曹慧,張珂峰,沈強(qiáng)儒*

基于相對(duì)位移的高溫作用下鉸縫結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與仿真分析

曹慧1,張珂峰2,沈強(qiáng)儒1*

1. 南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院, 江蘇 南通 226019 2. 南通開(kāi)放大學(xué), 江蘇 南通 226018

針對(duì)梁式橋鉸縫這一受力薄弱部位進(jìn)行高溫后的材料特性分析和溫度場(chǎng)分析，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行梁橋結(jié)構(gòu)的高溫模擬，提取溫度場(chǎng)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，同時(shí)對(duì)于不同溫度場(chǎng)對(duì)鉸縫處內(nèi)力與位移的情況進(jìn)行討論，獲得不同相對(duì)位移特征值對(duì)應(yīng)下鉸縫的剩余抗剪承載力，確定鉸縫結(jié)構(gòu)在高溫作用下其相對(duì)位移特征和抗剪承載力損失隨溫度不斷升高過(guò)程中的變化情況，并提出基于鉸縫相對(duì)位移的橋梁承載力計(jì)算公式，通過(guò)實(shí)橋的論證結(jié)果表明：該方法簡(jiǎn)便易行，結(jié)果可靠，可為火災(zāi)后梁橋承載力的快速評(píng)估提供理論依據(jù)。

鉸縫; 力學(xué)性能; 仿真分析

早在20世紀(jì)初就有美國(guó)學(xué)者對(duì)火災(zāi)引起的建筑物失效進(jìn)行研究，并提出了火災(zāi)溫度的曲線表達(dá)式。我國(guó)在橋梁災(zāi)損評(píng)估方面的技術(shù)力量相對(duì)薄弱，針對(duì)火災(zāi)這類復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集與處理并沒(méi)有做到全面深入。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)高溫后橋梁結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)的損傷情況和檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究，取得了一定成果[1]。對(duì)于常規(guī)的鋼筋混凝土構(gòu)件例如柱、梁、板等在高溫作用下的材料的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[2]，但是針對(duì)梁式體系的鉸縫這類特殊結(jié)構(gòu)高溫作用后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的材料和承載力的影響的研究不夠全面深入。本文在基礎(chǔ)調(diào)研與分析基礎(chǔ)上，針對(duì)梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討了火災(zāi)后鉸縫的相對(duì)位移對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪承載力的影響，研究過(guò)火后結(jié)構(gòu)承載能力的退化規(guī)律，為結(jié)構(gòu)抗火的設(shè)計(jì)理論和火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的評(píng)定加固工作提供依據(jù)。

1 鉸縫的相對(duì)位移特征值

1.1 火災(zāi)后鉸縫的破壞特點(diǎn)

對(duì)于在工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)拼裝的裝配式混凝土梁橋來(lái)說(shuō)，后澆筑的鉸縫混凝土和預(yù)制的混凝土板的接觸形式是新舊混凝土的粘結(jié)，而粘結(jié)接觸面的力學(xué)性能受多種因素的影響。目前公認(rèn)的主要結(jié)論為鉸縫粘結(jié)處的力學(xué)性能主要受3個(gè)方面的影響：鉸縫處混凝土板的粗糙程度；鉸縫處的粘結(jié)劑；鉸縫的構(gòu)造措施[3,4]。其中混凝土板的粗糙程度在國(guó)內(nèi)規(guī)范中沒(méi)有明確的要求，只是在施工過(guò)程中會(huì)采用高壓射水、噴砂或人工鑿毛等方法進(jìn)行鉸縫處的粗糙處理，粗糙處理后對(duì)粘結(jié)界面涂刷合適的環(huán)氧類或聚合物類的粘結(jié)劑，構(gòu)造措施方面采用加鋼筋或鋼板的方法進(jìn)行結(jié)合面的設(shè)計(jì)。

由此可以認(rèn)為新舊混凝土之間的粘結(jié)主要是依靠材料間的摩阻力、化學(xué)膠結(jié)力和構(gòu)造產(chǎn)生的咬合力組成[5,6]。這種粘結(jié)力在高溫后會(huì)發(fā)生巨大的變化，而鉸縫特殊的構(gòu)造形式使得它成為橋梁整體受力的薄弱點(diǎn)[7,8]。所以研究火災(zāi)后梁橋鉸縫的損傷程度對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能的研究至關(guān)重要。已有的研究資料表明：在高溫作用下鉸縫處混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)大幅下降，產(chǎn)生裂縫，原因是高溫使混凝土收縮導(dǎo)致斜向應(yīng)力和劈裂應(yīng)力增大[9,10]；同時(shí)鋼筋的熱膨脹系數(shù)也比混凝土大，高溫后混凝土遇水產(chǎn)生膨脹，鋼筋收縮，導(dǎo)致鋼筋和混凝土間的摩擦力和咬合力減小，使粘結(jié)狀況進(jìn)一步惡化，在極大程度上降低了鉸縫處的承載力。

