基于相對位移的高溫作用下鉸縫結構力學性能與仿真分析

曹慧,張珂峰,沈強儒*

基于相對位移的高溫作用下鉸縫結構力學性能與仿真分析

曹慧1,張珂峰2,沈強儒1*

1. 南通大學 交通與土木工程學院, 江蘇 南通 226019 2. 南通開放大學, 江蘇 南通 226018

針對梁式橋鉸縫這一受力薄弱部位進行高溫后的材料特性分析和溫度場分析，采用ABAQUS有限元軟件進行梁橋結構的高溫模擬，提取溫度場；在此基礎上進行熱-應力耦合分析，同時對于不同溫度場對鉸縫處內(nèi)力與位移的情況進行討論，獲得不同相對位移特征值對應下鉸縫的剩余抗剪承載力，確定鉸縫結構在高溫作用下其相對位移特征和抗剪承載力損失隨溫度不斷升高過程中的變化情況，并提出基于鉸縫相對位移的橋梁承載力計算公式，通過實橋的論證結果表明：該方法簡便易行，結果可靠，可為火災后梁橋承載力的快速評估提供理論依據(jù)。

鉸縫; 力學性能; 仿真分析

早在20世紀初就有美國學者對火災引起的建筑物失效進行研究，并提出了火災溫度的曲線表達式。我國在橋梁災損評估方面的技術力量相對薄弱，針對火災這類復雜的數(shù)據(jù)采集與處理并沒有做到全面深入。國內(nèi)眾多學者針對高溫后橋梁結構材料、結構的損傷情況和檢測方法進行了大量研究，取得了一定成果[1]。對于常規(guī)的鋼筋混凝土構件例如柱、梁、板等在高溫作用下的材料的應力應變情況進行了大量的試驗研究[2]，但是針對梁式體系的鉸縫這類特殊結構高溫作用后對橋梁結構的材料和承載力的影響的研究不夠全面深入。本文在基礎調(diào)研與分析基礎上，針對梁橋結構特點，探討了火災后鉸縫的相對位移對結構抗剪承載力的影響，研究過火后結構承載能力的退化規(guī)律，為結構抗火的設計理論和火災后結構的評定加固工作提供依據(jù)。

1 鉸縫的相對位移特征值

1.1 火災后鉸縫的破壞特點

對于在工廠預制現(xiàn)場拼裝的裝配式混凝土梁橋來說，后澆筑的鉸縫混凝土和預制的混凝土板的接觸形式是新舊混凝土的粘結，而粘結接觸面的力學性能受多種因素的影響。目前公認的主要結論為鉸縫粘結處的力學性能主要受3個方面的影響：鉸縫處混凝土板的粗糙程度；鉸縫處的粘結劑；鉸縫的構造措施[3,4]。其中混凝土板的粗糙程度在國內(nèi)規(guī)范中沒有明確的要求，只是在施工過程中會采用高壓射水、噴砂或人工鑿毛等方法進行鉸縫處的粗糙處理，粗糙處理后對粘結界面涂刷合適的環(huán)氧類或聚合物類的粘結劑，構造措施方面采用加鋼筋或鋼板的方法進行結合面的設計。

由此可以認為新舊混凝土之間的粘結主要是依靠材料間的摩阻力、化學膠結力和構造產(chǎn)生的咬合力組成[5,6]。這種粘結力在高溫后會發(fā)生巨大的變化，而鉸縫特殊的構造形式使得它成為橋梁整體受力的薄弱點[7,8]。所以研究火災后梁橋鉸縫的損傷程度對結構整體受力性能的研究至關重要。已有的研究資料表明：在高溫作用下鉸縫處混凝土的粘結強度會大幅下降，產(chǎn)生裂縫，原因是高溫使混凝土收縮導致斜向應力和劈裂應力增大[9,10]；同時鋼筋的熱膨脹系數(shù)也比混凝土大，高溫后混凝土遇水產(chǎn)生膨脹，鋼筋收縮，導致鋼筋和混凝土間的摩擦力和咬合力減小，使粘結狀況進一步惡化，在極大程度上降低了鉸縫處的承載力。

1.2 火災后鉸縫的相對位移特征值的確定

式中，為鉸縫實際相對位移；為計算跨徑；10000為系數(shù)。

2 火災后鉸縫的剩余承載力有限元分析

2.1 鋼筋混凝土空心板簡支梁橋的溫度場分析

2.1.1 升溫階段結構處于高溫狀態(tài)時，空間結構中各點的升溫情況導致溫度差異，與火源點距離越遠而溫度越低。處于結構上部位置的梁、板等構件在不斷上升的熱氣流作用下溫度較高，構件表面溫度的均勻性與溫度的高低的影響因素較為復雜，與構件受火位置、受火時間和氣流方向都有關系。本文釆用國際標準化組織所提出的標準火災升降溫曲線，曲線說明了結構在受火過程中升溫、降溫以及火災作用后續(xù)階段溫度的變化情況：=0+345lg(8+1)≤t(2)

2.1.3 高溫作用后=0t≤(4)

式中：--溫度，單位為℃；--高溫持續(xù)時間，單位為min；t--升降溫的臨界時間，單位為min。

鉸縫構件在高溫作用下通過熱空氣將熱能傳遞到構件內(nèi)部，構件內(nèi)部發(fā)生熱傳遞。目前的研究結果認為可以將這個過程分為2個階段：第一個階段，熱能由空氣以熱量對流交換和物體之間的輻射換熱方式傳給結構或構件的外表面；第二個階段，熱能在構件內(nèi)部以固體導熱的方式傳遞到構件內(nèi)部。因此可以應用傳熱學的原理進行溫度場求解，以便得到鋼筋混凝土構件內(nèi)部各點在不同溫度作用下的溫度分布。

