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        基于ABAQUS的連續(xù)配筋混凝土路面損傷開裂分析

        2016-12-20 00:38:35蔣永星羅會如
        黑龍江交通科技 2016年8期
        關(guān)鍵詞:筋率模量直徑

        蔣永星,羅會如

        (1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽 471009;2、洛陽廣播電視大學(xué),河南 洛陽 471099)

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        基于ABAQUS的連續(xù)配筋混凝土路面損傷開裂分析

        蔣永星1,羅會如2

        (1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽 471009;2、洛陽廣播電視大學(xué),河南 洛陽 471099)

        連續(xù)配筋混凝土路面能夠保持路面的平整性和連續(xù)性,提高行車舒適性,國內(nèi)已經(jīng)逐漸開始推廣使用。然而國內(nèi)某試驗(yàn)段在運(yùn)營半年后出現(xiàn)了裂縫,而臨近的素混凝土路面沒有出現(xiàn)。針對該工程背景,采用ABAQUS有限元軟件對溫度、載荷同時作用下路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷開裂模擬分析。結(jié)果顯示,影響路面開裂的主要原因是配筋率偏低、溫差較大、地基的彈性模量偏低和路基基層模量偏低等,為以后類似工程提供參考。

        連續(xù)配筋混凝土路面;裂縫;損傷分析;配筋率

        1 工程概況

        本工程國內(nèi)某省道二級公路,設(shè)計(jì)行車速度80km/h,其基本參數(shù)如下:水泥混凝土路面面板厚27cm,鋪筑混凝土面板施工分四幅進(jìn)行,每幅寬3.5m,沿縱向每隔500m設(shè)置一道脹縫,采用間距為0.3m的滑動傳力桿。每隔4.5m切縫,采用間距為0.3m的傳力桿。在連續(xù)配筋路面與其他路面相接處未設(shè)置錨固系統(tǒng),鋼筋網(wǎng)采用HRB335螺紋鋼筋,直徑為16mm。

        試驗(yàn)路段運(yùn)營半年后,該路段已經(jīng)出現(xiàn)大面積的路面網(wǎng)裂、沉陷,橫向裂縫沿橫向鋼筋發(fā)展,延伸到整個路面寬度,路面板沿橫向鋼筋折斷,露出鋼筋。經(jīng)檢測,多處彎沉值達(dá)到了800μm左右,該路已經(jīng)處于迅速破壞期。而臨近的素混凝土路段并未出現(xiàn)類似于連續(xù)配筋混凝土路面的裂縫。為了研究CRCP開裂的原因,本文采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型對連續(xù)配筋混凝土路面及素混凝土路面分別進(jìn)行了研究,通過分析混凝土開裂的影響因素,找出CRCP路面開裂的原因。

        2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

        2.1 模型及材料參數(shù)

        通過參考大量的文獻(xiàn)并不斷調(diào)整地基尺寸,最終確定地基尺寸為5m×3.5m×3m。荷載作用在橫縫中部,荷載作用面簡化為矩形,作用面積為0.23m×0.16m,假定路基等其他參數(shù)滿足要求。假定路面各層之間是完全連續(xù)的,并選擇內(nèi)置區(qū)域方法將粘鋼筋結(jié)起來。網(wǎng)格劃分混凝土采用DC3D8單元,縱向鋼筋單元采用DC1D2(兩結(jié)點(diǎn)熱傳連接單元)。采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型(CDP)進(jìn)行分析。

        表1給出了該路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù),表2列出了各層路面材料的熱力學(xué)參數(shù),分析溫度場時,利用ABAQUS中的用戶子程序DFLUX等對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行施加太陽輻射、氣溫?zé)峤粨Q和路面的輻射。

        表1 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

        表2 路面材料熱力學(xué)參數(shù)

        2.2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

        在進(jìn)行溫度-荷載耦合分析時,需要對上述建立的模型進(jìn)行以下一些更新:(1)采用損傷塑性模型參數(shù)代替原材料的熱力學(xué)參數(shù);(2)邊界條件:橫向斷面采取橫向約束,縱向斷面采取縱向約束,地基底部采取完全固定約束;(3)選用桁架單元T3D2模擬鋼筋單元,C3D8R單元模型模擬路面結(jié)構(gòu);(4)重新設(shè)置正確的分析步,準(zhǔn)確讀入溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析。

