裝配式節段梁UHPC濕接縫界面力學性能數值模擬分析

殷 雨 時， 楊 紀， 蘇 慶 田， 張 冠 華， 易 富， 王 吉 忠

( 1.同濟大學 土木工程學院， 上海 200092；2.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司， 遼寧 沈陽 110166；3.遼寧工程技術大學 建筑與交通學院， 遼寧 阜新 123000；4.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

2025年我國裝配式建筑比例占新建比例要在50%以上，部分城市要求70%以上，裝配式結構已然成為未來建筑發展的主體[1]．裝配式橋梁結構能縮短約30%工期，節省約70%模板、90%木材、30%用電、50%用水，施工現場能夠降低約60%施工噪音，減少約80%建筑垃圾．可見，節能減排效果明顯，社會經濟效益顯著，應用市場前景十分廣闊．

橋梁工程建筑裝配式整體性能薄弱環節之一，為節段梁濕接縫現澆位置．業內雖已明確認知濕接縫的重要性，但目前橋梁工程建設濕接縫施工中還存在嚴重工藝不足，反映在濕接縫構造和縫內填充材料上．首先在濕接縫構造上，大多仍延續傳統菱形接縫和矩形接縫，導致界面黏結性能不好，局部剛度不穩定，整體性能一般．國外開展裝配式節段梁研究工作較早，Makita等[2-6]通過引入超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)，研究了UHPC試件軸拉力學性能，并對矩形和菱形接縫構造下UHPC在接縫處和結構整體力學性能上進行研究．邵旭東、蘇慶田、林上順等[7-12]研究了矩形接縫和菱形接縫尺寸、接縫鋼筋布置樣態、接縫鑿毛情況和界面干濕度對節段梁結構整體力學性能的影響，研究結果表明矩形和菱形接縫構造對界面力學性能影響不大，隨著接縫配筋率增加，接縫力學性能不斷得到提升，接縫處濕黏結界面相比黏結界面不利于界面黏結．胡志堅等[13]采用ABAQUS有限元模擬手段，分析了彎矩作用下預制拼裝橋面板菱形UHPC濕接縫抗彎性能，對不同縫寬、濕接縫界面形式、配筋率的橋面板有限元模型進行了參數化分析，得到菱形接縫構造優于矩形接縫構造，縫寬宜采用150 mm，且配筋率對開裂荷載影響不大，縫內配筋率不宜超過2.6%的結論．其次在濕接縫填充材料上，普遍采用節段梁同一強度等級的混凝土，或采用抗裂水泥[14]進行填充密實，受載后濕接縫界面處剝離問題仍大量出現，導致新舊混凝土界面黏結失效，薄弱面開裂面積不斷擴大，產生影響橋梁工程使用壽命和耐久性等一系列不良問題．目前國內規范、規程關于接縫混凝土抗裂構造及施工仍屬空白[15-17]，長期處于一種借鑒、探索，邊研究邊改進的現狀．因此高度關注濕接縫構造形態，強調濕接縫填充料本身重要貢獻，提升接縫處開裂荷載，提高結構極限承載力，對于完善裝配式橋梁工程科學研究和工程設計具有重要現實意義．

材料性能的提高是橋梁工程不斷進步的源動力．本文以結構局部改良、材料改性為出發點，以節段梁濕接縫位置為研究對象，提出以UHPC為濕接縫填充材料構造“干”字形濕接縫結構，采用界面力學和有限元法計算原理，利用ABAQUS軟件分析濕接縫界面構造、配筋率和結合面粗糙度對節段梁濕接縫界面力學性能影響規律，提出適用裝配式混凝土橋梁濕接縫構造形態、界面處理方式和合理配筋率，以期對裝配式混凝土梁濕接縫設計和施工提供理論科學依據．

