新老混凝土粘结的约束收缩有限元模拟及分析.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) VO 1 2 5 NO- 4 De c 2 0 0 8 新老混凝土粘结的约束收缩有限元模拟及分析 陈峰，郑建岚，俞柏良 ( 福州大学 土木工程学院，福建 福州 3 5 0 0 0 2 ) 摘要：在自密实混凝土与老混凝土约束收缩试验的基础上，本文采用大型有限元软件 A B AQU S进行了新老 混凝土粘结的约束收缩模拟，并与试验结果进行比较，以验证有限元模型的可行性。同时从应力分析的角度研 究在约束收缩的作用下，新老混凝土粘结的应力分布规律，考察新混凝土强度对约束收缩的影响，为采用 自密 实混凝土作为新混凝土进行结构的加固设计提供一定的参考依据。 关键词：白密实混凝土：约束收缩；粘结；有限元法；应力分布 中图分类号：T U5 2 8 0 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 2 1 9 0 4 在 自密实混凝土的加固与修复工程中会遇 到混凝土的收缩 问题【 l 】 。老混凝土往往收缩 已 经基本停止，而新浇混凝土要收缩就会受到老 混凝土的约束而引起拉应力。如果拉应力超过 新混凝土的抗拉强度或新老混凝 土的粘结强 度 ，就容易产生裂缝 ，影响结构的承载力和耐 久性 J 。因此，需要深入研究新老混凝土粘结 收缩引起 的应力与变形问题 。本文采用有限元 分析软件 AB AQ US对新老混凝土粘结的约束 收缩进行模拟分析 ，将计算结果与试验结果进 行比较以验证所建有限元模型的准确性，并分 析探讨粘结面 以及新混凝土上的应力分布 。 1 有限元模型的建立 1 1 基本假定 根据 新老混凝土粘 结面的受力特 点 ，在 AB A QUS有限元分析中可做如下基本假定： ( 1 )凝土为均质材料且各 向同性； ( 2 ) 在整个新混凝土的截面高度 内，自由 收缩沿截面高度是均匀的，不随混凝土高度的 变化而变化； ( 3 )混凝土线膨胀系数 取 1 1 0 一 C， 泊松比均为 0 2 ，混凝土的比重为 2 3 0 0 k g m。 ： ( 4 ) 结合工程实际， 一般新老混凝土粘结 面都有经过粗糙处理 ，在不受外荷载的情况下 可 以不考虑新老混凝土之间的粘结滑移 ，认为 新老混凝土能紧密粘结。 1 2 新混凝土的弹性模量 老混凝土 由于成型时间较长 ，其变形 已基 本稳定，其弹性模量 ， 可在浇筑新混凝土前 通过试验取值 。对于新混凝土，其弹性模量随 时间不断变化 ，可按文献 3 ， 4 给出的混凝土弹 性模量随龄期发展的公式计算， E( t ) =E o ( 1 一 ) ( 1 ) 式 中， 为混凝土弹性模量终值 ( MP a ) ；t为 龄期 ( d ) ； 肋 常数 。 对于 C 4 0 C 4 5自密实混凝土 ， 本章进行了 自密实混凝土弹性模量试验 ，测定 自密实混凝 土 3 d ，7 d ，1 4 d和 2 8 d的弹性模量与抗压强 度 ( 表 1 ) ，然后采用式 ( 1 ) 对弹模试验数据进 行拟合，分别得到两种强度混凝土弹性模量随 时间的发展关系，以便建模时使用 。 表 1 自密实混凝土不 同龄期 的弹性模量和抗压 强度 收稿 日期：2 0 0 8 0 6 2 4 作者简介：陈峰( 1 9 8 0 一 ) ，男，福建福州人，博士研究生，研究方向为高强高性能混凝土，k n i c k s 2 0 0 0 1 6 3 c o m。 基金项目：国家自然科学基金 ( 5 047 8 0 0 3 ) 。 2 2 0 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 为简化计算，将 f 时间间隔内的弹性模量 取为一定值，取此时间间隔内中点时刻的弹性模 量， 即t =( t n - l + t ) 2 = t +O 5 A t 时刻的弹 性模量 。考虑混凝土徐变的影响，将该时间间隔 内的弹性模量用混凝土的有效弹性模量来代替， 即E ， ( f ) =E ( t ) ( 1 + ( f ) ) ， 其中， ( f ) 为混凝 土徐变系数，可 由文献【 l ，5 】 中的相应公式计算。 1 3 分析方法 本文采用一种计算收缩的实用处理方法 当量温差法 刚 。该方法实质上是初应变法 ，先 根据线膨胀系数， 将收缩换算成“ 收缩当量温差” ， 然后将当量温差作为场荷载加载到新混凝土上以 实现新混凝土的收缩。 1 4 建立模型 由于新、老混凝土在材料性质方面存在着较 大的差异，因此本文创建 2个部件 ，分别代表新 混凝土和老混凝土，新老混凝土都采用三维实体 单元 ( C 3 D8 R) 。由于不考虑新老混凝土之间的 粘结滑移，可以认为新老混凝土之间有紧密的接 触 ，因此本文采用绑定约束 ( t i e )来模拟 。本 模型中将新混凝土 的粘结面定义为从面 ，而将老 混凝土的粘结面定义为主面 。 2 计算结果 比较 选用 C 4 5 一 C 4 0这两种强度 的自密实混凝土 粘结试件 ( 分别用 S C C1 ，S C C2 表示)的试验结 果与有限元分析进行比较，构件尺寸及材料力学 性能均采用试验实测值。