(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

一、工程背景

隨著城市化進(jìn)程加快，眾多舊式構(gòu)筑物面臨加固改造，而混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程最常見的做法是新舊混凝土交接處理，保證新舊混凝土界面處粘結(jié)性能是改造工程取得預(yù)期結(jié)果的關(guān)鍵。目前，數(shù)值模擬技術(shù)日益成熟，通過數(shù)值計算方法研究新舊混凝土接觸界面力學(xué)性能有助于加固工程的順利開展。

二、有限元分析

(一)接觸模型簡述

在ABAQUS中，新舊混凝土接觸可通過內(nèi)聚力接觸屬性(Surface-based cohesive behavior)來模擬，用于接觸界面厚度可忽略不計的情況，通過張力-位移關(guān)系來定義。參數(shù)定義包括三個部分：線彈性張力-位移關(guān)系、損傷啟動準(zhǔn)則以及損傷演化準(zhǔn)則。

(二)模型概況

對文獻(xiàn)[1]中的試件W-M1(整體試件)和C-M1(鑿毛試件)進(jìn)行模擬，C-M1模型如圖1所示，W-M1模型是整體澆筑，不存在新舊混凝土接觸界面。

圖1 C-M1試件模型

(三)模型參數(shù)

混凝土材料采用CDP模型，預(yù)制混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C40，實測立方體抗壓強(qiáng)度平均值為48.92MPa。后澆混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C50，實測立方體抗壓強(qiáng)度平均值為62.36MPa。按照規(guī)范[2]計算，該試驗混凝土實際強(qiáng)度超過設(shè)計強(qiáng)度2個等級以上，考慮混凝土脆性隨強(qiáng)度提高而增大，按照已有試驗建議，本文按照10MPa/mm～40MPa/mm進(jìn)行取值。鋼筋等級為HRB335，采用桁架單元T3D2，通過EMBED命令嵌入。模型是通過頂部墊塊沿y軸負(fù)方向?qū)嵤?5mm位移加載。

損傷啟動準(zhǔn)則采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則，損傷演化采用基于能量、線性剛度降低的模式?？紤]該試驗主要受豎向剪切破壞，根據(jù)剪切破壞相對位移來計算剪切斷裂能，近似作為總斷裂能。同時，考慮接觸界面發(fā)生脆性破壞，剪切破壞相對位移與峰值剪應(yīng)力對應(yīng)相對位移的比值δf/δ0取為1.5。接觸界面參數(shù)如表1所示。

表1 C-M1模型接觸界面參數(shù)取值

(四)結(jié)果分析

如圖2所示，W-M1整體試件在轉(zhuǎn)角處發(fā)生應(yīng)力集中，雖然上下兩部分混凝土是同時澆筑，但豎向加載時試件的“界面交接處”仍是薄弱處，容易產(chǎn)生裂紋而破壞。如圖3所示，C-M1鑿毛模型的破壞過程與試驗結(jié)果相近，最終兩個混凝土試件會發(fā)生脫開破壞。

W-M1模型的剪切荷載-位移曲線呈現(xiàn)先增大后降低的變化過程，峰值剪切荷載均低于試驗結(jié)果，模型峰值荷載接近110kN，試驗峰值荷載接近160kN，但是模型曲線起始上升段與試驗曲線擬合度高，表明擬合程度較好。模型峰值荷載偏低的原因是CDP模型部分參數(shù)采用設(shè)計強(qiáng)度，而該試驗混凝土實際強(qiáng)度超過設(shè)計強(qiáng)度2個等級以上。

C-M1模型峰值剪切荷載與試驗結(jié)果較為接近，約為65kN，說明由于粘結(jié)界面的薄弱性使得承載能力低于整體澆筑結(jié)構(gòu)。C-M1模型試驗結(jié)果與模型4上升段擬合程度高，說明實際試件界面接觸處的粘結(jié)滑移剛度偏大，粘結(jié)滑移剛度可取值為40MPa/mm，構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。比較模型1～模型4，粘結(jié)滑移剛度越大，峰值剪應(yīng)力略微降低，這是因為模型界面在加載中發(fā)生輕微法向位移，剪切荷載受到法向位移的限制而達(dá)不到同樣的峰值，但峰值在設(shè)定參數(shù)3.32MPa附近，說明該接觸模型滿足預(yù)設(shè)要求。此外，模型剪應(yīng)力達(dá)到峰值后剛度發(fā)生衰減，剛度越大，其衰減越脫離線性，這是因為剛度越大，δf/δ0取為1.5，計算得到的剪切斷裂能不足以有效模擬剪切行為，同時接觸界面輕微的法向位移消耗一部分能量，模型不再僅是沿剪切向破壞，導(dǎo)致模型界面處沿剪切方向的相對滑移受到模型沿接觸界面法向運(yùn)動的影響，但把超過峰值應(yīng)力后的幾個鄰近數(shù)據(jù)點連成一條趨勢線，該趨勢線與X軸相交的數(shù)值接近由δf/δ0取為1.5計算得到的δf，說明模型參數(shù)輸入正確。

三、結(jié)論

(1)計算模型結(jié)果符合試驗現(xiàn)象，構(gòu)件承載能力受限于接觸界面的力學(xué)性能；(2)內(nèi)聚力接觸屬性能夠有效模擬新舊混凝土接觸界面粘結(jié)力學(xué)性能，模型參數(shù)取值需考慮實際試驗條件的影響。