1 裝配式混凝土梁有限元分析

1.1 有限元模型本構關系

ABAQUS提供了3種混凝土本構模型：脆性開裂模型、彌散裂縫模型和損傷塑性模型．聶建國等[18]對混凝土本構模型中影響結構或構件靜力行為的關鍵因素進行了詳細的對比分析，提出了不同混凝土材料選取適用本構模型的建議．Chen等[19]認為混凝土損傷塑性(CDP)模型能更好地模擬混凝土構件受力變形性能．該模型假定混凝土拉壓塑性各向同性，通過受拉軟化模擬受拉微裂紋的形成和擴展，通過受壓應力硬化及下降段的應變軟化模擬混凝土的受壓塑性．故本文采用混凝土損傷塑性模型．C40混凝土本構關系根據混凝土結構設計規范[16]計算得出．鋼筋采用理想彈塑性模型，屈服強度為335 MPa，極限抗拉強度為455 MPa．

UHPC的受壓應力-應變曲線采用文獻[20]提出的公式，如下式所示：

(1)

式中：σ為壓應力；x=ε/ε0，ε為壓應變，ε0為峰值點對應的應變；a為UHPC受壓應力-應變曲線初始切線模量與峰值割線模量的比值．

UHPC受拉本構關系采用文獻[21]中的受拉應力-應變關系，如下式所示：

(2)

式中：ft取7.2 MPa；Et為UHPC受拉初始彈性模量；εt0為UHPC受拉線彈性極限應變，εt0=200×10-6；εpc為UHPC應力軟化起始點等效應變，εpc=2 000×10-6．

裝配式混凝土梁現澆UHPC段與節段梁接觸設置是建立模型的關鍵．Hussein等[22]認為使用黏結單元(Traction-Separation)來模擬UHPC與普通混凝土的結合面更有實際意義．由于加載條件下破壞由法向應力和切向應力共同作用所致，本文對于UHPC-普通混凝土界面損傷選取二次名義應力準則，結合面的相對滑移選擇小滑移，同時設置表面間接觸．Traction-Separation常用本構模型為雙線性本構模型，如圖1所示．普通混凝土和UHPC界面二次名義應力準則的表達如下式所示：

(3)

圖1 黏結-滑移雙線性本構關系

1.2 有限元模型建立

為分析在彎曲應力作用下，裝配式混凝土節段梁濕接縫構造形式、配筋率和界面粗糙度對濕接縫界面力學性能影響規律，本文建立10個裝配式混凝土節段梁有限元模型，節段梁模型整體尺寸為1 100 mm×300 mm×200 mm，同時對濕接縫區域進行網格細化，網格尺寸為1 cm，其余位置網格尺寸為1.5 cm．采用四點彎曲方式10 mm位移控制加載，如圖2，Bi為接縫寬度．UHPC和普通混凝土均采用八節點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)模擬，在賦予材料屬性和本構關系中進行區別．鋼筋采用三維二節點桁架單元T3D2模擬，并嵌入混凝土中，300 mm梁高上分布4層搭接鋼筋，每層上下錯開布置4根鋼筋，梁底層受拉區布置3根受拉鋼筋，見圖3．支座(墊塊)設置為離散剛體，利用綁定約束與主梁實體連接．

(a) 菱形UHPC濕接縫

圖3 模型中濕接縫鋼筋搭接形式

1.3 有限元模型參數設置

為了分析濕接縫構造形式、配筋率和界面粗糙度對濕接縫界面力學性能影響規律，采用正交試驗分析思路，形成試驗研究方案．由于接縫位置界面粗糙度對節段梁接縫黏結性能有一定影響[12]，構造3種不同程度的粗糙樣態，分別在ABAQUS中通過參數設置為光滑(S)、中度粗糙(M)和粗糙(R)，見表1．模型材料物理參數、界面接觸參數和界面粗糙度量值設置見表2、3．

表1 節段梁濕接縫參數試驗設計

表2 有限元模型材料物理參數

表3 濕接縫界面接觸參數

2 濕接縫數值模擬與分析

2.1 濕接縫構造形式對界面力學性能的影響

采用ABAQUS建立縫寬為150 mm、配筋率為2.1%且接縫為中等粗糙(M)的UHPC濕接縫，模型加載后與傳統菱形接縫構造進行界面力學性能(界面黏結正應力σn、界面剝離位移sstr、界面切向剪應力τ)對比分析．其中菱形兩個起坡點分別距梁頂高度h為45 mm和255 mm，菱形鍵齒最大深度為75 mm．界面黏結正應力和界面剝離位移如圖4、5所示．

