钢-UHTCC组合桥面板湿接缝抗裂性能数值分析

代健波， 李庆华， 童精中， 徐世烺

（浙江大学高性能结构研究所，杭州 310058）

0 引言

正交异性组合桥面体系因其施工方便、力学性能优异等特点而广泛应用于大跨度桥梁。但在长期使用过程中，其面临着桥面铺装层易损和钢桥面开裂两大耐久性问题［1］。有相关学者的研究表明，将超高性能水泥基复合材料（简称UHTCC）应用于组合桥面体系，形成正交异性钢-UHTCC韧性组合桥面体系，将能有效改善钢桥面板刚度不足以及铺装层开裂问题［2，3］。

对于大跨度的组合桥面体系的施工，无论是采用预制拼装还是现场浇筑，为了使得桥面结构更加具备整体性，湿接缝将难以避免地出现在桥面铺装层当中。对于正交异性UHTCC桥面层而言，湿接缝界面处的抗裂性能将有可能会由于界面处纤维的不连续等原因而出现明显的劣化。目前国内外部分学者已经关注到了组合桥面板湿接缝的问题，邵旭东等对RPC（活性粉末混凝土，为高性能混凝土的一种）的湿接缝展开了接缝界面处理、接缝处局部钢筋构造以及接缝形状等多方面研究，结果表明，提高接缝处的配筋率能有效提高其抗裂性能［4］。Wang等［5］的预制拼装钢-RPC组合桥面结构的抗弯性能试验结果表明，桥面层的裂缝主要集中在湿接缝界面处，原因就在于钢纤维在界面处的不连续。Pan等［5］通过模型试验研究了六个具有不同构造的RPC湿接头的弯曲抗裂性能，结果表明锯齿形和矩形湿接缝提供了明显更好的抗裂性能。

而由于目前对钢-UHTCC组合桥面板的研究还处于起步阶段，界内尚缺乏对钢-UHTCC组合桥面板湿接缝的有关研究，文中将基于相关文献研究成果，结合有限元数值模拟，探寻对UHTCC桥面板湿接缝在负弯矩作用下的受力状况进行仿真模拟的理论和方法。

1 湿接缝界面模拟方法

在ABAQUS中，可以通过在界面之间定义粘聚力接触，使用基于牵引-分离定律的双线性本构模型如图1所示，来模拟湿接缝界面的开裂失效，其中横纵坐标分别表示界面分离位移和分离牵引力大小。

图1 基于牵引-分离定律的双线性本构

粘聚力模型包含多种损伤准则，考虑到桥面板湿接缝处在负弯矩作用下主要承受拉应力，因此文中采用最大名义应力准则，其定义如下：

式中，tn对应开裂面上的法向牵引力；ts，tt为开裂面上相互垂直的的切向牵引力；f为断裂判断标准，当1.0≤f≤1.0+ftol时，将从界面处产生开裂；ftol为公差，取值默认为0.05。

文中所涉及的粘聚力接触参数均为结合相关文献［7-9］进行的定义，如表1所示。

表1 粘聚力接触参数

2 有限元模型的建立

有限元模型的设计结合相关文献［10］进行，钢材采用Q345钢，构造参数如图2所示。为了并防止钢结构产生局部屈曲，保证桥面板在负弯矩作用下能够充分受弯，模型设置了底部翼缘以及加载处的多个横向加劲肋。模型纵向全长为3.2m、净跨3m，桥面层厚度为40mm，布设单层双向直径为10mm的HRB400级钢筋，桥面层和钢桥面之间依靠抗剪栓钉进行连接。

图2 有限元模型整体构造尺寸参数（单位：mm）

根据桥面板湿接缝的不同构造，文中共设计了5个试件，如表2所示。其中包含一个不含湿接缝的“整浇”试件和4个带有湿接缝且包含不同钢筋构造的试件，其中针对现浇桥面的后浇湿接缝及预制拼装桥面的湿接缝钢筋构造进行了研究，各试件的接缝处钢筋构造具体如图3所示。

表2 试件的构造参数

图3 湿接缝局部钢筋构造（单位：mm）

2.2 材料本构及相关参数设置

UHTCC使用周航凯等［11］建议的基于混凝土塑性损伤模型的UHTCC拉压本构模型，如图4所示。同时UHTCC基本的弹性及相关的塑性参数也在表3中给出。钢材、栓钉及钢筋的本构模型则根据Zhao等所给出的背应力理论及弹塑性线性强化模型来进行定义，如图5所示。