式中：--溫度；--介質(zhì)密度；--介質(zhì)比熱容J/(℃·kg)；,--坐標；--時間。

2.2 有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件進行梁橋結構的高溫模擬，提取溫度場；在此基礎上進行熱-應力耦合分析，同時對于不同溫度場對鉸縫處內(nèi)力與位移的情況進行討論，獲得不同相對位移特征值對應下的鉸縫的剩余抗剪承載力，確定不同位移特征值對應的鉸縫火災后的承載力損失情況，為災后梁橋的快速評估和加固提供進一步的理論依據(jù)。

2.3 模型的建立

本文以《公路橋梁通用圖》中跨徑20 m的后張法預應力空心板為例進行模型的建立，對簡支空心板梁的鉸縫進行溫度場和過火后的力學性能分析。溫度場分析中，混凝土采用熱傳導單元DC3D8；高溫下應力分析時再把混凝土單元類型改為C3D8R實體單元，全橋的單元劃分如圖1。模型中以跨中單面受火為例采用ISO 843標準升溫曲線，暫不考慮鋼筋對結構內(nèi)部溫度場的影響，在4#板與5#板、6#板與7#板、8#與9#板、10#板與11#板縱向跨中的鉸縫處布置4個測點，分析對應不同相對位移的鉸縫處抗剪承載力損失的實變效應過程，確定鉸縫的耐火極限。

圖 1 全橋模型網(wǎng)格劃分

圖 2 橋梁縱向

3 高溫后鉸縫的相對位移變化情況

在有限元模型建立過程中，設置2個后續(xù)分析步，均采用靜力分析方法（Static,General）。Step-1：總步長假定為1，增量0.3；Step-2：總步長假定為1.4，增量0.08。初始條件下所有節(jié)點溫度10°C，4個測點高溫作用后溫度隨時間變化的曲線如圖3，對比4個測點的溫度變化可以看出，4條曲線總的發(fā)展趨勢是隨著鉸縫處的溫度逐漸升高，鉸縫的相對位移明顯增大。

圖 3 鉸縫相對位移與溫度發(fā)展關系圖

3.1 高溫作用后鉸縫處的剩余承載力分析

利用有限元模型，對鉸縫在高溫下受力變化過程考察，得到鉸縫處應力變化隨鉸縫相對位移的發(fā)展規(guī)律。鉸縫受力過程為：溫度開始上升階段，錨固在混凝土中的鋼筋與鉸縫處的混凝土變形協(xié)調(diào)，共同承擔荷載；溫度不斷上升過程中，鉸縫處的混凝土發(fā)生剪切破壞而逐漸進入塑性階段，但此時鋼筋仍處于彈性階段，鋼筋承擔了絕大多數(shù)的荷載；當溫度繼續(xù)增加時鋼筋屈服，此時結構承載能力急劇下降，鉸縫破壞。在升溫過程中，鉸縫相對位移與鉸縫抗剪承載力損失的變化關系如下：

表 1 1號鉸縫相對位移與抗剪承載力損失關系表

表 2 2號鉸縫相對位移與抗剪承載力損失關系表

表 3 3號鉸縫相對位移與抗剪承載力損失關系表

表 4 4號鉸縫相對位移與抗剪承載力損失關系表

圖 4 鉸縫抗剪承載力損失隨溫度變化情況

4 結論

（1）由于鉸縫處混凝土受高溫作用吸水膨脹、強度降低，鋼筋收縮，摩擦力和咬合力大幅降低，粘結狀況劣化，材料的塑性變形能力增加，因此高溫作用后鉸縫的相對位移有所增加；

（2）鉸縫處的抗剪承載力隨溫度升高而損失顯著。低溫段（10~30）℃時損失（0~10%），中溫段（30~500）℃時損失20%~50%，髙溫段（500~1300）℃時損失50%~80%，混凝土強度發(fā)生急劇下降，發(fā)生質(zhì)變，導致粘結強度發(fā)生驟降；

（3）高溫后，影響鉸縫處受力性能的因素很多，本文只選取了通用圖中企口式鉸縫模型，混凝土強度只考慮了C30，在受火位置與溫度的變化范圍上也選擇了有限的參數(shù)。對于其他因素的影響有待于進一步研究。

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The Mechanical Properties and Simulation for Hinged Joint Structure on High Temperature Based on Relative Displacement

CAO Hui1, ZHANG Ke-feng2, SHEN Qiang-ru1*

1.226019,2.226018,

To analyze the material characteristics and temperature field after high temperature, ABAQUS finite element software was used to simulate the high temperature of bridge structure and to extract the temperature field. On this basis, the thermal stress coupling analysis was carried out, and the internal force and displacement of the hinged joints were discussed in different temperature fields. The residual shear bearing capacity of the hinged joints corresponding to different relative displacement eigenvalues was obtained to determine the relative displacement characteristics and shear bearing capacity loss of the hinged joints under high temperature and provide further theoretical basis for the rapid evaluation and reinforcement of the bridge after disaster.

Hinged joint; mechanical properties; simulation

U446

A

1000-2324(2019)02-0232-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.012

2018-02-05

2018-05-02

2017年江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設廳科技計劃項目(2017JH06001);2018國家自然科學基金青年科學基金項目(51808298);2016年江蘇省建設系統(tǒng)科技項目(2016ZD106)

曹慧(1986-),女,碩士,講師.研究方向:橋梁損傷評估，橋梁結構基本理論. E-mail:caohui03@ntu.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:Shengqr88@ntu.edu.cn