新老混凝土结合面断裂——接触耦合分析.pdf

l O 8 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 期 ( 总第 1 8 7期 ) 新老混凝土结合面 断裂 陈芳芳 ， 武永新 ( 天津大学， 天 津3 0 0 0 7 2) 接触耦合分析 【 摘要】 随着现有混凝土结构的老化与损害 ， 混凝土加固工程成为建筑领域的一个重要分支， 新老混凝土 结合面是加固工程的薄弱环节。界面混凝土带有大量原始裂缝和缺陷是典型的非连续结构面， 除具有接触问题 的特征外还包含断裂问题。本文以拱坝加高培厚工程新老坝体结合面为研究对象， 通过基于表面的内聚力模型 与A B A Q U S强大的接触功能耦合分析来模拟新老坝体结合面工作性态。 【 关键词】 加高培厚； 新老混凝土结合面； 内聚力模型； 接触分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 0 8 0 4 T HE COUP L G ANAL YS I S 0F F RACT URE AND CONT ACT FoR NEW T O OLD CoNCRET E I NTERF ACE CHEN Fa n g f a n g W U Yo ng - x i n ( T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W i t h t h e i n c r e a s e o f s e I v i c e p e r i o d a n d v a rio u s d a ma g e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e ， C o n c r e t e r e i n f o r c e me n t e n g i n e e r i n g b e c o me s a n i mp o r t a n t b r a n c h i n t h e c o n s t ruc t i o n fi e l d wi t h a l a r g e n u mb e r o f c r a c k s a n d o ri g i n a l d e f e c t s t h e n e w t o o l d c o n c r e t e i n t e r f a c e i S v u l n e r a b l e t o d e s t ruc t i o n F r a c t u r e p r o b l e ms a n d c o n t a c t a n a l y s i s mu s t b e s t u d y f o r n o n c o n t i n u o u s s t ruc t u r a l s u rf a c e I n t h i s p a p e r ，s u r - f a c e b a s e d c o h e s i v e b e h a v i o r a n d c o n t a c t a n a l y s i s b y AB A Q U S w a s i n t r o d u c e d t o s i m u l a t e t h e f r a c t u r e a n d f o r c e t r a n s f e r me c h a n i s m o n th e i n t e rf a c e o f h e i g h t e n i n g a n d t h i c k e n i n g a r c h d a m p r o j e c t Ke y wo r d s ： h e i g h t e n a n d thi c k e n；n e w t o - o l d c o n c r e t e i n t e rf a c e ；C Z M ；c o n t a c t a n a l y s i s 随着现有混凝土结构的老化与损害， 混凝土加固 工程成为建筑领域的一个重要分支。在水利工程领 域 ， 许多拱坝出现材料老化以及坝体强度不足等病险 情况， 亟需加固。当一般加固措施不能有效解决问题 时， 培厚加固方案逐渐被很多薄拱坝采用。 拱坝培厚加固形成的坝体结合面作为新老混凝 散， 混凝土应变计的受压状态减弱， 基本恢复到水化 热温度明显上升前的水平。 6结语 苏通大桥 8号主墩承台第三层混凝土在浇筑期以 及浇筑后， 通过对测缝计、 钢筋应力计、 混凝土应变计 测得数据的分析。可认为新旧混凝土联系紧密， 结合 面黏结状况良好。承台作为桩基础的主要受力结构 ， 在桥梁运营期间需安全承受复杂的、 较大的工程荷 载。