新老混凝土粘结的约束收缩有限元模拟及分析

新老混凝土粘结的约束收缩有限元模拟及分析
陈峰;郑建岚;俞柏良
【摘要】在自密实混凝土与老混凝土约束收缩试验的基础上,本文采用大型有限元软件ABAQUS进行了新老混凝土粘结的约束收缩模拟,并与试验结果进行比较,以验证有限元模型的可行性.同时从应力分析的角度研究在约束收缩的作用下,新老混凝土粘结的应力分布规律,考察新混凝土强度对约束收缩的影响,为采用自密实混凝土作为新混凝土进行结构的加固设计提供一定的参考依据.
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2008(025)004
【总页数】4页(P219-222)
【关键词】自密实混凝土;约束收缩;粘结;有限元法;应力分布
【作者】陈峰;郑建岚;俞柏良
【作者单位】福州大学土木工程学院,福建,福州,350002;福州大学土木工程学院,福建,福州,350002;福州大学土木工程学院,福建,福州,350002
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.01
在自密实混凝土的加固与修复工程中会遇到混凝土的收缩问题[1]。

老混凝土往往收缩已经基本停止，而新浇混凝土要收缩就会受到老混凝土的约束而引起拉应力。

如果拉应力超过新混凝土的抗拉强度或新老混凝土的粘结强度，就容易产生裂缝，影响结构的承载力和耐久性[2]。

因此，需要深入研究新老混凝土粘结收缩引起的
应力与变形问题。

本文采用有限元分析软件ABAQUS对新老混凝土粘结的约束收缩进行模拟分析，将计算结果与试验结果进行比较以验证所建有限元模型的准确性，并分析探讨粘结面以及新混凝土上的应力分布。

根据新老混凝土粘结面的受力特点，在ABAQUS有限元分析中可做如下基本假定：（1）凝土为均质材料且各向同性；
（2）在整个新混凝土的截面高度内，自由收缩沿截面高度是均匀的，不随混凝土高度的变化而变化；
（3）混凝土线膨胀系数ac取1×10-5/℃，泊松比均为0.2，混凝土的比重为2 300kg/m3；
（4）结合工程实际，一般新老混凝土粘结面都有经过粗糙处理，在不受外荷载的情况下可以不考虑新老混凝土之间的粘结滑移，认为新老混凝土能紧密粘结。

老混凝土由于成型时间较长，其变形已基本稳定，其弹性模量Enc1可在浇筑新混凝土前通过试验取值。

对于新混凝土，其弹性模量随时间不断变化，可按文献[3,4]给出的混凝土弹性模量随龄期发展的公式计算，
式中，E0为混凝土弹性模量终值(MPa)；t为龄期(d)；a，b为常数。

对于C40~C45自密实混凝土，本章进行了自密实混凝土弹性模量试验，测定自密实混凝土3 d，7 d，14 d和28 d的弹性模量与抗压强度（表1），然后采用式(1)对弹模试验数据进行拟合，分别得到两种强度混凝土弹性模量随时间的发展关系，以便建模时使用。