1.2 火災(zāi)后鉸縫的相對(duì)位移特征值的確定

式中，為鉸縫實(shí)際相對(duì)位移；為計(jì)算跨徑；10000為系數(shù)。

2 火災(zāi)后鉸縫的剩余承載力有限元分析

2.1 鋼筋混凝土空心板簡(jiǎn)支梁橋的溫度場(chǎng)分析

2.1.1 升溫階段結(jié)構(gòu)處于高溫狀態(tài)時(shí)，空間結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的升溫情況導(dǎo)致溫度差異，與火源點(diǎn)距離越遠(yuǎn)而溫度越低。處于結(jié)構(gòu)上部位置的梁、板等構(gòu)件在不斷上升的熱氣流作用下溫度較高，構(gòu)件表面溫度的均勻性與溫度的高低的影響因素較為復(fù)雜，與構(gòu)件受火位置、受火時(shí)間和氣流方向都有關(guān)系。本文釆用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所提出的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升降溫曲線，曲線說(shuō)明了結(jié)構(gòu)在受火過(guò)程中升溫、降溫以及火災(zāi)作用后續(xù)階段溫度的變化情況：=0+345lg(8+1)≤t(2)

2.1.3 高溫作用后=0t≤(4)

式中：--溫度，單位為℃；--高溫持續(xù)時(shí)間，單位為min；t--升降溫的臨界時(shí)間，單位為min。

鉸縫構(gòu)件在高溫作用下通過(guò)熱空氣將熱能傳遞到構(gòu)件內(nèi)部，構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生熱傳遞。目前的研究結(jié)果認(rèn)為可以將這個(gè)過(guò)程分為2個(gè)階段：第一個(gè)階段，熱能由空氣以熱量對(duì)流交換和物體之間的輻射換熱方式傳給結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的外表面；第二個(gè)階段，熱能在構(gòu)件內(nèi)部以固體導(dǎo)熱的方式傳遞到構(gòu)件內(nèi)部。因此可以應(yīng)用傳熱學(xué)的原理進(jìn)行溫度場(chǎng)求解，以便得到鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)在不同溫度作用下的溫度分布。

式中：--溫度；--介質(zhì)密度；--介質(zhì)比熱容J/(℃·kg)；,--坐標(biāo)；--時(shí)間。

2.2 有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行梁橋結(jié)構(gòu)的高溫模擬，提取溫度場(chǎng)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，同時(shí)對(duì)于不同溫度場(chǎng)對(duì)鉸縫處內(nèi)力與位移的情況進(jìn)行討論，獲得不同相對(duì)位移特征值對(duì)應(yīng)下的鉸縫的剩余抗剪承載力，確定不同位移特征值對(duì)應(yīng)的鉸縫火災(zāi)后的承載力損失情況，為災(zāi)后梁橋的快速評(píng)估和加固提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

2.3 模型的建立

本文以《公路橋梁通用圖》中跨徑20 m的后張法預(yù)應(yīng)力空心板為例進(jìn)行模型的建立，對(duì)簡(jiǎn)支空心板梁的鉸縫進(jìn)行溫度場(chǎng)和過(guò)火后的力學(xué)性能分析。溫度場(chǎng)分析中，混凝土采用熱傳導(dǎo)單元DC3D8；高溫下應(yīng)力分析時(shí)再把混凝土單元類型改為C3D8R實(shí)體單元，全橋的單元?jiǎng)澐秩鐖D1。模型中以跨中單面受火為例采用ISO 843標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，暫不考慮鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，在4#板與5#板、6#板與7#板、8#與9#板、10#板與11#板縱向跨中的鉸縫處布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分析對(duì)應(yīng)不同相對(duì)位移的鉸縫處抗剪承載力損失的實(shí)變效應(yīng)過(guò)程，確定鉸縫的耐火極限。

