发布时间： 2022-09-06 13:15:27 钢-混泥土组成桥面板中UHTCC湿接缝抗弯强度特性数值计算方法
文/山东省交通规划院投资有限公司 浙大性能卓越建筑构造与材料研究所
徐召，代健波，陈国红，李庆华，童精中，徐世烺
自然科学基金（51978607）
1 UHTCC-水泥混凝土页面剖析基础理论
使用UHTCC做为湿接缝浇制原材料的组成桥面体系中，湿接缝处UHTCC与水泥混凝土中间将形成一个页面，如下图1所显示，在负弯矩影响下，桥面板将处在受弯情况，桥面板抗压强度承载能力T会由建筑钢筋、UHTCC-混泥土页面黏聚力给予：
T=cAc Asfy 乌梢蛇蝮蛇胶囊副作用（1）
式中：Ac为接缝处截面积；c为页面黏聚力；As为钢筋截面总面积；fy为建筑钢筋屈服应力。因而，在桥面层薄厚及其箍筋明确的情形下，横截面的承载能力会由页面的黏聚力尺寸来确定。页面黏聚力则在于水泥混凝土与浇筑UHTCC页面间的粘接力学行为，其赋值尺寸影响因素包含预制构件一部分混泥土接缝页面的表层情况，浇筑UHTCC强度及保养等情况。
图1水泥混凝土页面承受力
在黏聚力模型之中，UHTCC与水泥混凝土间的页面能通过在二者页面中间插进1层0的厚度Cohesive Elements即黏聚力模块去进行仿真模拟，该模型将UHTCC与水泥混凝土接缝页面中间繁杂的毁坏全过程根据牵引带-分离出来（traction-separation）破裂规则叙述，在这个破裂规则中最常见的是如下图2所显示的双线性本构模型。在其中横坐标轴表明偏移，纵轴表明地应力，上升段表明粘聚单元线弹性环节，其直线斜率即是黏聚单元弯曲刚度，最高值处表明黏聚模块逐渐产生损害后的偏移及相对应的最大应力，下降段与横坐标的相交表明黏聚模块完全损害后的偏移，这时相对应的地应力为0；由上升段、下降段与横坐标排成的三角形面积则意味着原材料完全造成破裂时所需的动能。由此可见，在界定黏聚面物理性能时，必须明确黏聚单元弯曲刚度、极限强度（妥协规则）、断裂能或黏聚模块产生完全破裂后的极限值偏移。
图2牵引带-分离出来破裂规则双线性本构模型
在Abaqus有限元分析系统中，粘结力模型做为1种损害模型，必须事先设定其损害规则才可以界定页面中间的损害规律性。常用损害规则包括4种:Quade Damage二次应变力规则、Maxe Damage较大应变力规则、Quads Damage二次应力规则、Maxs Damage最大应力规则。充分考虑桥面板在承担负弯矩时，桥面板关键受拉应力操纵，且混泥土在双轴拉申载入情况下的毁坏一般由法向应力操纵，因而在这篇文章针对UHTCC-混泥土页面的损害仿真模拟选用最大应力规则：
式中：tn为垂直在缝隙面上驱动力；ts，tt为缝隙表面互相垂直的牵引带；f为破裂规范，当1.0 ≤ f ≤ 1.0 ftol时把产生破裂；ftol为公差，默认0.05。
依据参考文献里的实验结论，测算得到黏聚面反向应变速率Enn，径向应变速率Ess、Ett；较大反向接触压力，较大径向接触压力，及其断裂能Gf等界面特性主要参数如表1所显示。
表1 Cohesive模块本构主要参数
2 有限元模型创建
有限元模型概述
在其立交桥的横桥向取一个带1条“一字肋”的肋骨带创建混凝土预制桥面板UHTCC湿接缝局部桥面板试样有限元模型，模型总长3.2m，净跨3m，宽0.5m，纵肋高0.21m，桥面UHTCC层厚45mm。其他实际模型规格如下图3所显示。
图3 模型规格提示
