基于ABAQUS分析结合面粗糙度对UHPC铰缝接触面损伤的影响

第４７卷第１期２０１９年２月浙江工业大学学报J O U R N A LO FZ H E J I A N G U N I V E R S I T Y O FT E C HN O L O G YV o l ．４７N o ．１F e b ．２０１９收稿日期:２０１７Ｇ１２Ｇ１４作者简介:施㊀颖(１９６３ ),男,浙江兰溪人,教授级高级工程师,主要从事桥梁工程设计与研究,E Ｇm a i l :z j _s y２００３＠１６３．c o m .基于A B A Q U S 分析结合面粗糙度对UH P C 铰缝接触面损伤的影响施㊀颖,孟科坦,罗东海(浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州３１００２３)摘要:以UH P C 作铰缝填料的高强空心板桥为研究对象,利用通用有限元软件A B A Q U S 建立三主梁㊁两铰缝,跨度为１０m 的空心板有限元模型,计算在结合面光滑S ㊁中度粗糙M 和粗糙R 这３种粗糙度状态下极限荷载作用时接触面的损伤特性,并对不同位置接触面进行正应力和剪应力分析.结果表明:结合面光滑状态时仅自重作用下铰缝的接触面较负载铰缝先发生损伤,其他两种状态则相反;结合面无论何种粗糙度状态,接触面最下缘位置始终是损伤起始位置,且接触面损伤主要是由横向受拉引起.若使用U H P C 作铰缝填料,甚至推广到作纵横接缝,均可考虑将铰缝或接缝下部接触面做成粗糙结合面,而上部及中部接触面做成中度粗糙结合面,达到安全㊁耐久和经济的效果.关键词:A B A Q U S ;UH P C 铰缝;粗糙度;接触面;损伤;应力中图分类号:U ４４１．４;U ４４３．３１㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A文章编号:１００６Ｇ４３０３(２０１９)０１Ｇ００１３Ｇ０５T h e i n f l u e n c e o f r o u g h n e s s o f b o n d i n g su r f a c e s o n t h e c o n t a c t s u r f a c e d a m a g e o f h i n g e j o i n t sw i t hU H P Cb a s e do nA B A QU S S H IY i n g ,M E N G K e t a n ,L U O D o n gh a i (C o l l e g e o fC i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,H a n gz h o u３１００２３,C h i n a )A b s t r a c t :B a s e d o nh i g h Ｇs t r e n g t h c o n c r e t e h o l l o ws l a b sw i t hUH P Ca s t h e f i l l e r o f h i n g e jo i n t s ,a F E M o f ah o l l o ws l a b w i t has p a no f １０m ,c o m p o s e do f t h r e eb e a m sa n dt w oh i n ge j o i n t s ,i s e s t a b l i s h e db y t h es of t w a r eA B A Q U St oa n a l y s et h ed a m a gec h a r a c t e r i s t i c so f c o n t a c ts u r f a c e s u n d e r t h eu l t i m a t e l o a d a n d t h en o r m a l a n d s h e a r s t r e s s e s a t d i f f e r e n t p o s i t i o n s i n t h r e ed i f f e r e n tr o u g h n e s s s t a t e s :s m o o t h (S ),m i d r o u g h (M ),a n dr o u gh (R )．R e s u l t ss h o wt h a t ,w h e nt h e b o n d i n g s u r f a c ei ss m o o t h ,t h eh i n g e j o i n tu n d e rn ol o a d si sd a m a ge df a s t e rt h a nt h a tu n d e r l o a d s ．