鋼-混泥土組成橋面板中UHTCC濕接縫抗彎強度特性數(shù)值計算方法

文/山東省交通規(guī)劃院投資有限公司 浙大性能卓越建筑構造與材料研究所

徐召，代健波，陳國紅，李慶華，童精中，徐世烺

自然科學基金（51978607）

1 UHTCC-水泥混凝土頁面剖析基礎理論

使用UHTCC做為濕接縫澆制原材料的組成橋面體系中，濕接縫處UHTCC與水泥混凝土中間將形成一個頁面，如下圖1所顯示，在負彎矩影響下，橋面板將處在受彎情況，橋面板抗壓強度承載能力T會由建筑鋼筋、UHTCC-混泥土頁面黏聚力給予：

T=cAc Asfy 烏梢蛇蝮蛇膠囊副作用（1）

式中：Ac為接縫處截面積；c為頁面黏聚力；As為鋼筋截面總面積；fy為建筑鋼筋屈服應力。因而，在橋面層薄厚及其箍筋明確的情形下，橫截面的承載能力會由頁面的黏聚力尺寸來確定。頁面黏聚力則在于水泥混凝土與澆筑UHTCC頁面間的粘接力學行為，其賦值尺寸影響因素包含預制構件一部分混泥土接縫頁面的表層情況，澆筑UHTCC強度及保養(yǎng)等情況。

圖1水泥混凝土頁面承受力

在黏聚力模型之中，UHTCC與水泥混凝土間的頁面能通過在二者頁面中間插進1層0的厚度Cohesive Elements即黏聚力模塊去進行仿真模擬，該模型將UHTCC與水泥混凝土接縫頁面中間繁雜的毀壞全過程根據牽引帶-分離出來（traction-separation）破裂規(guī)則敘述，在這個破裂規(guī)則中最常見的是如下圖2所顯示的雙線性本構模型。在其中橫坐標軸表明偏移，縱軸表明地應力，上升段表明粘聚單元線彈性環(huán)節(jié)，其直線斜率即是黏聚單元彎曲剛度，最高值處表明黏聚模塊逐漸產生損害后的偏移及相對應的最大應力，下降段與橫坐標的相交表明黏聚模塊完全損害后的偏移，這時相對應的地應力為0；由上升段、下降段與橫坐標排成的三角形面積則意味著原材料完全造成破裂時所需的動能。由此可見，在界定黏聚面物理性能時，必須明確黏聚單元彎曲剛度、極限強度（妥協(xié)規(guī)則）、斷裂能或黏聚模塊產生完全破裂后的極限值偏移。

圖2牽引帶-分離出來破裂規(guī)則雙線性本構模型

在Abaqus有限元分析系統(tǒng)中，粘結力模型做為1種損害模型，必須事先設定其損害規(guī)則才可以界定頁面中間的損害規(guī)律性。常用損害規(guī)則包括4種:Quade Damage二次應變力規(guī)則、Maxe Damage較大應變力規(guī)則、Quads Damage二次應力規(guī)則、Maxs Damage最大應力規(guī)則。充分考慮橋面板在承擔負彎矩時，橋面板關鍵受拉應力操縱，且混泥土在雙軸拉申載入情況下的毀壞一般由法向應力操縱，因而在這篇文章針對UHTCC-混泥土頁面的損害仿真模擬選用最大應力規(guī)則：

式中：tn為垂直在縫隙面上驅動力；ts，tt為縫隙表面互相垂直的牽引帶；f為破裂規(guī)范，當1.0 ≤ f ≤ 1.0 ftol時把產生破裂；ftol為公差，默認0.05。

依據參考文獻里的實驗結論，測算得到黏聚面反向應變速率Enn，徑向應變速率Ess、Ett；較大反向接觸壓力，較大徑向接觸壓力，及其斷裂能Gf等界面特性主要參數(shù)如表1所顯示。

表1 Cohesive模塊本構主要參數(shù)

2 有限元模型創(chuàng)建

有限元模型概述

在其立交橋的橫橋向取一個帶1條“一字肋”的肋骨帶創(chuàng)建混凝土預制橋面板UHTCC濕接縫局部橋面板試樣有限元模型，模型總長3.2m，凈跨3m，寬0.5m，縱肋高0.21m，橋面UHTCC層厚45mm。其他實際模型規(guī)格如下圖3所顯示。