表3 UHTCC材料参数取值

图4 UHTCC拉压塑性本构模型

图5 钢板及钢筋本构模型

在网格划分方面，UHTCC及栓钉均使用C3D8R实体单元，钢筋则采用T3D2线性桁架单元。而由于钢梁部分其长度和宽度远大于其厚度（比值在10以上），因此使用S4R壳单元既能减少计算量又能获得接近实际的模拟效果。考虑到计算的准确度和速度，单元网格划分尺寸为0.025m，湿接缝局部进行网格加密，尺寸为0.001m。模型中各部件的相互作用关系定义均结合结构的实际情况进行。首先，考虑到桥面层在受弯状态下将会同钢桥面产生一定的滑移，因此模型中桥面层底面和钢桥面之间定义为法向硬接触和切向摩擦关系；其次，抗剪栓钉底部通过绑定约束与钢桥面，而上部则随同钢筋通过嵌入约束于桥面层中；此外，湿接缝界面粘结力学行为的定义则根据前文所述的粘聚力接触进行界面间相互作用的设置。

如图6所示，模型加载条件为四点弯简支边界加载，加载过程以位移控制加载进行。模型的分析采用Abaqus/Standard隐式求解器进行。

图6 加载方式

3 有限元结果分析

3.1 整体受力状况分析

各个模型的整体破坏模态接近，以模型WJ为例，其整体受力应力分布云图如图7、图8所示，模型的最终的破坏由跨中纯弯段钢梁的屈曲引起。而由于各模型的接缝部位纵向钢筋构造不同，其钢筋的应力状态也有所区别。

图7 整体受力情况（以WJ为例）

图8 各模型钢筋及钢梁应力状态

其中整浇桥面模型INT和设置湿接缝由于钢筋构造完全一致，因此应力状态基本相同，钢筋在纯弯段部分均已达到最大应力，进入极限状态。而对于设置加密钢筋构造的模型WJ-EH而言，由于加密钢筋对应力的分担，在湿接缝部分的钢筋应力明显有所减小。而对于搭接钢筋构造的模型WJ-RLP及WJRLPEH而言，其湿接缝的搭接段钢筋应力相对也有所减小，钢筋在纯弯段其余部位也几乎都已进入极限状态。

湿接缝在界面处的破坏模态如图9所示，在负弯矩作用下，桥面层整体处于受拉状态，接缝界面满足损伤规则即产生开裂，裂缝随荷载增加而扩展。

图9 湿接缝在界面处的开裂

各个模型的荷载-跨中挠度曲线如图10所示。首先在线弹性阶段各个模型的曲线几乎完全重合，这表明湿接缝的设置、局部钢筋的加密以及纵向钢筋的搭接都不会引起模型弹性阶段刚度的变化。而进入屈服阶段后，对于设置了加密钢筋的模型WJ-EH及WJ-RLPEH极限荷载高于其余未设置加密钢筋的模型，但相差均不足5%，这表明湿接缝处局部钢筋的的加密会对模型极限承载力产生一定影响，但在可忽略不计的程度内，同时纵向钢筋的搭接也不会对承载力产生影响。

图10 荷载-跨中位移曲线

3.2 湿接缝界面开裂情况分析

在桥面板设置湿接缝的各个模型界面最大裂缝开展曲线如图11所示。通过对比可以发现，纵向钢筋的搭接和通长布置对接缝界面的裂缝宽度总体发展趋势几乎不产生影响，而是否设置加密钢筋才是影响其裂缝开展情况的关键所在。图11中设置局部加密钢筋的模型WJ-EH及WJ-RLPEH，在界面处的裂缝控制能力明显优于不设置局部加密钢筋的模型WJ及WJ-RLP，这表明了接缝界面处局部配筋率的提高对于控制其裂缝开展的有效性。

图11 接缝界面裂缝最大宽度发展曲线

图12为各个设置湿接缝模型界面处的初裂荷载，由于UHTCC具备一定的裂缝自愈能力，初裂荷载的判断标准为最大裂缝宽度大于50μm［12］。对比结果显示，设置局部加密钢筋的模型WJ-EH及WJ-WJRLPEH的初裂荷载相比于不设置加密钢筋的模型WJ及WJRLP分别提高了77%和48%，这表明加密钢筋不仅对改善接缝界面处的总体发展趋势有效，并且能提高界面处的初裂荷载。此外，由于模型WJ-EH相较于WJ-RLPEH具有更高的界面配筋率，因此WJ-EH的初裂荷载也相对有所提高。

图12 各个模型初裂荷载对比

4 结语

通过使用ABAQUS进行数值模拟，研究了接缝的设置及湿接缝局部钢筋构造对钢-UHTCC组合桥面板弯曲抗裂性能的影响，得到了如下结论：

（1） 桥面板湿接缝的设置对组合桥面板模型的抗弯性能几乎没有影响，同时纵向钢筋的搭接及湿接缝局部钢筋构造的改变对桥面板模型的抗弯性能的影响可忽略不计。

（2） 桥面板湿接缝处局部加密钢筋的设置能有效分担桥面层纵向钢筋所承担的应力，且对接缝界面处的裂缝发展控制性能有明显的改善效果。

（3） 桥面板湿接缝局部加密钢筋的设置能有效提高湿接缝界面处的初裂荷载，且在钢筋采用搭接时也有着明显的效果，这表明了预制装配式UHTCC桥面板的可行性。