测点布置如图 1 所示。 由于粘结面处新混凝土受到老混凝土紧密约束， 收缩值 几乎没有 ，因此本文只将试验中的 2 ，3 测点的平均收缩应变与有限元模型计算结果进行 比较，如图 2 3所示 。 图 1 约束收缩测点布置图 mm 4 3 0 5 薹 2 0 菱 ： O 5 O 0 4 00 2 3 0 o 鐾2 o o 萋 o 0 O 2 0 4 0 6 O 8 0 t d O 2 0 4 O 6 O 8 O t d ( b ) 图2 S C C1 试验结果与 A B AQ US计算结果的比较 3 50 3 0 0 0 2 5 0 2 0 0 髫1 5 o 婷1 0 0 一 5 0 O 5 0 0 4 0 0 0 3 0 0 2 0 0 婿 - -：a-1 0 0 2 0 4 O 6 0 8 O t d ( a ) 0 2 0 4 0 6 O 8 O t d ( b ) 图3 S C C 2 粘结试件试验结果与A B AQ US 计算结果比较 由图 2 图 3的比较结果可以看到， AB AQ US 的计算结果与粘结试件的试验结果的最大误差为 8 2，最小误差为 0 1，平均误差为 4 0 3 。 这说明本文所建的有限元模型是可靠的，计算结 第 4期 陈峰等：新老混凝土粘结的约束收缩有限元模拟及分析 2 2 1 果与试验结果吻合 良好 ，可以用来分析 由于新混 凝土 的收缩而产生的应力。 3 收缩应 力分析 由于新混凝土的收缩受到老混凝土 的约束， 因而会在新混凝土 内产生拉应力，在粘结面上产 生剪应力 。图 4为 S C C 2粘结试件在 6 0 d时的新 混凝土上 的应力分布图。在粘结面处新混凝土受 到明显的拉应力作用，且混凝土的拉应力在试件 跨中位置最大；然后沿着试件高度拉应力不断减 小直至为零 ，而拉应力为零处则是混凝土约束收 缩等于 自有收缩处；随后混凝土上 出现压应力 ， 应力分布也就从拉应力区过渡到了压应力区，并 4 结论 且在新混凝土顶部出现最大压应力。 由图 5可知：新混凝土为 S C C 2时，粘结面 上的剪应力分布也是不均匀的，且存在严重的应 力集 中现象，表现为粘结面两端的剪应力最大， 约为 0 6 6 3 MP a ，而跨 中的剪应力则非常小， 接近 于零 。这样就造成了粘结面上的剪应力在粘结面 两端高度集中。新混凝土为 S C C1和 S C C 3时， 也有同样的应力集 中现象。这表 明粘结面端部受 到约束收缩引起 的剪应力最大，若粘结面的粘结 效果较差，粘结强度较低 ，则有可能在端部先发 生剪切破坏 ，随后引起进一步的粘结失效，这也 与实际工程中遇到的情况尤其是薄混凝土修补层 的破坏相吻合 J 。 图4 新混凝土为 S C C 2 ，6 0 d时新混凝土上应力分布云图 图5 新混凝土为 S C C 2 ，6 0 d时粘结面上的剪应力云图 ( 1 )本文通过有限元软件 AB AQ US建立 新老混凝土粘结约束收缩有 限元模型， 采用 当 量温差法进行计算，并将试验结果与模型的计 算结果进行 比较 ，两者吻合 良好，说明本文所 建 的有 限元模型是可靠的，可 以用来分析由于 新混凝土的约束收缩而产生的应力分布 。 ( 2 )通过收缩应力分布云 图，可 以看到 新混凝土上的应力分布也较为复杂 。在粘结面 处新混凝土受到明显的拉应力作用，而后沿着 试件高度方向拉应力不断减小直至转变成压应 力。有限元模型计算新混凝土粘结面处拉应力 与粘结面上的剪应力的结果表明，新混凝土粘 结面处的拉应力与粘结面上 的剪应力在试件长 度方 向的分布也是不均匀的。粘结面附近混凝 土 的拉应力在试件跨中位置最大；而粘结面上 的剪应力则在试件 的两端最大，而跨中的剪应 力则非常小。这表 明粘结面两端是新老混凝土 粘结 的薄弱环节 ，存在严重的应力集中现象， 在实际工程 中应予 以重视。 参考文献： 1 】 赵志方，周厚贵，袁群，等新老混凝土粘结机 理研究与工程应用【 M】 北京：中国水利水电出 版社， 2 0 0 3 2 梅明荣，葛世平，陈军，等 混凝土结构收缩应 力问题研究 J 河海大学学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 1 ) ：7 4 7 8 3 】 P h i l i p p e T u r c r y , Ah me d L o u k i l i ， K h a l i l Ha i d a r , e t a l Cr a c k i n g T e n d e n c y o f S e l f - Co mp a c t i n g Co n c r e t e _6 6 S S S S S S S I S S S O O 0 0 0 O O O 0 0 0 0 O + + + + + + + + + + + + + _l e e e e e e e e e e e e e n 3 7 28 4 9 S0 6 3 37 i 7 Z 0 37 O 48 1 8 l7 t Z i 83 8 4 9 喀0 4 