圖4 接縫界面黏結正應力變化規律

圖5 接縫剝離位移變化規律

2.1.1 界面黏結正應力和剝離位移 從圖4可以看到，距節段梁頂0～150 mm，“干”字形濕接縫構造產生的黏結正應力明顯高于菱形濕接縫的；距離梁頂150～300 mm時“干”字形構造接縫對于應力減小作用顯著，最大可減小43%，這對于減少梁底開裂，防止鋼筋和UHPC剝離起到了較好的抑制作用．

“干”字形濕接縫構造在抑制接縫界面剝離位移上要優于傳統菱形接縫，見圖5．尤其需要指出的是，在裝配式節段梁的鋼筋和UHPC界面處，“干”字形濕接縫構造顯著減少了鋼筋和UHPC之間產生的剝離位移．在距梁頂高250～300 mm時，處于受拉區的節段梁受到受拉鋼筋黏結約束，界面剝離位移較小，當界面高度增加后，界面剝離位移增加，直至到梁底附近，再次受到受拉鋼筋的約束，剝離位移再次減小．由此可以判斷，菱形接縫界面在彎曲荷載作用下受拉區域已經出現剝離開裂，接縫處受拉鋼筋布置會降低界面剝離位移，但無法阻止界面繼續開裂，這是由菱形接縫界面構造形式所決定．“干”字形接縫在橫截面高度達到275 mm(鋼筋與UHPC連接處)時，相對于菱形接縫界面剝離位移減小83.7%，可見“干”字形接縫在約束接縫界面開裂上效果十分明顯．

2.1.2 界面切向剪應力 為了分析“干”字形接縫構造對濕接縫界面切向剪應力影響規律，開展了ABAQUS切向剪應力CSHEAR1分析．這里切向剪應力方向定義如下：豎直接觸面為沿著接觸面豎直向下；水平接觸面為水平指向節段梁方向；菱形斜界面為沿著斜面平行幾何邊界切向向下．

由于接縫構造形式不同，菱形濕接縫界面受剪面積明顯大于“干”字形濕接縫界面的，荷載施加過程中菱形斜界面比“干”字形豎直界面的最大剪應力增大84.1%．“干”字形濕接縫構造僅在75 mm 處產生剪應力集中，距梁底75 mm范圍內，接縫邊界存在局部剪應力集中，但作用面積很小．與菱形濕接縫構造類似，“干”字形濕接縫在鋼筋位置水平面上存在應力集中，同樣出現鋼筋-UHPC界面剝離開裂的情況，但剝離面積較小．

菱形接縫斜坡面的構造，對界面剪應力切向傳遞有逐步減弱作用．具體表現在當濕接縫承受正彎矩作用時，節段梁上部受壓，上斜坡距離梁頂46～112 mm剪應力集中較為明顯，最大切向剪應力出現在距梁頂75 mm處，達到3.09 MPa，隨后隨著距梁頂距離增加，切向剪應力逐漸減小，降低至0.61 MPa；下斜坡面應力相對趨于緩和，大應力和集中應力均未出現，如圖6所示．

圖6 接縫界面切向剪應力變化規律

總體來說，“干”字形濕接縫構造剪應力集中區域遠小于菱形接縫，且出現鋼筋剝離開裂的面積要更小．原因在于“干”字形UHPC和節段梁鍵齒相互嵌入，形成機械咬合作用，這種構造能大大削減剪切作用產生的局部破壞，將局部集中應力分散到鍵齒各個區位；而菱形濕接縫由于斜界面承受了絕大部分的剪應力，更易產生應力集中，加速接縫界面裂縫的開啟．