圖3 模型規(guī)格提示

為了更好地后面開展參數(shù)化設計剖析，這里應用Python腳本制作在Abaqus中創(chuàng)建離散系統(tǒng)有限元模型。有限元模型時混泥土、UHTCC全部采用C3D8R實體線模塊種類去進行仿真模擬，建筑鋼筋則選用T3D2線形桁架結構模塊實現(xiàn)仿真模擬，而因為鋼架結構所采用的不銹鋼厚度一般都遠遠小于其尺寸或寬度，采用殼單元則能夠很好地接近具體而且能夠減少模塊總數(shù)并減少計算量。因而鋼架結構一部分則采用S4R殼單元開展仿真模擬。

主要參數(shù)設置

橋面板混凝土材料采用強度等級為C50的混泥土，與此同時UHTCC抗壓強度與此配對，其正方體抗拉強度為50MPa。UHTCC與混凝土材料二者本構模型都采用混泥土可塑性損害模型（concrete plasticity damage model），該模型都是基于可塑性和連續(xù)介質現(xiàn)代邏輯混泥土損害模型，其假設混泥土毀壞原理是原材料的拉申裂開和縮小粉碎。UHTCC的雙軸載入受力應力應變曲線關聯(lián)根據實驗得到，雙軸受彎應力應變曲線關聯(lián)依據參考文獻提議簡單化為雙平行線模型；水泥混凝土的雙軸拉壓應力應變曲線則選用混泥土結構設計規(guī)范所給出計算模型。UHTCC及混凝土材料主要參數(shù)如表2圖示，本構曲線圖如下圖4所顯示。鋼架結構一部分則采用Q345建筑鋼材，建筑鋼筋采用HRB400級建筑鋼筋。

表2UHTCC和混凝土材料主要參數(shù)選值

圖4 UHTCC及混泥土可塑性損害本構

在使用一部分，鋼架結構一部分與UHTCC/混泥土中間選用Contact接觸仿真模擬，反向個人行為選用“硬”觸碰，徑向個人行為選用“罰”的磨擦公式計算，摩擦阻力取0.3，剪力釘與鋼橋面中間則應用Tie關聯(lián)管束。建筑鋼筋與剪力釘均應用Embed置入管束置入到UHTCC與水泥混凝土之中。支架處設定鋼墊板，水泥土/UHTCC中間應用Tie關聯(lián)管束。而UHTCC水泥土中間則選用上文上述的Cohesive模塊來聯(lián)接，另外在接縫周邊選用較小的拓撲優(yōu)化來提高仿真模擬的精密度。接縫頁面地應力做到所設置的極限狀態(tài)的時候會頁面處出現(xiàn)裂開，如下圖5所顯示。

圖5 橋面模型裂開前后對比效果提示

初始條件應用簡支界限，支架坐落于距頂端0.1m處，載入則選用三等分點四點彎載入，載入全過程應用偏移操縱載入。

3 有限元參數(shù)分析

此次試樁選用雙髙壓三管法，總共進行18組對比試驗，整體按3種構思來設計

箍筋參數(shù)分析

最小配筋率是決定混泥土橋面板抗彎強度和粘聚性能的重要因素，為了能深入分析濕接縫處最小配筋率對鋼混結構組成橋面板抗彎強度及抗裂度平衡的危害，采用接縫寬度為300mm的方形接縫頁面對選用不一樣箍筋方式的有限元模型展開分析，根據更改濕接縫位置部分數(shù)據加密建筑鋼筋的間隔與孔徑選定了箍筋主要參數(shù)，如表3及圖6所顯示。

表3 不一樣最小配筋率有限元模型

圖6 不一樣最小配筋率模型部分節(jié)點詳圖

圖7提出了不一樣箍筋參數(shù)載荷偏移曲線圖分析數(shù)據比照，一方面能夠得知伴隨著箍筋距離的減少，每個模型的強度在彈力階段是基本上保持一致的，進到可塑性階段后其極限承載力有一定提高，但設定φ10數(shù)據加密建筑鋼筋MRW300和FRW300有限元模型承載能力各自相比不設置數(shù)據加密建筑鋼筋的模型NRW300僅提升了3.5%和6.9%。另一方面伴隨著數(shù)據加密鋼筋規(guī)格的擴大，其一樣線上彈力環(huán)節(jié)其彎曲剛度保持一致，但其進到可塑性環(huán)節(jié)后極限承載力提高卻相較于箍筋距離的減少而言要低，究其根本仍然是最小配筋率差別尺寸導致的。