        對荷載100kN、200kN、300kN、溫差27 ℃的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度-荷載模擬計(jì)算。通過參考文獻(xiàn),定義當(dāng)損傷因子達(dá)到0.8以上時,結(jié)構(gòu)中將出現(xiàn)宏觀裂縫。從圖中可以看出,標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下(100kN)損傷因子為0,路面尚未發(fā)生開裂,200kN作用下?lián)p傷因子為0.229 5,有微小裂縫存在,300kN作用下?lián)p傷因子達(dá)到了0.8以上,有宏觀裂縫的出現(xiàn),說明重載交通作用下,CRCP確實(shí)產(chǎn)生了裂縫。對于素混凝土路面,損傷因子不到0.8,尚未出現(xiàn)宏觀裂縫,與工程實(shí)際情況相符,側(cè)面驗(yàn)證了本文選用的路面結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)的合理性。

        3 CRCP開裂原因分析

        3.1 配筋率

        (1)配筋率理論驗(yàn)算

        通過我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定來驗(yàn)算配筋率:①兩條裂縫之間的距離應(yīng)該不小于1.0m,不大于2.5m;②裂縫寬度不能超過1mm;③鋼筋所受到的拉應(yīng)力應(yīng)小于鋼筋的屈服應(yīng)力。通過計(jì)算,橫向裂縫間距Ld為3 276.3mm,超出了規(guī)范規(guī)定。裂縫寬度bj為1.28mm,不滿足規(guī)范小于或等于1mm的規(guī)定。鋼筋應(yīng)力σs487.6MPa>fsy=335MPa,以上均不滿足規(guī)范的要求,應(yīng)當(dāng)調(diào)整配筋率。

        (2)有限元模擬分析驗(yàn)算

        本小節(jié)分別選擇鋼筋直徑d為14、16、18mm,配筋率ρ分別為0.34、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9%進(jìn)行模擬,其他參數(shù)保持原始數(shù)據(jù)不變,得出了路面結(jié)構(gòu)的最大損傷值d、鋼筋應(yīng)力S隨配筋率及鋼筋直徑的變化,如圖1、圖2。

        圖1 損傷因子隨配筋率、鋼筋直徑變化

        從圖中可以得出:①在同一直徑下隨著配筋率的增加損傷因子、鋼筋應(yīng)力都會產(chǎn)生較為明顯的減少。并且損傷因子的變化趨勢隨著配筋率增加趨勢逐漸減慢,說明當(dāng)配筋率較少時,對混凝土開裂的影響較為明顯,但當(dāng)配筋率增加到一定程度時,配筋率不再是影響混凝土的主要因素;②在同一配筋率下隨著鋼筋直徑的增大損傷因子相應(yīng)增大,鋼筋應(yīng)力相應(yīng)減少。產(chǎn)生這兩種情況的主要原因是當(dāng)鋼筋直徑相同時增大配筋率,或當(dāng)配筋率相同時減小鋼筋直徑,鋼筋與混凝土之間的接觸面積都會增大,鋼筋對混凝土的約束能力增強(qiáng),使路面的整體工作性能提高。所以在設(shè)計(jì)時,在滿足開裂控制的情況下,應(yīng)選擇最低的配筋率、最小的鋼筋直徑。在該省道公路工程中,應(yīng)首選的鋼筋直徑為14mm。另外根據(jù)規(guī)范要求“冷凍地區(qū)的配筋率應(yīng)在0.7%以上,一般地區(qū)的配筋率應(yīng)當(dāng)在0.6%以上”,并結(jié)合模擬結(jié)果,建議提高配筋率至0.6%以上。

        (3)縱向配筋率設(shè)計(jì)

        首先選擇14mm直徑的鋼筋,分別假設(shè)配筋率為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%進(jìn)行配筋驗(yàn)算。發(fā)現(xiàn)配筋率為0.6%、直徑為14mm,配筋率為0.7%、直徑為14mm時不滿足設(shè)計(jì)要求,所以應(yīng)選取的最佳配筋率為0.7%、最小鋼筋直徑為16mm,說明在河南某省道公路工程中配筋率偏低是連續(xù)配筋混凝土開裂的原因之一。

        3.2 鋼筋的位置

        調(diào)整鋼筋距離板底的位置,分別為5、7、9、11、13、15、18cm處,其他參數(shù)保持不變,得出面板混凝土的損傷因子d、鋼筋應(yīng)力S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢,如圖3、圖4 。從圖中可以分析得出:隨著鋼筋距離板頂?shù)奈恢玫脑龃?,損傷因子逐漸增大,鋼筋應(yīng)力逐漸降低,說明在溫度—荷載共同作用下,混凝土面板主要受到溫度的影響使板頂受拉破壞。

