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      基于ABAQUS的連續(xù)配筋混凝土路面損傷開裂分析

      2017-12-27 03:07:52羅會如
      黑龍江交通科技 2017年10期
      關鍵詞:筋率模量直徑

      羅會如

      (中鐵隧道勘測設計研究院,河南 洛陽 471009)

      基于ABAQUS的連續(xù)配筋混凝土路面損傷開裂分析

      羅會如

      (中鐵隧道勘測設計研究院,河南 洛陽 471009)

      連續(xù)配筋混凝土路面能夠保持路面的平整性和連續(xù)性,提高行車舒適性,國內已經逐漸開始推廣使用。然而國內某試驗段在運營半年后出現(xiàn)了裂縫,而臨近的素混凝土路面沒有出現(xiàn)。針對該工程背景,采用ABAQUS有限元軟件對溫度、載荷同時作用下路面結構進行了損傷開裂模擬分析。結果顯示,影響路面開裂的主要原因是配筋率偏低、溫差較大、地基的彈性模量偏低和路基基層模量偏低等,為以后類似工程提供參考。

      連續(xù)配筋混凝土路面;裂縫;損傷分析;配筋率

      1 工程概況

      本工程國內某省道二級公路,設計行車速度80 km/h,其基本參數(shù)如下:水泥混凝土路面面板厚27 cm,鋪筑混凝土面板施工分四幅進行,每幅寬3.5 m,沿縱向每隔500 m設置一道脹縫,采用間距為0.3 m的滑動傳力桿。每隔4.5 m切縫,采用間距為0.3 m的傳力桿。在連續(xù)配筋路面與其他路面相接處未設置錨固系統(tǒng),鋼筋網采用HRB335螺紋鋼筋,直徑為16 mm。

      試驗路段運營半年后,該路段已經出現(xiàn)大面積的路面網裂、沉陷,橫向裂縫沿橫向鋼筋發(fā)展,延伸到整個路面寬度,路面板沿橫向鋼筋折斷,露出鋼筋。經檢測,多處彎沉值達到了800 μm左右,該路已經處于迅速破壞期。而臨近的素混凝土路段并未出現(xiàn)類似于連續(xù)配筋混凝土路面的裂縫。為了研究CRCP開裂的原因,本文采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型對連續(xù)配筋混凝土路面及素混凝土路面分別進行了研究,通過分析混凝土開裂的影響因素,找出CRCP路面開裂的原因。

      2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

      2.1 模型及材料參數(shù)

      通過參考大量的文獻并不斷調整地基尺寸,最終確定地基尺寸為5 m×3.5 m×3 m。荷載作用在橫縫中部,荷載作用面簡化為矩形,作用面積為0.23 m×0.16 m,假定路基等其他參數(shù)滿足要求。假定路面各層之間是完全連續(xù)的,并選擇內置區(qū)域方法將粘鋼筋結起來。網格劃分混凝土采用DC3D8單元,縱向鋼筋單元采用DC1D2(兩結點熱傳連接單元)。采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型(CDP)進行分析。

      表1給出了該路面結構層的材料參數(shù),表2列出了各層路面材料的熱力學參數(shù),分析溫度場時,利用ABAQUS中的用戶子程序DFLUX等對路面結構進行施加太陽輻射、氣溫熱交換和路面的輻射。

      表1 路面結構層材料參數(shù)

      表2 路面材料熱力學參數(shù)

      2.2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

      在進行溫度—荷載耦合分析時,需要對上述建立的模型進行以下一些更新:(1)采用損傷塑性模型參數(shù)代替原材料的熱力學參數(shù);(2)邊界條件:橫向斷面采取橫向約束,縱向斷面采取縱向約束,地基底部采取完全固定約束;(3)選用桁架單元T3D2模擬鋼筋單元,C3D8R單元模型模擬路面結構;(4)重新設置正確的分析步,準確讀入溫度場數(shù)據(jù)進行力學分析。