F o rt h eo t h e rt w os t a t e s ,h o w e v e r ,t h eo p p o s i t er e s u l t sa r e o b s e r v e d ．T h e d a m a ge i n i t i a t e s a t t h e b o t t o mf o r a n y r o ugh n e s s c o n di t i o n s a n d t h e c o n t a c t s u r f a c e i s d a m a g e dm a i n l y d u e t o t h e t r a n s v e r s e t e n s i l e s t r e s s ．I fUH P C i s u s e d t o f i l l h i n g ej o i n t s o r s e r v e d a s l o n gi t u d i n a l a n d h o r i z o n t a l j o i n t s ,i t i s s u g g e s t e d t h a t t h e r o u g hb o n d i n g s u r f a c eo fUH P C j o i n t s s h o u l db em a d e o n t h eb o t t o mc o n t a c t s u r f a c e ,w h i l e t h e u p p e r a n dm i d d l e c o n t a c t s u r f a c e s a r e d e s i gn e d t o b e t h e m i d r o u g hb o n d i n g s u r f a c e o fUH P C j o i n t s t o a c h i e v e s a f e t y ,d u r a b i l i t y ,a n d e c o n o m y ．K e y w o r d s :A B A Q U S ;UH P Ch i n g e j o i n t ;r o u g h n e s s ;c o n t a c t s u r f a c e ;d a m a g e ;s t r e s s ㊀㊀装配式预应力砼简支空心板桥因其设计标准化㊁生产集成化㊁施工装配化㊁工程造价低㊁建筑高度小㊁整体美观和结构受力明确等优点,已成为中小跨径桥梁建设中的首选,但空心板间铰缝病害问题一直是遏制其被更加广泛推广的关键因素.２００９年,美国各州的桥梁调查报告中显示,沿铰缝混凝土纵向开裂或者沿铰缝与主梁结合面开裂的桥梁数量约占病害空心板桥梁的７５％,其中大约３８％桥梁病害是铰缝处开裂[１].而铰缝填充材料料自身的力学性能㊁填料与混凝土主梁的结合能力较差是引起铰缝损伤的主要诱因.２００８年,美国联邦公路局已经提出UH P C铰缝的设计,利用UH P C代替传统的灌浆料,这种超高性能混凝土有着很高的机械咬合性能和黏结强度.正应力和剪应力强度得到增强的UH P C铰缝填料减少了铰缝潜在的受压破坏,而高黏结强度减少了铰缝和主梁结合面的潜在破坏.UH P C的实质仍然是一种水泥基复合材料,源于D S P,M D F和钢纤维混凝土的活性粉末混凝土R P C,在此基础上于１９９３年L a r r a r d等提出超高性能混凝土(U l t r aＧh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e,UHＧP C)的概念[２].UH P C的超高性能主要是超高的力学性能和超高的耐久性,超高的力学性能是较普通混凝土优越的抗拉性能㊁抗压性能和抗折性能;超高的耐久性使复合材料的徐变能力较普通混凝土高[３],氯离子扩散系数仅是普通混凝土的１％,电阻率是普通混凝土的１２倍;上述高黏结强度则是来自于UH P C和空心板的高黏结力和较大的摩擦力.