(华南理工大学 广东 广州 510641)

一、工程背景

随着城市化进程加快，众多旧式构筑物面临加固改造，而混凝土结构加固改造工程最常见的做法是新旧混凝土交接处理，保证新旧混凝土界面处粘结性能是改造工程取得预期结果的关键。目前，数值模拟技术日益成熟，通过数值计算方法研究新旧混凝土接触界面力学性能有助于加固工程的顺利开展。

二、有限元分析

(一)接触模型简述

在ABAQUS中，新旧混凝土接触可通过内聚力接触属性(Surface-based cohesive behavior)来模拟，用于接触界面厚度可忽略不计的情况，通过张力-位移关系来定义。参数定义包括三个部分：线弹性张力-位移关系、损伤启动准则以及损伤演化准则。

(二)模型概况

对文献[1]中的试件W-M1(整体试件)和C-M1(凿毛试件)进行模拟，C-M1模型如图1所示，W-M1模型是整体浇筑，不存在新旧混凝土接触界面。

图1 C-M1试件模型

(三)模型参数

混凝土材料采用CDP模型，预制混凝土设计强度为C40，实测立方体抗压强度平均值为48.92MPa。后浇混凝土设计强度为C50，实测立方体抗压强度平均值为62.36MPa。按照规范[2]计算，该试验混凝土实际强度超过设计强度2个等级以上，考虑混凝土脆性随强度提高而增大，按照已有试验建议，本文按照10MPa/mm～40MPa/mm进行取值。钢筋等级为HRB335，采用桁架单元T3D2，通过EMBED命令嵌入。模型是通过顶部垫块沿y轴负方向实施15mm位移加载。

损伤启动准则采用最大应力准则，损伤演化采用基于能量、线性刚度降低的模式。考虑该试验主要受竖向剪切破坏，根据剪切破坏相对位移来计算剪切断裂能，近似作为总断裂能。同时，考虑接触界面发生脆性破坏，剪切破坏相对位移与峰值剪应力对应相对位移的比值δf/δ0取为1.5。接触界面参数如表1所示。

表1 C-M1模型接触界面参数取值

(四)结果分析

如图2所示，W-M1整体试件在转角处发生应力集中，虽然上下两部分混凝土是同时浇筑，但竖向加载时试件的“界面交接处”仍是薄弱处，容易产生裂纹而破坏。如图3所示，C-M1凿毛模型的破坏过程与试验结果相近，最终两个混凝土试件会发生脱开破坏。

W-M1模型的剪切荷载-位移曲线呈现先增大后降低的变化过程，峰值剪切荷载均低于试验结果，模型峰值荷载接近110kN，试验峰值荷载接近160kN，但是模型曲线起始上升段与试验曲线拟合度高，表明拟合程度较好。模型峰值荷载偏低的原因是CDP模型部分参数采用设计强度，而该试验混凝土实际强度超过设计强度2个等级以上。

C-M1模型峰值剪切荷载与试验结果较为接近，约为65kN，说明由于粘结界面的薄弱性使得承载能力低于整体浇筑结构。C-M1模型试验结果与模型4上升段拟合程度高，说明实际试件界面接触处的粘结滑移刚度偏大，粘结滑移刚度可取值为40MPa/mm，构件发生脆性破坏。比较模型1～模型4，粘结滑移刚度越大，峰值剪应力略微降低，这是因为模型界面在加载中发生轻微法向位移，剪切荷载受到法向位移的限制而达不到同样的峰值，但峰值在设定参数3.32MPa附近，说明该接触模型满足预设要求。此外，模型剪应力达到峰值后刚度发生衰减，刚度越大，其衰减越脱离线性，这是因为刚度越大，δf/δ0取为1.5，计算得到的剪切断裂能不足以有效模拟剪切行为，同时接触界面轻微的法向位移消耗一部分能量，模型不再仅是沿剪切向破坏，导致模型界面处沿剪切方向的相对滑移受到模型沿接触界面法向运动的影响，但把超过峰值应力后的几个邻近数据点连成一条趋势线，该趋势线与X轴相交的数值接近由δf/δ0取为1.5计算得到的δf，说明模型参数输入正确。

三、结论

(1)计算模型结果符合试验现象，构件承载能力受限于接触界面的力学性能；(2)内聚力接触属性能够有效模拟新旧混凝土接触界面粘结力学性能，模型参数取值需考虑实际试验条件的影响。