为了全面、 客观地评价新旧混凝土接触面的开合 度、 应变和传力效果以及新旧混凝土的共同作用， 进 一 步的跟踪观测仍然十分必要。 参考 文献 1 沙玲， 蔡祖炼， 刘继状 不同粗糙度的新旧混凝土界面黏结质 2 3 4 5 6 量的超声试验研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ， ( 3 ) ： 1 9- 2 1 陈志坚 江阴大桥南塔墩地基基础安全监控模型 J 岩土工 程技 术 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 4 1 4 4 陈志坚 大跨径悬索桥地基基础安全监控模型的研究思路及 技术路线 J 中国工程科学， 2 0 0 2 ， 4 ( 6 ) ： 2 0 2 4 刘大伟 超大型深水群桩基础受力 分析与 安全 监控模型研 究 D 南京 ： 河海大学 ， 2 0 0 6 唐勇， 王江明， 陈志坚， 耿方方 D T W距离在潮汐河段桩顶应 变监测异常识别中的应用 J 工程勘察， 2 0 1 1 ， ( 7 ) ： 7 8 8 9 刘健 新老混凝土粘结的力学性能研究 D 大连： 大连理工 大学 。 2 0 0 0 收稿日期 2 0 1 3 1 0 2 3 作者简介 谷伟铭( 1 9 8 8 一) ， 女， 江苏盐城人， 硕士， 研究方 向： 地质体稳定与安全监测 。 陈芳芳等： 新老混凝土结合面断裂接触耦合分析 1 0 9 土结合面的典型， 是加 固工程中的薄弱环节。近年 来 ， 国内外学者对于新老混凝土结合面粘结性能和传 力机理进行了广泛研究 “ 。新老混凝土结合面是一 个带有大量原始裂缝和缺陷的非连续结构面。属于 连续与离散的耦合介质， 其力学行为涉及断裂力学和 接触问题 。 1 新老坝体结合面数值模拟 1 1 内聚力模型( C Z M) 内聚力模型( 简称 C Z M， C o h e s i v e z o n e m o d e 1 ) 是对 复合材料界面的一种简化， 但通过适当地选取参数， 可以反映出复合材料的界面损伤问题。内聚力模型 在 A B A Q U S中的实现可以通过内聚力单元 和基于表 面的内聚力行为两种方法。 本文采用基于表面的内聚力行为， 这种行为准则 用张力 一位移关系来定义如图 1 、 图2所示。界面开 裂分两个阶段 ： 损伤萌生阶段及损伤扩展阶段 ， 对应 两个阶段 A B A Q U S提供了损伤启动准则和损伤扩展 准则来判断裂纹的萌生与扩展 。 O 图1 线性 内聚力模型张力一 位移关系 。 8 o 8 图2 指数内聚力模型张力一 位移关系 ： 譬 )=誊 誊 誊 )宦 )=硒 损伤启动准则采用最大应力准则 ： 一 半 ，号 ，号 ) 在式( 2 ) 、 式( 3 ) 中， t ： 为抗拉强度； t ： 和t 为切向 抗剪强度； 表示的是在纯压缩位移或者纯压缩应 力状态下不会发生损伤开始。 裂纹扩展阶段 ， A B A Q U S提供了线性关系和指数 关系， 用来描述损伤萌生准则满足后， 粘聚力刚度的 退化速率。此时应力如下式所示 ： 式中， f 、 t 为界面上法向张力和两个切向力； t t 。 、 t 为根据位移按照线弹性法则预测的法 向及切 向应力分量， D为损伤因子 ， 选择线性损伤扩展准则 ： f ma x 0 ( 4 ) 式中， 断裂扩展时的位移； “为在整个加载历 史中最大有效位移。 为损伤启动时的弹性断裂能。 1 2 接触分析 新老混凝土结合面的传力机理就是接触问题的 工作机理。在 A B A Q U S S t a n d a r d中， 一对相互接触的 面称为“ 接触对” ， 接触对由主面和从面构成。 接触属性包括两部分 ： 接触面之间的法向作用 和切向作用。法相作用描述接触压力与间隙的关系， 切向作用需要定义摩擦模型。A B A Q U S中常用的摩擦 模型为库伦摩擦， 其计算公式为： r = x p ( 5 ) 式中， r it 是临界切应力 ； 是接触面间的摩擦系 数； P是法向接触压强。 A B A Q u s s t a n d a r d通常使用 N e w t o nR a p h s o n算 法来求解接触非线性问题 ， 它把分析过程划分为一系 列的载荷增量步 ， 在每个增量步内进行若干次迭代 ， 得到可以接受的解后、 在求解下一个增量步， 逐步获 得最终的解答 。 1 3内聚力与接触耦合作用 内聚力行为与接触属性定义的法向行为、 切 向行 为之间并不矛盾 ， 因为他们作用的机制不同。在法线 方向上， 当结合面受张拉时， 内聚力行为发挥作用。 当结合面受压缩时， 接触法向行为发挥作用。在切线 方向， 若内聚力刚度没有损坏， 就可以认为内聚力模 型是激活的， 摩擦模型是处于抑制状态的， 一旦内聚 力刚度开始弱化， 摩擦模型开始起作用。 鸵 一跳 一叭 1 ， 一 一 (一 l l r J、 【( ： = I I