高温后预制装配式混凝土界面抗剪内聚力参数研究

张海耀，毛小勇

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

预制装配式混凝土结构的建筑具有耗能低、环境污染小、施工速度快等优点，是目前国家大力推广的结构形式之一[1]。装配式建筑历史悠久，而装配式混凝土结构出现的比较晚，最早的装配式混凝土结构出现在19世纪70年代的英国。我国的装配式建筑起步比较晚，大致始于20世纪50年代，但近些年随着国家的政策扶持而被大力推广。

试验和研究表明，预制装配式混凝土结构界面部位存在破坏的可能。对于混凝土界面的研究，多数集中在常温下的新旧混凝土界面性能。叶果[2]对新老混凝土进行抗剪试验研究表明：植筋率和混凝土强度对界面的抗剪影响比较大。张雷顺[3]通过试验研究了沟槽式混凝土界面的抗剪性能，研究表明：在一定的粗糙度范围内抗剪强度随着粗糙度的提高而增强，并指出在平均灌砂深度为2.5 mm时抗剪强度最大。Randle[4]指出界面的抗剪分为四个部分：一是粘接及骨料咬合；二是库伦摩擦；三是钢筋消栓效应；四是钢筋夹压效应。然而对于高温后的混凝土界面性能却鲜有研究。曾经有学者将界面分层[5]，其实这种分层的意义就在于表明界面的材料特性和两侧材料的特性是不同的，在界面的边界条件上，这实际就代表了一侧的材料对另外一侧材料的约束，这种约束最终将会导致界面和界面附近出现应力集中[6]。

随着装配式建筑的发展，对于高温后的混凝土界面的研究将很有必要。本文利用内聚力模型模拟装配式混凝土界面高温后的抗剪性能，基于界面高温后抗剪试验结果确立了内聚力模型参数，采用有限元软件Abaqus对装配式混凝土界面的粘接滑移进行模拟，并给出了内聚力参数建议值供参考及内力分析借鉴。

1 内聚力模型（CZM）

内聚力模型[7]（CZM）是通过选取恰当的参数，将复杂的界面行为简化为相对简单的力学模型，来反映界面损伤机理。内聚力在Abaqus中主要通过基于表面的内聚力行为和内聚力单元来实现，本文采用基于表面的内聚力行为。

内聚力模型中，滑移或者断裂是被认为在断裂过程中受到内聚张力的一种现象。对于不同的材料和结构，许多学者给出了各种形式的内聚力模型，其主要区别在于张力-位移的不同关系，因此对于内聚力模型参数的研究主要针对张力-位移关系的研究。应用比较多的是双线性、梯形、多项式和指数型张力-位移关系。本文采用双线性张力-位移关系，因其简单且与试验的吻合度比较高而被广泛应用。图1所示为双线性张力位移关系图。

图1 双线性张力-位移关系

内聚力区域内的应力（σ，τ）在外荷载的作用下，随着位移的增长呈线性增长，当张力达到峰值后，损伤开始，随后随着位移的增加张力在逐渐减小，裂纹在逐步扩展；应力为零时，裂纹完全展开，界面失效。图1中σmax和τmax分别表示法向和切向的最大应力值对应于最大应力值时的位移值。当应力减小至零时裂纹开展完成，此时的表示最终的开裂位移值。Knn,tt,ss表示切向和两个法向的界面刚度，就是图1中上升段的斜率，断裂能Gn,t,s为曲线所围成的面积。损伤因子D定义为

双线性内聚力模型控制方程如下

断裂能的计算方法

本文的损伤准则采用Maximum stress criterion（最大名义准则），损伤演化规律采用基于能量的损伤演化规律，即

2 界面抗剪试验

2.1 试验简介

试件如图2所示，图2（a）是界面不植入钢筋的试件，图2（b）是界面植入钢筋的试件。试件制作时先浇筑A部分，待A部分养护至指定强度的75%时再浇筑另外一部分，然后将试件移至标准养护室进行养护28 d。混凝土配合比见表1。

图2 试件简图

表1 C30混凝土配合比

将养护完成的试件移至电阻炉中加热至指定温度，恒温一段时间取出，放在自然环境中冷却至室温；然后，试件在试验机上进行力学性能试验。加载试验采用位移加载，速率控制在0.2 mm/min。试验中主要测量剪力（F）和试件两侧的位移（S1和S2）。最终得到试件的荷载位移曲线。

2.2 试验结果

图3所示为不植筋试件的荷载-位移曲线，由图3可见，不植筋试件的荷载-位移关系主要分为上升和下降两个阶段，当荷载达到峰值时候，试件两侧分离，试件破坏，荷载-位移曲线直线下降。