圖 1 全橋模型網(wǎng)格劃分

圖 2 橋梁縱向

3 高溫后鉸縫的相對(duì)位移變化情況

在有限元模型建立過(guò)程中，設(shè)置2個(gè)后續(xù)分析步，均采用靜力分析方法（Static,General）。Step-1：總步長(zhǎng)假定為1，增量0.3；Step-2：總步長(zhǎng)假定為1.4，增量0.08。初始條件下所有節(jié)點(diǎn)溫度10°C，4個(gè)測(cè)點(diǎn)高溫作用后溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖3，對(duì)比4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化可以看出，4條曲線總的發(fā)展趨勢(shì)是隨著鉸縫處的溫度逐漸升高，鉸縫的相對(duì)位移明顯增大。

圖 3 鉸縫相對(duì)位移與溫度發(fā)展關(guān)系圖

3.1 高溫作用后鉸縫處的剩余承載力分析

利用有限元模型，對(duì)鉸縫在高溫下受力變化過(guò)程考察，得到鉸縫處應(yīng)力變化隨鉸縫相對(duì)位移的發(fā)展規(guī)律。鉸縫受力過(guò)程為：溫度開(kāi)始上升階段，錨固在混凝土中的鋼筋與鉸縫處的混凝土變形協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)荷載；溫度不斷上升過(guò)程中，鉸縫處的混凝土發(fā)生剪切破壞而逐漸進(jìn)入塑性階段，但此時(shí)鋼筋仍處于彈性階段，鋼筋承擔(dān)了絕大多數(shù)的荷載；當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí)鋼筋屈服，此時(shí)結(jié)構(gòu)承載能力急劇下降，鉸縫破壞。在升溫過(guò)程中，鉸縫相對(duì)位移與鉸縫抗剪承載力損失的變化關(guān)系如下：

表 1 1號(hào)鉸縫相對(duì)位移與抗剪承載力損失關(guān)系表

表 2 2號(hào)鉸縫相對(duì)位移與抗剪承載力損失關(guān)系表

表 3 3號(hào)鉸縫相對(duì)位移與抗剪承載力損失關(guān)系表

表 4 4號(hào)鉸縫相對(duì)位移與抗剪承載力損失關(guān)系表

圖 4 鉸縫抗剪承載力損失隨溫度變化情況

4 結(jié)論

（1）由于鉸縫處混凝土受高溫作用吸水膨脹、強(qiáng)度降低，鋼筋收縮，摩擦力和咬合力大幅降低，粘結(jié)狀況劣化，材料的塑性變形能力增加，因此高溫作用后鉸縫的相對(duì)位移有所增加；

（2）鉸縫處的抗剪承載力隨溫度升高而損失顯著。低溫段（10~30）℃時(shí)損失（0~10%），中溫段（30~500）℃時(shí)損失20%~50%，髙溫段（500~1300）℃時(shí)損失50%~80%，混凝土強(qiáng)度發(fā)生急劇下降，發(fā)生質(zhì)變，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生驟降；

（3）高溫后，影響鉸縫處受力性能的因素很多，本文只選取了通用圖中企口式鉸縫模型，混凝土強(qiáng)度只考慮了C30，在受火位置與溫度的變化范圍上也選擇了有限的參數(shù)。對(duì)于其他因素的影響有待于進(jìn)一步研究。

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The Mechanical Properties and Simulation for Hinged Joint Structure on High Temperature Based on Relative Displacement

CAO Hui1, ZHANG Ke-feng2, SHEN Qiang-ru1*

1.226019,2.226018,

To analyze the material characteristics and temperature field after high temperature, ABAQUS finite element software was used to simulate the high temperature of bridge structure and to extract the temperature field. On this basis, the thermal stress coupling analysis was carried out, and the internal force and displacement of the hinged joints were discussed in different temperature fields. The residual shear bearing capacity of the hinged joints corresponding to different relative displacement eigenvalues was obtained to determine the relative displacement characteristics and shear bearing capacity loss of the hinged joints under high temperature and provide further theoretical basis for the rapid evaluation and reinforcement of the bridge after disaster.

Hinged joint; mechanical properties; simulation

U446

A

1000-2324(2019)02-0232-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.012

2018-02-05

2018-05-02

2017年江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017JH06001);2018國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51808298);2016年江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項(xiàng)目(2016ZD106)

曹慧(1986-),女,碩士,講師.研究方向:橋梁損傷評(píng)估，橋梁結(jié)構(gòu)基本理論. E-mail:caohui03@ntu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:Shengqr88@ntu.edu.cn