      對荷載100 kN、200 kN、300 kN、溫差27 ℃的路面結構進行溫度—荷載模擬計算。通過參考文獻,定義當損傷因子達到0.8以上時,結構中將出現(xiàn)宏觀裂縫。標準軸載作用下(100 kN)損傷因子為0,路面尚未發(fā)生開裂,200 kN作用下?lián)p傷因子為0.229 5,有微小裂縫存在,300 kN作用下?lián)p傷因子達到了0.8以上,有宏觀裂縫的出現(xiàn),說明重載交通作用下,CRCP確實產生了裂縫。對于素混凝土路面,損傷因子不到0.8,尚未出現(xiàn)宏觀裂縫,與工程實際情況相符,側面驗證了本文選用的路面結構模型及參數(shù)的合理性。

      3 CRCP開裂原因分析

      3.1 配筋率

      (1)配筋率理論驗算

      通過我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定來驗算配筋率:①兩條裂縫之間的距離應該不小于1.0 m,不大于2.5 m;②裂縫寬度不能超過1 mm;③鋼筋所受到的拉應力應小于鋼筋的屈服應力。通過計算,橫向裂縫間距Ld為3 276.3 mm,超出了規(guī)范規(guī)定。裂縫寬度bj為1.28 mm,不滿足規(guī)范小于或等于1 mm的規(guī)定。鋼筋應力σs487.6 MPa>fsy=335 MPa,以上均不滿足規(guī)范的要求,應當調整配筋率。

      (2)有限元模擬分析驗算

      本小節(jié)分別選擇鋼筋直徑d為14、16、18 mm,配筋率ρ分別為0.34、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9%進行模擬,其他參數(shù)保持原始數(shù)據(jù)不變,得出了路面結構的最大損傷值d、鋼筋應力S隨配筋率及鋼筋直徑的變化,見圖1、圖2。

      圖1 損傷因子隨配筋率、鋼筋直徑變化

      圖2 鋼筋應力隨配筋率、鋼筋直徑變化

      從圖中可以得出:①在同一直徑下隨著配筋率的增加損傷因子、鋼筋應力都會產生較為明顯的減少。并且損傷因子的變化趨勢隨著配筋率增加趨勢逐漸減慢,說明當配筋率較少時,對混凝土開裂的影響較為明顯,但當配筋率增加到一定程度時,配筋率不再是影響混凝土的主要因素;②在同一配筋率下隨著鋼筋直徑的增大損傷因子相應增大,鋼筋應力相應減少。產生這兩種情況的主要原因是當鋼筋直徑相同時增大配筋率,或當配筋率相同時減小鋼筋直徑,鋼筋與混凝土之間的接觸面積都會增大,鋼筋對混凝土的約束能力增強,使路面的整體工作性能提高。所以在設計時,在滿足開裂控制的情況下,應選擇最低的配筋率、最小的鋼筋直徑。在該省道公路工程中,應首選的鋼筋直徑為14 mm。另外根據(jù)規(guī)范要求“冷凍地區(qū)的配筋率應在0.7%以上,一般地區(qū)的配筋率應當在0.6%以上”,并結合模擬結果,建議提高配筋率至0.6%以上。

      (3)縱向配筋率設計

      首先選擇14 mm直徑的鋼筋,分別假設配筋率為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%進行配筋驗算。發(fā)現(xiàn)配筋率為0.6%、直徑為14 mm,配筋率為0.7%、直徑為14 mm時不滿足設計要求,所以應選取的最佳配筋率為0.7%、最小鋼筋直徑為16 mm,說明在河南某省道公路工程中配筋率偏低是連續(xù)配筋混凝土開裂的原因之一。

      3.2 鋼筋的位置

      調整鋼筋距離板底的位置,分別為5、7、9、11、13、15、18 cm處,其他參數(shù)保持不變,得出面板混凝土的損傷因子d、鋼筋應力S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢,見圖3、圖4 。從圖中可以分析得出:隨著鋼筋距離板頂?shù)奈恢玫脑龃?,損傷因子逐漸增大,鋼筋應力逐漸降低,說明在溫度—荷載共同作用下,混凝土面板主要受到溫度的影響使板頂受拉破壞。