图4所示为界面植筋试件的荷载-位移曲线，由图4可见，荷载-位移曲线主要分为上升、下降和水平段三个阶段。随着荷载的增加预制和后浇部分发生相对滑动，达到峰值后荷载迅速下降，由于界面有植筋，荷载并没有降至零，而是在下降到某一数值时保持不变，位移不断增加，延性破坏的特征非常明显。

试件的峰值荷载、对应位移、残余荷载和开裂位移见表2。600℃植筋试件因为混凝土退化严重，试验中未能获得比较稳定的残余荷载值。

图3 不植筋试验结果

图4 植筋试验结果

表2 高温后预制装配式混凝土界面抗剪结果

2.3 内聚力参数确立

通过试验得到的内聚力模型参数见表3。需要说明的是，由于预制装配式混凝土界面的粘接性能受到界面粗糙度、材料、质量和养护等多方面因素的影响，导致内聚力参数的随机性比较大。表中所列出的数据均为三组试验数据的平均值。

表3 内聚力模型参数

3 有限元验证

3.1 单元及网格划分

有限元模型及网格划分如图5所示，具体的构件的几何参数和单元类型见表3所列。

表3 构件几何参数

3.2 材料属性

高温后的混凝土材料本构关系选取吴波[8]建议的模型，具体见式（5）。

式中，σ0,Tm、ε0,Tm分别为高温后混凝土峰值应力和峰值应变；σ0、ε0分别为常温下混凝土峰值应力和峰值应变；Tm为经历的最高温度。

高温后钢材材性的变化主要是由于高温作用导致的钢材微观结构的改变。研究表明，当温度不超过600℃时，钢材的微观结构和强度变化很小。由于本文的最高加热温度为600℃，因此，本文参考曹文衔[9]的研究结果，400℃之前钢材的屈服强度不变，600℃的钢材的屈服强度为常温的0.9倍。

3.3 弹簧单元的建立

在有限元分析中考虑到界面植筋与混凝土之间存在粘接滑移，需要在钢筋与混凝土之间加入连接单元。在本文的有限元分析中采用非线性弹簧单元spring2模拟连接。采用宋天诣[10]建议的高温后钢筋-混凝土之间的粘接滑移关系作为spring2的本构关系，经修正得到τ-s曲线。

在Abaqus中，spring2是非线性弹簧单元[11]（见图6），单元有两个节点，其中一个节点为钢筋单元上的节点，另外一个节点为在混凝土单元的节点。模型中的非线性弹簧的定义需要在inp文件中进行，inp文件中的要求弹簧的本构关系为F-S曲线，F为每个弹簧对应的粘接应力和粘接面积的乘积，S表示钢筋与混凝土之间的相对滑移。Inp文件中的spring2的本构定义如图7所示。

图6 弹簧模型

图7 有限元中的弹簧本构模型

3.4 模拟结果与分析

（1）植入钢筋变形对比。以Ⅱ型界面在经历常温、200℃、400℃和600℃后，法向应力为零的剪切试验为例，通过有限元方法对高温后预制装配式混凝土界面的抗剪进行数值模拟。图8是选取常温和600℃试件的植入钢筋的变形情况，从图中可以看出模拟的钢筋的变形情况与试验结果基本相似。

图8 界面植入钢筋的变化情况

（2）界面滑移曲线对比。图9是高温后预制装配式混凝土界面抗剪试验的剪应力-位移曲线的模拟结果和试验数据的对比情况。可以看出，在曲线的上升阶段，双线性内聚力模型和试验的结果基本一致，抗剪强度和剪切模量均吻合良好。在下降阶段，也就是软化过程，两者存在一定的差异，可能原因：一是试验材料存在一定的离散性；二是破坏后界面存在非纯剪的成分。

总体上看，有限元模拟结果和试验结果吻合较好，表明本文的内聚力模型和非线性弹簧模型能够良好地反映界面的破坏行为。

图9 混凝土界面剪应力-位移模拟与比较

4 内聚力参数的建议值

通过试验和模拟结果给出了可以供参考的经历不同温度后的界面内聚力参数（见表4）。考虑到植筋试件的内聚力参数相比无筋试件略大一些，建议在实际抗火设计中保守地取两者中的较小值作为内聚力参数。

表4 内聚力参数建议值

5 结论

对高温后预制装配式混凝土界面抗剪性能进行试验与数值模拟研究，得出如下结论：（1）不植筋高温后预制装配式混凝土界面的破坏属于脆性破坏，植筋试件的破坏属于延性破坏。（2）随着温度的提高界面的抗剪刚度和抗剪强度逐渐减弱。（3）双线性内聚力模型可以对混凝土界面的抗剪性能进行准确模拟。（4）建议的高温后内聚力参数可供火灾后建筑结构性能评估时参考。