新老混凝土结合面断裂——接触耦合分析

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

新老混凝土结合面断裂
陈芳芳，武永新
(天津大学，天津300072)
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ABAQUS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】TU375 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001—6864(2014)01—0108—04
THE COUPL G ANALYSIS 0F FRACTURE AND CONTACT FoR
NEW ．TO．OLD CoNCRETE INTERFACE
CHEN Fang—fang． WU Yong-xin
(Tianjin University，Tianjin 300072，China)
Abstract：W ith the increase of seI'vice period and various damage of concrete structure ，Concrete
reinforcement engineering becomes an important branch in the construction field．with a large number of
cracks and original defects ．the new—to—old concrete interface iS vulnerable to destruction． Fracture
problems and contact analysis must be study for non—continuous structural surface．In this paper，surface—
based cohesive behavior and contact analysis by ABAQUS was introduced to simulate the fracture
and force transfer mechanism on the interface of heightening and thickening arch dam project．
Key words：heighten and thicken；new—to-old concrete interface；CZM ；contact analysis
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
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[收稿日期] 2013—10—23
[作者简介] 谷伟铭(1988一)，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 109
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(CZM)
内聚力模型(简称CZM，Cohesive zone mode1)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ABAQUS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ABAQUS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
。 8o 8
图2 指数内聚力模型张力一位移关系
：譬)={誊誊誊)宦)=硒㈩
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，ABAQUS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 max 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ABAQUS／Standard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。ABAQUS中常用的摩擦
模型为库伦摩擦，其计算公式为：
r = xp (5)
式中，"／'~rit是临界切应力；是接触面间的摩擦系
数；P是法向接触压强。
ABAQus／standard通常使用Newton—Raphson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。