圖7 不一樣箍筋方式的有限元模型載荷偏移曲線圖

圖8為不一樣箍筋方式中的建筑鋼筋應變力發(fā)展曲線和載荷接縫處縫隙寬度發(fā)展曲線比照。從圖8a能夠得知，伴隨著數(shù)據加密間隔的降低或數(shù)據加密筋直徑擴大，最小配筋率的提高促使建筑鋼筋的屈從載荷隨著提高，這是因為同一級載荷下每條建筑鋼筋所分攤的壓力縮減，導致其鋼筋屈服后的載荷有所提高。圖8b不同箍筋方式下橋面板接縫處縫隙發(fā)展狀況說明在其以圖9方法計算后等效電路車輛荷載達到JTG D62—2016《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》所給的較大縫隙寬度限制值規(guī)定（I，II類條件下限制值0.2mm，與此同時不難發(fā)現(xiàn)建筑鋼筋從NRW300不數(shù)據加密到FRW300應用φ10mm全數(shù)據加密的情形下抗裂度能擁有持續(xù)提升，縫隙寬度0.2mm時相對應的載荷提高了95%，與此同時不難發(fā)現(xiàn)選用更改全數(shù)據加密鋼筋規(guī)格的形式提高效果好于僅更改數(shù)據加密筋間隔的辦法，且應用φ8mm與φ10mm全數(shù)據加密筋試樣抗裂度能總體發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)十分貼近骨康寧烏梢蛇蝮蛇膠囊說明書，縫隙寬度0.2mm時相對應的載荷相距在10%之內。

圖8 不一樣箍筋方式的有限元模型載荷偏移曲線圖

圖9 車輛荷載中的等效電路荷載計算提示

接縫寬度剖析

橋面板濕接縫的寬度也是決定橋面板經濟發(fā)展特性及施工方便快捷水平的關鍵因素之一，因為UHTCC相比水泥混凝土來講企業(yè)方量價錢較高，因而在確保接縫特性及其達到最小配筋率規(guī)定的情形下，減少濕接縫寬度能夠在一定程度上節(jié)省UHTCC的使用量，從而減少全部工程預算。文中設立了200，300mm及其400mm 3種不同濕接縫寬度的有限元模型（主要參數(shù)如表4圖示，濕接縫部分如下圖10所顯示，在其中NRW300部分如下圖10a所示），對濕接縫寬度造成的影響開展深入分析。

表4 不一樣接縫寬度有限元模型

圖10 不一樣濕接縫寬度的橋面板部分

圖11為不一樣濕接縫寬度的有限元模型載荷偏移曲線圖分析數(shù)據對，從圖中可以看到，3種不同寬度濕接縫的載荷偏移曲線圖基本上維持重疊，所以可以得到濕接縫寬度的改變對于整個橋面板試樣危害力的大小基本上為0，這是因為UHTCC/混凝土抗壓強度極限承載力相比鋼架結構來說是十分較弱的（僅是Q345鋼抗壓強度的2%不上），當整體構造做到極限狀態(tài)時，UHTCC/混泥土都已失效，因而提升或減少UHTCC濕接縫的寬度基本上也不會對于整個構造的極限承載力產生影響。

圖11 不一樣濕接縫寬度的有限元模型載荷偏移曲線圖

3組模型的一般建筑鋼筋應變力發(fā)展曲線和縫隙發(fā)展曲線如下圖12所顯示，從圖12a能夠得知接縫寬度從300mm增至400mm時其通長建筑鋼筋應變力發(fā)展曲線幾近重疊，二者并沒比較大區(qū)別，但是其功從300mm減少到200mm的時候不難發(fā)現(xiàn)，其建筑鋼筋應變力做到240με時伴隨著載荷擴大而應變力維持在一個較為穩(wěn)定值，但在全部構造做到承載能力極限狀態(tài)時應變力才骨康寧烏梢蛇蝮蛇膠囊大毒嗎 有了很大的提升。造成這一現(xiàn)象原因在于當接縫寬度減少到200mm時，接縫寬度內再也沒有了剪力釘對接縫的部分橋面板造成管束，因此這部分的UHTCC橋面板已與鋼橋面產生“脫粘”，造成接縫里的建筑鋼筋應變力發(fā)展和300mm及其400mm寬度接縫的現(xiàn)象形成了顯著差別。針對圖12b縫隙寬度發(fā)展曲線來講，能夠得知當接縫寬度從300增至400mm時接縫處縫隙寬度增長速度大幅度提升，而200mm與300mm濕接縫寬度的模型對比擁有小幅的提升，但相距并不算太大。從上述建筑鋼筋應變力發(fā)展狀況和縫隙發(fā)展狀況綜合性來看，將濕接縫的寬度設在300mm上下是一個比較科學合理的值。

圖12 不一樣箍筋方式的有限元模型載荷偏移曲線圖

徐召,代健波,陳國紅,李慶華,童精中,徐世烺.鋼-混泥土組成橋面板中UHTCC濕接縫抗彎強度特性數(shù)值計算方法[J].施工工藝(中英),2022,51(01):120-125.