2.2 濕接縫配筋率對界面力學性能的影響

2.2.1 界面黏結正應力和剝離位移 為了研究配筋率對濕接縫界面力學性能影響規律，分別以配筋率2.1%、4.8%和8.4%為參數，采用節段梁濕接縫寬度為225 mm，構造接縫界面粗糙度為中度的有限元模型開展數值模擬分析，分析結果如圖7～10所示．

圖7 不同配筋率下接縫界面黏結正應力變化規律

從圖7可以看到，隨著濕接縫配筋率的提高，界面黏結正應力未呈現同比例變化趨勢．距離濕接縫梁頂高度0～75 mm，4.8%配筋率表現出略高的界面黏結正應力，增加幅度為26.65%；當高度超過150 mm后，各配筋情況對界面黏結正應力影響大致相同．

從圖8可以看到，接縫寬度從150 mm增至225 mm后，濕接縫界面剝離面積隨之增大．尤其到了梁底(225～300 mm)附近，鋼筋和UHPC黏結所受影響變大，鋼筋-UHPC界面剝離較為明顯．模擬云圖中多次出現應力集中點在曲線中表現為界面剝離點．另外曲線中發現距離濕接縫梁頂0～160 mm，配筋率對界面剝離位移無影響，而高度達160～300 mm時，由于剝離位移變化非常小(0～0.002 7 mm)，可認為剝離位移沒有變化，即配筋率對于剝離位移影響很小．

圖8 不同配筋率下接縫剝離位移變化規律

2.2.2 界面切向剪應力 從圖9、10可以發現，整體上兩種構造形式的接縫呈現階段式效應，尤其“干”字形接縫呈現雙峰效應．在距梁頂37.5 mm高度范圍內，接縫構造形式和配筋率對切向剪應力沒有影響，反映在切向剪應力數值均為零．說明在本文荷載工況下，兩種界面構造形式和最低配筋率(2.1%)均對正彎矩梁頂開裂起到保護作用；當正截面高度達47～75 mm時，界面開始形成剪應力，且隨著接縫配筋率增長，切向剪應力呈現逐漸降低的趨勢．最大降低幅度均出現在距離梁頂56.25 mm處，“干”字形構造和菱形構造兩種接縫構造切向剪應力分別降低29.24%和15.25%．值得說明的是，隨著配筋率增加，“干”字形濕接縫構造切向剪應力數值突變較為明顯，從距離梁頂48 mm處的降低11.13%提高至56.25 mm處的29.24%，75 mm處降低至11.97%，說明“干”字形構造對于濕接縫界面剪應力作用效果明顯，且在鋼筋布置處，剪應力出現集中減弱，這對于鋼筋布置構造設計和防止鋼筋與UHPC界面剝離非常有利．

圖9 “干”字形接縫界面切向剪應力分布規律

圖10 菱形接縫界面切向剪應力分布規律

2.3 濕接縫界面粗糙度對界面力學性能的影響

2.3.1 界面黏結正應力和剝離位移 為了分析界面粗糙度對濕接縫界面力學性能影響規律，分別采用光滑界面、中度粗糙界面和粗糙界面，構造濕接縫寬度為150 mm，接縫配筋率為2.1%的有限元模型開展有限元數值模擬分析，分析結果如圖11、12所示．

圖11 不同粗糙度下接縫界面黏結正應力變化規律

圖12 不同粗糙度下接縫剝離位移變化規律

從圖11可以看到，總體上，隨著界面粗糙度變化，界面黏結正應力變化趨勢隨著裝配式節段梁橫截面高度改變呈現4個分布區段．分別為階段Ⅰ，貼合區；階段Ⅱ，啟裂影響區；階段Ⅲ，開裂區；階段Ⅳ，完全剝離區．越靠近裝配式梁頂，粗糙度對界面的黏結正應力影響越明顯，隨著正截面高度遠離梁頂，界面粗糙度對界面黏結正應力影響變小，從曲線上可以發現，當高度大于175 mm后，3種粗糙度界面黏結正應力接近一致．

從圖12可見，界面剝離位移在0.000 3～0.002 0 mm變化，可認為粗糙度對界面剝離位移影響很小．因此防止濕接縫受拉區受彎開裂，接縫界面粗糙化并不能改善其局部剛度狀態．

