內聚力模型在新舊混凝土接觸界面中的應用

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

一、工程背景

隨著城市化進程加快，眾多舊式構筑物面臨加固改造，而混凝土結構加固改造工程最常見的做法是新舊混凝土交接處理，保證新舊混凝土界面處粘結性能是改造工程取得預期結果的關鍵。目前，數值模擬技術日益成熟，通過數值計算方法研究新舊混凝土接觸界面力學性能有助于加固工程的順利開展。

二、有限元分析

(一)接觸模型簡述

在ABAQUS中，新舊混凝土接觸可通過內聚力接觸屬性(Surface-based cohesive behavior)來模擬，用于接觸界面厚度可忽略不計的情況，通過張力-位移關系來定義。參數定義包括三個部分：線彈性張力-位移關系、損傷啟動準則以及損傷演化準則。

(二)模型概況

對文獻[1]中的試件W-M1(整體試件)和C-M1(鑿毛試件)進行模擬，C-M1模型如圖1所示，W-M1模型是整體澆筑，不存在新舊混凝土接觸界面。

圖1 C-M1試件模型

(三)模型參數

混凝土材料采用CDP模型，預制混凝土設計強度為C40，實測立方體抗壓強度平均值為48.92MPa。后澆混凝土設計強度為C50，實測立方體抗壓強度平均值為62.36MPa。按照規范[2]計算，該試驗混凝土實際強度超過設計強度2個等級以上，考慮混凝土脆性隨強度提高而增大，按照已有試驗建議，本文按照10MPa/mm～40MPa/mm進行取值。鋼筋等級為HRB335，采用桁架單元T3D2，通過EMBED命令嵌入。模型是通過頂部墊塊沿y軸負方向實施15mm位移加載。

損傷啟動準則采用最大應力準則，損傷演化采用基于能量、線性剛度降低的模式。考慮該試驗主要受豎向剪切破壞，根據剪切破壞相對位移來計算剪切斷裂能，近似作為總斷裂能。同時，考慮接觸界面發生脆性破壞，剪切破壞相對位移與峰值剪應力對應相對位移的比值δf/δ0取為1.5。接觸界面參數如表1所示。

表1 C-M1模型接觸界面參數取值

(四)結果分析

如圖2所示，W-M1整體試件在轉角處發生應力集中，雖然上下兩部分混凝土是同時澆筑，但豎向加載時試件的“界面交接處”仍是薄弱處，容易產生裂紋而破壞。如圖3所示，C-M1鑿毛模型的破壞過程與試驗結果相近，最終兩個混凝土試件會發生脫開破壞。

W-M1模型的剪切荷載-位移曲線呈現先增大后降低的變化過程，峰值剪切荷載均低于試驗結果，模型峰值荷載接近110kN，試驗峰值荷載接近160kN，但是模型曲線起始上升段與試驗曲線擬合度高，表明擬合程度較好。模型峰值荷載偏低的原因是CDP模型部分參數采用設計強度，而該試驗混凝土實際強度超過設計強度2個等級以上。

C-M1模型峰值剪切荷載與試驗結果較為接近，約為65kN，說明由于粘結界面的薄弱性使得承載能力低于整體澆筑結構。C-M1模型試驗結果與模型4上升段擬合程度高，說明實際試件界面接觸處的粘結滑移剛度偏大，粘結滑移剛度可取值為40MPa/mm，構件發生脆性破壞。比較模型1～模型4，粘結滑移剛度越大，峰值剪應力略微降低，這是因為模型界面在加載中發生輕微法向位移，剪切荷載受到法向位移的限制而達不到同樣的峰值，但峰值在設定參數3.32MPa附近，說明該接觸模型滿足預設要求。此外，模型剪應力達到峰值后剛度發生衰減，剛度越大，其衰減越脫離線性，這是因為剛度越大，δf/δ0取為1.5，計算得到的剪切斷裂能不足以有效模擬剪切行為，同時接觸界面輕微的法向位移消耗一部分能量，模型不再僅是沿剪切向破壞，導致模型界面處沿剪切方向的相對滑移受到模型沿接觸界面法向運動的影響，但把超過峰值應力后的幾個鄰近數據點連成一條趨勢線，該趨勢線與X軸相交的數值接近由δf/δ0取為1.5計算得到的δf，說明模型參數輸入正確。

三、結論

(1)計算模型結果符合試驗現象，構件承載能力受限于接觸界面的力學性能；(2)內聚力接觸屬性能夠有效模擬新舊混凝土接觸界面粘結力學性能，模型參數取值需考慮實際試驗條件的影響。