为简化计算，将时间间隔内的弹性模量取为一定值，取此时间间隔内中点时刻的弹性模量，即时刻的弹性模量。

考虑混凝土徐变的影响，将该时间间隔内的弹性模量用混凝土的有效弹性模量来代替，即，其中，为混凝土徐变系数，可由文献[1，5]中的相应公式计算。

本文采用一种计算收缩的实用处理方法——当量温差法[6]。

该方法实质上是初应
变法[2]，先根据线膨胀系数，将收缩换算成“收缩当量温差”，然后将当量温差
作为场荷载加载到新混凝土上以实现新混凝土的收缩。

由于新、老混凝土在材料性质方面存在着较大的差异，因此本文创建2个部件，
分别代表新混凝土和老混凝土，新老混凝土都采用三维实体单元（C3D8R）。

由
于不考虑新老混凝土之间的粘结滑移，可以认为新老混凝土之间有紧密的接触，因此本文采用绑定约束（tie）来模拟[7]。

本模型中将新混凝土的粘结面定义为从面，而将老混凝土的粘结面定义为主面。

选用C45~C40这两种强度的自密实混凝土粘结试件（分别用SCC1，SCC2表示）的试验结果与有限元分析进行比较，构件尺寸及材料力学性能均采用试验实测值。

测点布置如图1所示。

由于粘结面处新混凝土受到老混凝土紧密约束，收缩值几
乎没有，因此本文只将试验中的2，3测点的平均收缩应变与有限元模型计算结果进行比较，如图2~3所示。

由图2~图3的比较结果可以看到，ABAQUS的计算结果与粘结试件的试验结果
的最大误差为8.2 %，最小误差为0.1 %，平均误差为4.03 %。

这说明本文所建
的有限元模型是可靠的，计算结果与试验结果吻合良好，可以用来分析由于新混凝土的收缩而产生的应力。

由于新混凝土的收缩受到老混凝土的约束，因而会在新混凝土内产生拉应力，在粘结面上产生剪应力。

图4为SCC2粘结试件在60d时的新混凝土上的应力分布图。

在粘结面处新混凝土受到明显的拉应力作用，且混凝土的拉应力在试件跨中位置最大；然后沿着试件高度拉应力不断减小直至为零，而拉应力为零处则是混凝土约束收缩等于自有收缩处；随后混凝土上出现压应力，应力分布也就从拉应力区过渡到了压应力区，并且在新混凝土顶部出现最大压应力。

由图5可知：新混凝土为SCC2时，粘结面上的剪应力分布也是不均匀的，且存
在严重的应力集中现象，表现为粘结面两端的剪应力最大，约为0.663 MPa，而
跨中的剪应力则非常小,接近于零。

这样就造成了粘结面上的剪应力在粘结面两端
高度集中。

新混凝土为SCC1和SCC3时，也有同样的应力集中现象。

这表明粘
结面端部受到约束收缩引起的剪应力最大，若粘结面的粘结效果较差，粘结强度较低，则有可能在端部先发生剪切破坏，随后引起进一步的粘结失效，这也与实际工程中遇到的情况尤其是薄混凝土修补层的破坏相吻合[8,9]。

（1）本文通过有限元软件ABAQUS建立新老混凝土粘结约束收缩有限元模型,采
用当量温差法进行计算，并将试验结果与模型的计算结果进行比较，两者吻合良好，说明本文所建的有限元模型是可靠的，可以用来分析由于新混凝土的约束收缩而产生的应力分布。

（2）通过收缩应力分布云图，可以看到新混凝土上的应力分布也较为复杂。

在粘结面处新混凝土受到明显的拉应力作用，而后沿着试件高度方向拉应力不断减小直至转变成压应力。

有限元模型计算新混凝土粘结面处拉应力与粘结面上的剪应力的结果表明，新混凝土粘结面处的拉应力与粘结面上的剪应力在试件长度方向的分布也是不均匀的。

粘结面附近混凝土的拉应力在试件跨中位置最大；而粘结面上的剪应力则在试件的两端最大，而跨中的剪应力则非常小。

这表明粘结面两端是新老混凝土粘结的薄弱环节，存在严重的应力集中现象,在实际工程中应予以重视。

【相关文献】
[1] 赵志方, 周厚贵, 袁群, 等. 新老混凝土粘结机理研究与工程应用[M]. 北京: 中国水利水电出
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[3] Philippe Turcry, Ahmed Loukili, Khalil Haidar, et al. Cracking Tendency of Self-Compacting Concrete Subjected to Restrained Shrinkage: Experimental Study and Modeling[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2006, 18(1): 46-54.
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[5] Bazant Z P, Bhat P D. Endochronic Theory of Inelasticity and Failure of Concrete[J]. 1976, 102(4): 701-722.
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