由于以上优越的材料性能,UH P C被应用于桥梁工程领域,在瑞士UH P C被应用于桥梁附属结构的建造及桥梁加固领域;德国的G a r t n e r p l a t z桥和马来西亚的单跨简支梁B a t u６桥均采用UH P C建造[４];２０１７年,H u s s e i n等在研究中指出空心板铰缝开裂问题的不断出现,主要是由于传统的铰缝灌浆料和空心板黏结强度不足造成的,由于这些问题的不断出现,近年来在欧美国家很多专家学者进行了UHＧP C应用于空心板铰缝填料的相关研究[５],但U H P C 在作为铰缝灌浆料时铰缝结合面粗糙度对铰缝接触面损伤特征的影响却鲜有研究,为此笔者将基于A B A Q U S有限元软件对U H P C铰缝接触面损伤与空心板结合面粗糙度的响应规律进行了分析研究.１㊀建立有限元模型１．１㊀结构概况依据２００８年交通行业公路桥梁通用图中１０m 跨径,桥面净宽１０．２５m,斜交角为０ʎ的装配式预应力砼简支空心板桥为工程背景并进行结构简化.由于行车轨迹太规则是造成单板受力的重要原因,根据张继新[６]在分析铰缝应力状态的过程中为方便进行有限元计算分析,选取２块边板㊁１块中板和２条铰缝建立三维实体几何模型,运用A B A Q U S６．１４进行有限元模拟计算,分析不同粗糙度下铰缝接触面的损伤特征,而铰缝和空心板结合面根据粗糙程度可划分为３种不同的类型:结合面光滑S(即２００３年A S T M指定的混凝土接触面属性[７])㊁结合面中度粗糙M(即通过喷砂抹面形成的结合面[８])和结合面处于粗糙状态R(即R u s s e l l和G r a y b e a l所推荐的裸露粗骨料的UH P C接触面[９Ｇ１０]).有限元中将通过改变结合面接触属性精确模拟铰缝和空心板结合面粗糙度,进而计算分析UH P C铰缝接触损伤对结合面粗糙度的响应规律.１．２㊀计算模型相关属性１．２．１㊀材料参数铰缝采用UH P C,鉴于分析和研究空心板和桥面铺装均采用高强混凝土;根据H u s s e i n等研究定义有限元模型中的混凝土材料属性[５],如表１所示.表１㊀有限元模型中混凝土材料属性T a b l e１㊀U H P Ca n dH S C p r o p e r t i e s u s e d i nF Em o d e l i n g 变量名称属性UH P C高强混凝土弹性模量/G P a５３４１泊松比０．１９０．１７抗压强度/M P a１５８．５８７５．００极限拉应力/M P a１５．９４．８断裂能/(N m－１)８７．５６１２０．００膨胀角/(ʎ)１５３６流动势偏移量０．１０．１σb０/σc０１．１６１．１６k c２/３２/３黏度参数０．００００．００１１．２．２㊀混凝土损伤模型A B A Q U S软件中有两种混凝土本构模型,即混凝土弥散裂缝(C S C)和混凝土损伤塑性(C D P)模型.C h e n等认为对于超高性能混凝土UH P C而言,C D P较C S C在非线性分析阶段更容易收敛,分析结果与试验相符[１１Ｇ１２],以下研究中混凝土损伤模型均采用C D P模型.UH P C的拉伸行为和受压行为具体参数见图１中的UH P C应力 应变曲线[１３],有限元C D P模型详细参数取用表１所列.图１㊀有限元模型中U H P C单轴应力—应变曲线F i g．１㊀U n i a x i a l s t r e s sＧs t r a i n r e s p o n s e o fU H P Cu s e d i nF Em o d e l４１ 浙江工业大学学报第４７卷１．２．３㊀结合面接触属性韩菊红等[１４]通过４组８７个新老混凝土黏结构件的断裂试验,发现构件的破坏均出现在混凝土和铰缝的结合面处,结果表明铰缝的抗剪强度实际是由铰缝和空心板结合面的抗剪强度决定的,而结合面的粗糙程度和黏结强度是影响抗剪强度的主导因素.研究过程中铰缝和空心板结合面相互作用的黏结行为应当采用A B A Q U S 中的T r a c t i o n Ｇs e pa r a Ｇt i o n 模型,该黏结滑移模型与接触面黏结滑移的双折线模型极其类似,其黏结滑移过程如图２所示[１５],基于以上分析并结合铰缝的工作机理,在建模过程中采用S u r f a c e Ｇb a s e d c o h e s i v e b e h a v i o r 接触类型模拟铰缝和主梁的接触和黏结失效行为,其中接触面的相对滑动选择S m a l l s l i d i n g 的表面和表面的接触.图２㊀包含失效准则的黏结滑移双折线模型F i g ．２㊀B o n d Ｇs l i p m o d e l o f t r a c t i o n Ｇs e p a r a t i o n r e s po n s e 对于有黏聚力的接触表面选择二次应力破坏准则,只有当接触面应力比的二次方之和等于１时接触面才开始出现损伤.模型中铰缝和空心板间结合面接触属性的黏结行为具体参数如表２所示[５].