为了更好地后面开展参数化设计剖析，这里应用Python脚本制作在Abaqus中创建离散系统有限元模型。有限元模型时混泥土、UHTCC全部采用C3D8R实体线模块种类去进行仿真模拟，建筑钢筋则选用T3D2线形桁架结构模块实现仿真模拟，而因为钢架结构所采用的不锈钢厚度一般都远远小于其尺寸或宽度，采用壳单元则能够很好地接近具体而且能够减少模块总数并减少计算量。因而钢架结构一部分则采用S4R壳单元开展仿真模拟。
主要参数设置
桥面板混凝土材料采用强度等级为C50的混泥土，与此同时UHTCC抗压强度与此配对，其正方体抗拉强度为50MPa。UHTCC与混凝土材料二者本构模型都采用混泥土可塑性损害模型（concrete plasticity damage model），该模型都是基于可塑性和连续介质现代逻辑混泥土损害模型，其假设混泥土毁坏原理是原材料的拉申裂开和缩小粉碎。UHTCC的双轴载入受力应力应变曲线关联根据实验得到，双轴受弯应力应变曲线关联依据参考文献提议简单化为双平行线模型；水泥混凝土的双轴拉压应力应变曲线则选用混泥土结构设计规范所给出计算模型。UHTCC及混凝土材料主要参数如表2图示，本构曲线图如下图4所显示。钢架结构一部分则采用Q345建筑钢材，建筑钢筋采用HRB400级建筑钢筋。
表2UHTCC和混凝土材料主要参数选值
图4 UHTCC及混泥土可塑性损害本构
在使用一部分，钢架结构一部分与UHTCC/混泥土中间选用Contact接触仿真模拟，反向个人行为选用“硬”触碰，径向个人行为选用“罚”的磨擦公式计算，摩擦阻力取0.3，剪力钉与钢桥面中间则应用Tie关联管束。建筑钢筋与剪力钉均应用Embed置入管束置入到UHTCC与水泥混凝土之中。支架处设定钢垫板，水泥土/UHTCC中间应用Tie关联管束。而UHTCC水泥土中间则选用上文上述的Cohesive模块来联接，另外在接缝周边选用较小的拓扑优化来提高仿真模拟的精密度。接缝页面地应力做到所设置的极限状态的时候会页面处出现裂开，如下图5所显示。
图5 桥面模型裂开前后对比效果提示
初始条件应用简支界限，支架坐落于距顶端0.1m处，载入则选用三等分点四点弯载入，载入全过程应用偏移操纵载入。
3 有限元参数分析
此次试桩选用双髙压三管法，总共进行18组对比试验，整体按3种构思来设计
箍筋参数分析
最小配筋率是决定混泥土桥面板抗弯强度和粘聚性能的重要因素，为了能深入分析湿接缝处最小配筋率对钢混结构组成桥面板抗弯强度及抗裂度平衡的危害，采用接缝宽度为300mm的方形接缝页面对选用不一样箍筋方式的有限元模型展开分析，根据更改湿接缝位置部分数据加密建筑钢筋的间隔与孔径选定了箍筋主要参数，如表3及图6所显示。
表3 不一样最小配筋率有限元模型
图6 不一样最小配筋率模型部分节点详图
图7提出了不一样箍筋参数载荷偏移曲线图分析数据比照，一方面能够得知伴随着箍筋距离的减少，每个模型的强度在弹力阶段是基本上保持一致的，进到可塑性阶段后其极限承载力有一定提高，但设定φ10数据加密建筑钢筋MRW300和FRW300有限元模型承载能力各自相比不设置数据加密建筑钢筋的模型NRW300仅提升了3.5%和6.9%。另一方面伴随着数据加密钢筋规格的扩大，其一样线上弹力环节其弯曲刚度保持一致，但其进到可塑性环节后极限承载力提高却相较于箍筋距离的减少而言要低，究其根本仍然是最小配筋率差别尺寸导致的。
图7 不一样箍筋方式的有限元模型载荷偏移曲线图
