縫界面滿足損傷規(guī)則即產(chǎn)生開裂，裂縫隨荷載增加而擴(kuò)展。

圖9 濕接縫在界面處的開裂

各個(gè)模型的荷載-跨中撓度曲線如圖10所示。首先在線彈性階段各個(gè)模型的曲線幾乎完全重合，這表明濕接縫的設(shè)置、局部鋼筋的加密以及縱向鋼筋的搭接都不會(huì)引起模型彈性階段剛度的變化。而進(jìn)入屈服階段后，對(duì)于設(shè)置了加密鋼筋的模型WJ-EH及WJ-RLPEH極限荷載高于其余未設(shè)置加密鋼筋的模型，但相差均不足5%，這表明濕接縫處局部鋼筋的的加密會(huì)對(duì)模型極限承載力產(chǎn)生一定影響，但在可忽略不計(jì)的程度內(nèi)，同時(shí)縱向鋼筋的搭接也不會(huì)對(duì)承載力產(chǎn)生影響。

圖10 荷載-跨中位移曲線

3.2 濕接縫界面開裂情況分析

在橋面板設(shè)置濕接縫的各個(gè)模型界面最大裂縫開展曲線如圖11所示。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，縱向鋼筋的搭接和通長布置對(duì)接縫界面的裂縫寬度總體發(fā)展趨勢幾乎不產(chǎn)生影響，而是否設(shè)置加密鋼筋才是影響其裂縫開展情況的關(guān)鍵所在。圖11中設(shè)置局部加密鋼筋的模型WJ-EH及WJ-RLPEH，在界面處的裂縫控制能力明顯優(yōu)于不設(shè)置局部加密鋼筋的模型WJ及WJ-RLP，這表明了接縫界面處局部配筋率的提高對(duì)于控制其裂縫開展的有效性。

圖11 接縫界面裂縫最大寬度發(fā)展曲線

圖12為各個(gè)設(shè)置濕接縫模型界面處的初裂荷載，由于UHTCC具備一定的裂縫自愈能力，初裂荷載的判斷標(biāo)準(zhǔn)為最大裂縫寬度大于50μm［12］。對(duì)比結(jié)果顯示，設(shè)置局部加密鋼筋的模型WJ-EH及WJ-WJRLPEH的初裂荷載相比于不設(shè)置加密鋼筋的模型WJ及WJRLP分別提高了77%和48%，這表明加密鋼筋不僅對(duì)改善接縫界面處的總體發(fā)展趨勢有效，并且能提高界面處的初裂荷載。此外，由于模型WJ-EH相較于WJ-RLPEH具有更高的界面配筋率，因此WJ-EH的初裂荷載也相對(duì)有所提高。

圖12 各個(gè)模型初裂荷載對(duì)比

4 結(jié)語

通過使用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了接縫的設(shè)置及濕接縫局部鋼筋構(gòu)造對(duì)鋼-UHTCC組合橋面板彎曲抗裂性能的影響，得到了如下結(jié)論：

（1） 橋面板濕接縫的設(shè)置對(duì)組合橋面板模型的抗彎性能幾乎沒有影響，同時(shí)縱向鋼筋的搭接及濕接縫局部鋼筋構(gòu)造的改變對(duì)橋面板模型的抗彎性能的影響可忽略不計(jì)。

（2） 橋面板濕接縫處局部加密鋼筋的設(shè)置能有效分擔(dān)橋面層縱向鋼筋所承擔(dān)的應(yīng)力，且對(duì)接縫界面處的裂縫發(fā)展控制性能有明顯的改善效果。

（3） 橋面板濕接縫局部加密鋼筋的設(shè)置能有效提高濕接縫界面處的初裂荷載，且在鋼筋采用搭接時(shí)也有著明顯的效果，這表明了預(yù)制裝配式UHTCC橋面板的可行性。