93 8 L( _ - - - l 1 9 8 6 S 3 2 l 4 1 3 4 一l + + + + + + + + +一 一 一 一 lItlt 2 2 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 【 4 】 【 5 】 【 6 】 S u b i e c t e d t o R e s t r a i n e d S h r i n k a g e ：E x p e ri me n t a l 工业出版 社， 1 9 9 7 S t u d y a n d Mo d e l i n g J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s i n 【 7 】 A B A QU S I n c A B AQ US V e ri fi c a t i o n Ma n u a l Z C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， l 8 ( 1 ) ： 4 6 5 4 A B A QUS S y s t e m 6 4 R e l e a s e No t e s S e p t e mb e r Z d e n 6 k P B a a n t S a n d e e p B a we j a C r e e p a n d 2 0 0 3 S h ri n k a g e P r e d i c t i o n Mo d e l f o r A n a l y s i s a n d 【 8 D h i r M E A S t u d y o n t h e E f f e c t o f T e mp e r a t u r e D e s i g n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ：Mo d e l B 3 R V a r i a t i o n s o n the B o n d i n g o f C o n c r e t e O v e r l a y s J ， Co n c r e t e I n s t i t u t e ，Fa r mi n g t o n Hi l l s ，Mi c h i g a n ， ACI J o u r n a l ， 1 9 8 4 ， 8 1 ( 2 ) ： 1 7 2 1 7 9 2 0 0 0 【 9 】L a n g e D， Ra u N， Bi c e r B， e t a1 E a r l y Ag e Cr a c k i n g Ba z a n t Z P Bh a t P DEn d o c h r o n i c Th e o r y o f o f Co n c r e t e Bo n d e d Ov e r l a y s for Ai r p o rt I n e l a s t i c i t y a n d F a i l u r e o f C o n c r e t e J 1 9 7 6 ， 1 0 2 ( 4 ) ：P a v e me n t R R e p o r t S u b mi t t e d t o I l l i n o i s D OT , 7 0 1 7 2 2 1 9 9 9 王铁梦工程结构裂缝控制【 M】 北京：中国建筑 Fi n i t e El e me n t S i mu l a t i o n o f t h e S h r i n k a g e Pe r f o r ma n c e o f Ad h e r e n c e b e t we e n S e l f - c o mp a c t i n g Co n c r e t e a n d Ol d Co n c r e t e CHEN Fe ng ， ZHENG J i an l a n ，YU Bo - l i a ng ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e s ， F u z h o u U n i v e r s i t y , F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Ba s e d o n t h e t e s t r e s u l t s o f a d he r e n c e of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e t o o l d c o n c r e t e ，t h e r e s t r a i n e d s h r i n k a g e o f a d h e s i o n b e t w e e n n e w a n d o l d c o n c r e t e i s s i mu l a t e d b y fi n i t e e l e me n