二次应力破坏准则表达式为t n t ０n æèçöø÷２＋t s t ０s æèçöø÷２＋t t t ０t æèçöø÷２＝１(１)表２㊀铰缝结合面接触属性T a b l e ２㊀M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f b o n d i n g i n t e r f a c e 接触面相互作用参数接触面属性光滑中度粗糙粗糙K n n/(N m m －３)１３５８１３５８１３５８K s s ,K t t/(N m m －３)２０３５８２０３５８２０３５８t ０n,t ０s,t ０t/M P a ３．０２５．０１５．６３塑性位移/m m０．０１８０．１１７０．２４１稳定性０．００１０．００１０．００１摩擦系数０．４４１．０９１．４４内聚力,黏聚力/M P a３．０２５．０１５．６３１．２．４㊀等效荷载及边界条件为使有限元模型在计算过程中容易收敛,将外荷载转化为具有一定截面尺寸和一定质量密度的等效实体自重,加载位置平面示意图如图３所示[１６],根据公路桥涵设计通用规范[１７]车辆荷载的技术指标拟定等效实体的纵向间距为１．４m ,横向间距为１．８m ,实体截面尺寸为０．６０mˑ０．２０mˑ０．２０m ,边界条件为空心板板端在三维模型中采用简支约束.图３㊀等效荷载作用位置示意图F i g ．３㊀D i a g r a mo f l o c a t i o n f o r e qu i v a l e n t l o a d １．２．５㊀单元类型、网格属性模型中空心板㊁铰缝㊁支座㊁桥面铺装层及等效质量块均采用三维实体单元,单元类型采用适应于A B A Q U S /S t a n d a r d 分析的八结点线性六面体单元(C ３D ８I ),为保证网格质量边板翼缘底部有少量楔形单元(C ３D ６).整体模型有C ３D ８I 单元３７９３０个,C ３D ６单元２０４８个,具体网格划分情况如图４所示.图４㊀三梁空心板桥有限元模型网格划分F i g ．４㊀F Em e s h o f t h e f u l lm o d e l o f t h r e e a d ja c e n tb o x b e a m s ２㊀分析结果２．１㊀铰缝接触损伤特征分析在进行铰缝接触损伤分析时,采集铰缝与空心板结合面的接触面应力.接触面应力主要包含横向正应力㊁纵向剪应力和竖向剪应力.对于铰缝结构的各向应力状态而言,荷载横向最不利位置为一侧轮载作用在铰缝,而另一侧轮载位于该铰缝相邻板梁位置,纵向最不利位置为轮载作用于跨中[１６];铰缝结合面在３种不同粗糙度状态下铰缝结构损伤发生时其受力性能的响应规律,其研究过程中对应区域应力采集图式如图５所示,定义铰缝底缘为y ＝０m m ,上部３５０~４８０m m 为结合面A ,中部８０~３５０m m 为结合面B ,下部０~８０m m 为结合面C .针对１．２．４的加载工况,３种结合面粗糙度状态分别当结构加载至１０２５．１０,１０５１．８５,１０８０．６１k N时,此时接触面开始损伤,定义该状态为D I 状态５１ 第１期施㊀颖,等:基于A B A Q U S 分析结合面粗糙度对UH P C 铰缝接触面损伤的影响(D a m a g e i n i t i a t i o n),表３为该状态不同结合面粗糙度的接触损伤特征.根据损伤起始位置,接触面应力选取１,２号铰缝实体１,２荷位对应的单元为研究对象,其应力采集图式见图５.图５㊀铰缝结合面应力采集图式F i g．５㊀S t r e s s c o l l e c t i o n s c h e m e o f h i n g e j o i n t b o n d i n g s u r f a c e ２．２㊀铰缝接触损伤应力状态分析２．２．１㊀不同粗糙度下铰缝１接触面损伤规律根据表３结合图６(a),结合面光滑状态时当结构加载至１０２５．１０k N时,铰缝１的结合面C发生损伤,此时接触面横向最大拉应力２．５８M P a,而其余两种粗糙状态下横向正应力均已超出２．５８M P a,但铰缝尚未发生结合面损伤,且３种粗糙度下结合面A和B的接触横向正应力曲线趋于重合.接触面B处于拉压交互状态,整个接触面A处于受拉状态,结合图６(b,c),由于铰缝１上外荷载未直接加载,接触面横向剪应力和竖向剪应力受结合面粗糙度的影响程度较弱.表３㊀不同粗糙度状态下的接触损伤特征T a b l e３㊀C h a r a c t e r i s t i c s o f c o n t a c t d a m a g e i nd i f f e r e n t r o u g hＧn e s s s t a t e s接触面损伤变量接触属性光滑中度粗糙粗糙极限荷载/k N１０２５．