钢-混凝土组合桥面板中UHTCC湿接缝抗弯性能数值分析

文/山东省交通规划设计院集团有限公司 浙江大学高性能建筑结构与材料研究所

徐召，代健波，陈国红，李庆华，童精中，徐世烺

国家自然科学基金（51978607）

1 UHTCC-普通混凝土界面分析理论

在使用UHTCC作为湿接缝浇筑材料的组合桥面结构中，湿接缝处UHTCC与普通混凝土之间将形成一个界面，如图1所示，在负弯矩作用下，桥面板将处于受拉状态，桥面板的抗拉承载力T将由钢筋、UHTCC-混凝土界面黏聚力提供：

T=cAc Asfy （1）

式中：Ac为接缝处截面面积；c为界面黏聚力；As为钢筋截面面积；fy为钢筋屈服应力。因此，在桥面层厚度以及配筋确定的情况下，截面的承载力将由界面的黏聚力大小来决定。界面黏聚力则取决于普通混凝土与现浇UHTCC界面之间的粘结力学行为，其取值大小的影响因素包括预制部分混凝土接缝界面的表面状况，现浇UHTCC的强度及养护情况等。

图1普通混凝土界面受力

在黏聚力模型当中，UHTCC与普通混凝土之间的界面可以通过在两者界面之间插入1层0厚度的Cohesive Elements即黏聚力单元来进行模拟，该模型将UHTCC与普通混凝土接缝界面之间复杂的破坏过程基于牵引-分离（traction-separation）断裂准则描述，在该断裂准则中最为常用的是如图2所示的双线性本构模型。其中横坐标表示位移，纵坐标表示应力，上升段表示粘聚单元的线弹性阶段，其斜率即为黏聚单元的刚度，峰值处表示黏聚单元开始发生损伤时的位移及对应的最大应力，下降段与横轴的交点表示黏聚单元彻底损伤时的位移，此时对应的应力为0；由上升段、下降段与横轴围成的三角形面积则代表材料彻底产生断裂时所需要的能量。由此可知，在定义黏聚面的力学性能时，需要确定黏聚单元的刚度、极限强度（屈服准则）、断裂能或黏聚单元发生彻底断裂时的极限位移。

图2牵引-分离断裂准则双线性本构模型

在Abaqus有限元分析软件中，内聚力模型作为1种损伤模型，需要预先设置其损伤准则才能定义界面之间的损伤规律。最常用的损伤准则包含4种:Quade Damage二次应变准则、Maxe Damage最大应变准则、Quads Damage二次应力准则、Maxs Damage最大应力准则。考虑到桥面板在承受负弯矩时，桥面板主要受拉应力控制，且混凝土在单轴拉伸加载条件下的破坏通常由法向应力控制，因此在本文对于UHTCC-混凝土界面的损伤模拟采用最大应力准则：

式中：tn为垂直于裂缝面上的牵引力；ts，tt为裂缝面上互相垂直的牵引；f为断裂标准，当1.0 ≤ f ≤ 1.0 ftol时将发生断裂；ftol为公差，默认为0.05。

根据文献中的试验结果，计算得出黏聚面的法向模量Enn，切向模量Ess、Ett；最大法向接触应力，最大切向接触应力，以及断裂能Gf等界面特性参数如表1所示。

表1 Cohesive单元本构参数