        圖3 d隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

        圖4 S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

        3.3 溫度的影響

        保持其他參數(shù)不變,輸入熱力學(xué)參數(shù),調(diào)整外界的最大溫差變化分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃對路面進(jìn)行模擬,得出路面結(jié)構(gòu)的損傷因子d、鋼筋應(yīng)力S隨溫差的變化趨勢,如圖5、圖6所示。從圖中可以直觀的看出,隨著溫差的增大,損傷因子及鋼筋應(yīng)力迅速增大,在溫差達(dá)到35 ℃時損傷因子已達(dá)到0.9,鋼筋應(yīng)力已大于屈服應(yīng)力,可以確定路面結(jié)構(gòu)幾乎已經(jīng)完全損壞,所以溫度是影響混凝土早期開裂的主要原因之一。

        3.4 地基模量的影響

        通過調(diào)整地基的彈性模量分別為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200MPa,其他參數(shù)保持不變,得出損傷因子及鋼筋應(yīng)力在不同地基模量條件下的變化趨勢(如圖7、圖8所示)。可以看出損傷因子隨著地基模量的增大逐漸減小,且在達(dá)到80MPa之前變化較小,超過80MPa以后變化迅速;鋼筋應(yīng)力隨著地基彈性模量的增加逐漸降低,說明增加地基彈性模量可以減緩混凝土的開裂。當(dāng)?shù)鼗鶑椥阅A啃∮?0MPa時,損傷因子已到達(dá)0.85以上,這時混凝土已產(chǎn)生了大量裂縫,板內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸由鋼筋承受,鋼筋應(yīng)力逐漸增大。該工程中的地基彈性模量僅僅為45MPa,說明該路面結(jié)構(gòu)的地基彈性模量偏低,應(yīng)當(dāng)對地基進(jìn)行加固處理,提高其彈性模量。

        圖5 損傷因子隨溫差的變化趨勢

        圖6 鋼筋應(yīng)力隨溫差的變化趨勢

        圖7 損傷因子隨地基彈模的變化趨勢

        圖8 鋼筋應(yīng)力隨地基彈模的變化趨勢

        3.5 基層模量的影響

        通過調(diào)整基層模量分別為200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600MPa,其他基本參數(shù)保持不變,得出不同基層模量Ed下的損傷因子d、鋼筋應(yīng)力S,如圖9、圖10所示。從圖中可以看出損傷因子d、鋼筋應(yīng)力S都隨基層模量Ed的增大而減小。說明基層模量越大,對板的支撐越好,路面越不容易發(fā)生破壞。該某省道的基層模量為800MPa,通過模擬結(jié)果分析,可以適當(dāng)提高基層模量。

        圖9 損傷因子隨基層模量的變化

        圖10 鋼筋應(yīng)力隨基層模量的變化

        4 結(jié) 論

        (1)本工程縱向配筋率偏小。在該CRCP路面中,縱向配筋率僅為0.34%,不滿足規(guī)范中最小配筋率為6%的要求。經(jīng)過計(jì)算算,建議本工程縱向鋼筋配筋率調(diào)整到0.7%以上。

        (2)地基彈性模量偏低。當(dāng)?shù)鼗^為軟弱時,車輛荷載重復(fù)作用可能導(dǎo)致其產(chǎn)生塑性變形,引起板塊斷裂。所以地基模量偏低也是造成混凝土開裂的問題之一。

        (3)對于連續(xù)配筋混凝土路面,關(guān)注配筋率和地基彈性模量的同時,對其他設(shè)計(jì)參數(shù)也要分析研究,為指導(dǎo)CRCP路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        [1] 王斌,楊軍.移動荷載作用下連續(xù)配筋混凝土三維有限元分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2008,9(38):850-855.

        [2] 高英,黃曉明,陳鋒鋒.基于可靠度的連續(xù)配筋混凝土路面配筋率設(shè)計(jì)方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2009,39(4):835-839.

        [3] 廖公云,黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M].南京:東南大學(xué)出版社,2008:200-225.

        2016-01-18

        蔣永星(1987-),男,河南永城人,助理工程師,主要從事城市地鐵監(jiān)控量測及相關(guān)研究。

        U

        C

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