１０１０５１．８５１０８０．６１应力比二次和１．００５１．０２４１．０２１损伤起始位置铰缝１接触面C铰缝２接触面C铰缝２接触面C 最大拉应力/M P a２．５８４．８０５．４２图６㊀铰缝１在D I状态下应力随接触面粗糙度变化曲线F i g．６㊀T h e s t r e s s c h a n g e c u r v e o f h i n g e j o i n tN o．１w i t hd i f f e r e n t b o n d i n g s u r f a c e r o u g h n e s s ２．２．２㊀不同粗糙度下铰缝２接触面损伤规律根据表３结合图７(a),结合面中度粗糙状态时当结构加载至１０５１．８５k N时,铰缝２的接触面C发生损伤,此时接触面横向最大拉应力４．８０M P a,较光滑状态增大１１．６３％;而结合面粗糙状态时当加载至１０８０．６１k N时,铰缝２的接触面C发生损伤,此时接触面横向最大拉应力５．４２M P a,较光滑状态增大１４．５８％.上述两种粗糙度状态下接触面损伤发生时,接触面B处于拉压交互状态,而整个接触面A均处于受压状态.㊀㊀结合表３综合分析图６,７可以得出如下结论:１)结合面光滑状态时仅自重作用下铰缝１接触面较负载铰缝２接触面先发生损伤,其他两种状态则相反;２)结合面粗糙度变化对接触面C的横向正应力影响最大,虽然接触面C处于拉剪应力状态,但横向正应力超限是引起UH P C铰缝接触面发生损伤的最主要因素,与张继新分析的普通混凝土铰缝横向正应力研究结论一致[６];３)不论结合面处于何 ６１ 浙江工业大学学报第４７卷图７㊀铰缝２在D I状态下应力随接触面粗糙度变化曲线F i g．７㊀T h e s t r e s s c h a n g e c u r v e o f h i n g e j o i n tN o．２w i t hd i f f e r e n t b o n d i n g s u r f a c e r o u g h n e s s种粗糙状态均是C接触面拉应力先达到极限状态接触面开始损伤,接触面A和接触面B的横向拉应力受结合面粗糙度影响程度较弱;４)接触面损伤开始时结合面粗糙度对铰缝接触面A和接触面C的纵向正应力影响微乎其微,而接触面B中部由于外荷载的增加而导致其纵向正应力增大,但纵向正应力均在材料的容许应力范围之内.３㊀结㊀论根据以上分析铰缝和空心板结合面粗糙度对铰缝损伤的影响规律,可知如果把UH P C作为铰缝填充材料或纵横接缝使用时,可以将UH P C铰缝或纵横接缝下部接触面作粗糙结合面,而上部及中部接触面设计为中度粗糙结合面.虽说现阶段用UHＧP C作铰缝填料还是比较奢侈,而且还需要一系列的试验研究,但UH P C材料是工程师的新宠,一定会有很大的应用前景,同时通过分析研究也佐证了现用空心板铰缝接触面凿毛的重要性.参考文献:[１]㊀R U S S E L L H G．A d j a c e n t p r e c a s t c o n c r e t e b o xＧb e a mb r i d g e s:c o n n e c t i o nde t a i l s[R]．W a s h i n g t o n,D C:T r a n s p o r t a t i o n R eＧs e a r c hB o a r d,２００９．[２]㊀徐海宾,邓宗才．超高性能混凝土在桥梁工程中的应用[J]．世界桥梁,２０１２,４０(３):６３Ｇ６６．[３]㊀叶德艳,杨杨,洪钟,等．高性能混凝土早期拉伸徐变的实验研究[J]．浙江工业大学学报,２００８,３６(３):２８６Ｇ２８９．[４]㊀陈宝春,季滔,黄卿维,等．超高性能混凝土研究综述[J]．建筑科学与工程学报,２０１４,３１(３):２Ｇ１５．[５]㊀HU S S E I N H,WA L S H K,S A R G A N DS,e t a l．M o d e l i n g t h es h e a r c o n n e c t i o n i na d j a c e n tb o xＧb e a mb r i d g e sw i t hu l t r a h i g hＧp e r f o r m a n c e c o n c r e t e j o i n t s．I:m o d e l c a l i b r a t i 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