      圖3 d隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

      圖4 S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

      3.3 溫度的影響

      保持其他參數(shù)不變,輸入熱力學參數(shù),調整外界的最大溫差變化分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃對路面進行模擬,得出路面結構的損傷因子d、鋼筋應力S隨溫差的變化趨勢,如圖5、圖6所示。從圖中可以直觀的看出,隨著溫差的增大,損傷因子及鋼筋應力迅速增大,在溫差達到35 ℃時損傷因子已達到0.9,鋼筋應力已大于屈服應力,可以確定路面結構幾乎已經完全損壞,所以溫度是影響混凝土早期開裂的主要原因之一。

      3.4 地基模量的影響

      通過調整地基的彈性模量分別為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200 MPa,其他參數(shù)保持不變,得出損傷因子及鋼筋應力在不同地基模量條件下的變化趨勢(如圖7、圖8所示)??梢钥闯鰮p傷因子隨著地基模量的增大逐漸減小,且在達到80 MPa之前變化較小,超過80 MPa以后變化迅速;鋼筋應力隨著地基彈性模量的增加逐漸降低,說明增加地基彈性模量可以減緩混凝土的開裂。當?shù)鼗鶑椥阅A啃∮?0 MPa時,損傷因子已到達0.85以上,這時混凝土已產生了大量裂縫,板內產生的應力逐漸由鋼筋承受,鋼筋應力逐漸增大。該工程中的地基彈性模量僅僅為45 MPa,說明該路面結構的地基彈性模量偏低,應當對地基進行加固處理,提高其彈性模量。

      圖5 損傷因子隨溫差的變化趨勢

      圖6 鋼筋應力隨溫差的變化趨勢

      圖7 損傷因子隨地基彈模的變化趨勢

      圖8 鋼筋應力隨地基彈模的變化趨勢

      3.5 基層模量的影響

      通過調整基層模量分別為200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 MPa,其他基本參數(shù)保持不變,得出不同基層模量Ed下的損傷因子d、鋼筋應力S,如圖9、圖10所示。從圖中可以看出損傷因子d、鋼筋應力S都隨基層模量Ed的增大而減小。說明基層模量越大,對板的支撐越好,路面越不容易發(fā)生破壞。該某省道的基層模量為800 MPa,通過模擬結果分析,可以適當提高基層模量。

      圖9 損傷因子隨基層模量的變化

      圖10 鋼筋應力隨基層模量的變化

      4 結 論

      (1)本工程縱向配筋率偏小。在該CRCP路面中,縱向配筋率僅為0.34%,不滿足規(guī)范中最小配筋率為6%的要求。經過計算算,建議本工程縱向鋼筋配筋率調整到0.7%以上。

      (2)地基彈性模量偏低。當?shù)鼗^為軟弱時,車輛荷載重復作用可能導致其產生塑性變形,引起板塊斷裂。所以地基模量偏低也是造成混凝土開裂的問題之一。

      (3)對于連續(xù)配筋混凝土路面,關注配筋率和地基彈性模量的同時,對其他設計參數(shù)也要分析研究,為指導CRCP路面進行結構優(yōu)化設計提供依據(jù)。

      [1] 王斌,楊軍.移動荷載作用下連續(xù)配筋混凝土三維有限元分析[J].東南大學學報,2008,9(38):850-855.

      [2] 高英,黃曉明,陳鋒鋒.基于可靠度的連續(xù)配筋混凝土路面配筋率設計方法[J].東南大學學報,2009,39(4):835-839.

      U416.2

      R

      1008-3383(2017)10-0021-02

      2017-06-18

      羅會如(1990-),女,河南開封人,主要從事隧道及地下工程的科學研究工作。

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