图8为不一样箍筋方式中的建筑钢筋应变力发展曲线和载荷接缝处缝隙宽度发展曲线比照。从图8a能够得知，伴随着数据加密间隔的降低或数据加密筋直径扩大，最小配筋率的提高促使建筑钢筋的屈从载荷随着提高，这是因为同一级载荷下每条建筑钢筋所分摊的压力缩减，导致其钢筋屈服后的载荷有所提高。图8b不同箍筋方式下桥面板接缝处缝隙发展状况说明在其以图9方法计算后等效电路车辆荷载达到JTG D62—2016《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所给的较大缝隙宽度限制值规定（I，II类条件下限制值0.2mm，与此同时不难发现建筑钢筋从NRW300不数据加密到FRW300应用φ10mm全数据加密的情形下抗裂度能拥有持续提升，缝隙宽度0.2mm时相对应的载荷提高了95%，与此同时不难发现选用更改全数据加密钢筋规格的形式提高效果好于仅更改数据加密筋间隔的办法，且应用φ8mm与φ10mm全数据加密筋试样抗裂度能总体发展趋势主要表现十分贴近骨康宁乌梢蛇蝮蛇胶囊说明书，缝隙宽度0.2mm时相对应的载荷相距在10%之内。
图8 不一样箍筋方式的有限元模型载荷偏移曲线图
图9 车辆荷载中的等效电路荷载计算提示
接缝宽度剖析
桥面板湿接缝的宽度也是决定桥面板经济发展特性及施工方便快捷水平的关键因素之一，因为UHTCC相比水泥混凝土来讲企业方量价钱较高，因而在确保接缝特性及其达到最小配筋率规定的情形下，减少湿接缝宽度能够在一定程度上节省UHTCC的使用量，从而减少全部工程预算。文中设立了200，300mm及其400mm 3种不同湿接缝宽度的有限元模型（主要参数如表4图示，湿接缝部分如下图10所显示，在其中NRW300部分如下图10a所示），对湿接缝宽度造成的影响开展深入分析。
表4 不一样接缝宽度有限元模型
图10 不一样湿接缝宽度的桥面板部分
图11为不一样湿接缝宽度的有限元模型载荷偏移曲线图分析数据对，从图中可以看到，3种不同宽度湿接缝的载荷偏移曲线图基本上维持重叠，所以可以得到湿接缝宽度的改变对于整个桥面板试样危害力的大小基本上为0，这是因为UHTCC/混凝土抗压强度极限承载力相比钢架结构来说是十分较弱的（仅是Q345钢抗压强度的2%不上），当整体构造做到极限状态时，UHTCC/混泥土都已失效，因而提升或减少UHTCC湿接缝的宽度基本上也不会对于整个构造的极限承载力产生影响。
图11 不一样湿接缝宽度的有限元模型载荷偏移曲线图
3组模型的一般建筑钢筋应变力发展曲线和缝隙发展曲线如下图12所显示，从图12a能够得知接缝宽度从300mm增至400mm时其通长建筑钢筋应变力发展曲线几近重叠，二者并没比较大区别，但是其功从300mm减少到200mm的时候不难发现，其建筑钢筋应变力做到240με时伴随着载荷扩大而应变力维持在一个较为稳定值，但在全部构造做到承载能力极限状态时应变力才骨康宁乌梢蛇蝮蛇胶囊大毒吗 有了很大的提升。造成这一现象原因在于当接缝宽度减少到200mm时，接缝宽度内再也没有了剪力钉对接缝的部分桥面板造成管束，因此这部分的UHTCC桥面板已与钢桥面产生“脱粘”，造成接缝里的建筑钢筋应变力发展和300mm及其400mm宽度接缝的现象形成了显著差别。针对图12b缝隙宽度发展曲线来讲，能够得知当接缝宽度从300增至400mm时接缝处缝隙宽度增长速度大幅度提升，而200mm与300mm湿接缝宽度的模型对比拥有小幅的提升，但相距并不算太大。从上述建筑钢筋应变力发展状况和缝隙发展状况综合性来看，将湿接缝的宽度设在300mm上下是一个比较科学合理的值。
图12 不一样箍筋方式的有限元模型载荷偏移曲线图
徐召,代健波,陈国红,李庆华,童精中,徐世烺.钢-混泥土组成桥面板中UHTCC湿接缝抗弯强度特性数值计算方法[J].施工工艺(中英),2022,51(01):120-125.