t p r o g r a m AB AQ US Co mp a r e d wi t h t h e t e s t r e s u l t s t h e fin i t e e l e me n t mo d e l i s p r o v e d t o b e e f f e c t i v e T h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f a d h e r e n c e of n e w o n o l d c o n c r e t e u nd e r r e s t r a i n e d s h r i n ka g e i s s t u d i e d f r o m s t r e s s a na l ys i s I t c a n b e t a k e n a s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f s t r e n g t h e n i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e wi th s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e a s n e w conc r et e Ke y wo r d s ：s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ；r e s tra i n e d s h r i n k a g e ；a d h e r e n c e ；d e fi n i t e e l e me n t me t h o d ；s t r e s s d i s t r i b u t i o n ( 上接第 1 9 5页) 【 5 】 毛崇华，王天稳混凝土梁粘钢加固后的挠度验算 J 建筑技术开发， 2 0 0 2 ， ( 9 ) ： 1 2 1 5 6 】 周明华土木工程结构试验与检测【 M】 南京：东南 大学 出版社， 2 0 0 2 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n S h o r t - t i me De fl e c t i o n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms S t r e n g t h e n e d wi t h CF RP Bo a r d XU Y u nl ， CAI J i n t a ng 。 ，XU ， S HEN Ba o- y u n1，G u X i a o - j i n g l ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d U r b a n C o n s t r u c t i o n ， J i u j i a n g U n i v e r s i t y , J i i a n g 3 3 2 0 0 5 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e rin g ， W u h a n Un i v e r s i t y ， W u h a n 4 3 0 0 7 2 ， Ch i n a ； 3 C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g ， J i a x i n g U n i v e r s i t y ， j i a x i n g 3 1 4 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e e x pe rime n t a l s t u d y of RC b e am s s t r e ng t h e n e d wi t h CFRP bo ard i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r E x p e rime n t a l r e s e arc h o f s i x b e a ms s tr e n g t h e n e d wi t h CF RP b o a r d o n the i r t e n s i l e f a c e s h a s b e e n c a r r i e d o u t t o e xa mi n e t h e e f f e c t s o f fir s t a n d s e c o n da r y l oa d i n g o n the s t i ffn e s s b y c o n tra s t i n g wi t h t hr e e n on - 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