2.3.2 界面切向剪應力 濕接縫粗糙度對界面切向剪應力影響分布規律整體上和黏結正應力呈正態相關性，這與混凝土界面力學研究工作中法向正應力和切向剪應力相互關系的結論是一致的，在節段梁研究工作[23-24]中也得到了體現．

從圖13可以看到，隨著正截面高度遠離梁頂，界面切向剪應力逐漸減小．隨著粗糙度逐漸增大，界面切向剪應力逐漸增加，但增加幅度并未隨著粗糙度同比例增長．以最大粗糙度(R)為例，相比光滑(S)界面，其最大增加幅度27.04%出現在距離梁頂168.75 mm，即幾何中軸略下位置處．這個過程與上文分析黏結正應力隨高度分布規律類似，亦出現4個區段．可以發現，粗糙度對濕接縫界面黏結應力(正應力、切向剪應力)影響不大，尤其對于彎曲正應力梁底開裂段影響很小．從以上分析可以得到施工指導，即節段梁后澆筑UHPC，對于接縫界面粗糙程度對界面力學性能的影響可以忽略不計，只需考慮施工要求即可，可從濕接縫構造形式上，或通過節段梁間增加搭接鋼板、預埋纖維網格布[25]等補強措施，提升濕接縫局部力學性能綜合考慮，進而提高濕接縫界面抗剪能力．

圖13 “干”字形接縫界面切向剪應力分布規律

3 模型的可靠性驗證

采用ABAQUS開展裝配式混凝土梁抗彎性能分析研究，并基于研究結論和目前試驗研究結果做對比，對模型的可靠性進行驗證．開展ABAQUS模擬裝配式混凝土梁四點受彎破壞，重點之一在于關注濕接縫界面黏結失效樣態．通過DAMAGET損傷破壞云圖可以發現，在距離梁底1/2截面高度范圍內界面應力高度集中，具體表現為距離梁底150 mm范圍內出現了拉應力大于界面黏結應力的普遍現象，框格內出現明顯的濕接縫界面剝離，如圖14虛線框內所示．圖15為石雪飛等[26]開展的菱形濕接縫節段梁四點彎曲破壞試驗．從試驗結果可以看到，濕接縫界面從菱形底端沿著界面向上開裂，直至延伸到界面高度1/2～3/4梁高處完全破壞．試驗中先啟裂的界面加載后期啟裂速率相對較快，應力重新分配到濕接縫啟裂界面裂隙尖端處．具體體現在接縫處左側界面啟裂失穩后，右側界面不再剝離，以左側剝離直至試件破壞為止，反之亦然．文獻[26]的結論和建模對比分析進一步驗證和解釋了本文建模方法的可靠性和精度．

圖14 菱形接縫整體梁四點彎曲試驗加載損傷破壞云圖

圖15 菱形接縫四點彎曲試驗界面破壞模式

4 結 論

(1)“干”字形濕接縫構造顯著優于傳統菱形接縫，其接縫界面處力學性能得到明顯提升，界面附近的裂紋開啟和擴展得到根本控制．

(2)“干”字形濕接縫剪應力集中區域要遠小于菱形接縫，且出現界面剝離開裂的面積更小．“干”字形濕接縫在正彎矩受拉區對鋼筋和UHPC 剝離起到了很好的抑制作用，最大剝離位移可減小83.7%．

(3)“干”字形濕接縫界面黏結正應力并不隨配筋率增加而同比例提高，配筋率對界面切向剪應力影響呈雙峰效應．本文工況下，建議濕接縫配筋率取4.8%．配筋率對界面法向剝離位移影響很小．

(4)“干”字形濕接縫黏結正應力與正截面高度具有區域相關性．越接近節段梁頂，粗糙度對界面的黏結正應力影響越顯著，隨著距梁頂距離增加，界面粗糙度對界面黏結正應力影響逐漸變小．粗糙度對界面法向剝離位移影響很小．