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摘 要
预制混凝土节段施工桥梁的结构行为在很大程度上取决于节段之间的接缝的行为。目前的预制混凝土节段桥梁的施工中通常使用未加固的、较干燥的并分布在腹板和混凝土段的凸缘高度上的小连接键。在本研究中，基于有限元代码建立了数值分析模型，研究键合干接缝在直接剪切作用下的结构行为。综合混凝土塑性破坏模型以及伪阻尼方案，来分析微裂纹体系并寻求相对稳定的解决方案。该数值模型是由文献中描述的全面的实验结果进行校准的。发现预测的极限载荷，裂缝演化历史和最终裂纹模式与实验结果吻合良好。然后在侧限压力下，将经验证的数值模型用于影响键合干接缝剪切行为的因素的参数研究。作者发现，AASHTO方程所预测的剪切能力与在高侧限压力下的数值分析所预测的结果有所偏差，因为在总剪切能力中，摩擦力的贡献随侧限压力的增加而减小。因此，作者建议在高侧限压力情况下，降低AASHTO方程中使用的摩擦系数。此外，由于裂缝传播方向受最大能量释放速率的标准控制，斜裂缝的传播在高侧限压力下被抑制。
作者关键字：混凝土桥梁；破坏模式；有限元；接缝；预制混凝土；剪切；剪切失效；剪切强度
目录
第1章 介绍
体外预应力预制混凝土节段箱梁由于对经济安全设计的需求而在桥梁建设中越来越受欢迎；它是凭借快速，灵活，方便的施工，成为了一种具有优异的使用性能的混凝土桥梁 (Poston and Wouter 1998)。预制混凝土分段桥的整体性能主要取决于节段间的接缝，即桥梁两跨间的不连续位置(Issa and Abdalla 2007)。桥段间的压缩变形和剪力通过这些接缝传递。(Zhou等人2005)。先由这些键合接缝连接，然后再将体外预应力施加在单个预制段，这些预制段最终构成了桥梁的上部结构。目前的做法是使用通常在键合区域未经加固的，且分布在钢筋网和凸缘的高度上的多个堰形小键，来为接缝提供更好的互锁性能。同时可以在各节段之间，在干燥的条件下使用环氧树脂来粘结接缝。实验结果表明，影响键控节点剪切行为的最重要参数是预应力值、环氧树脂的厚度、键的形状、表面的制备、混凝土强度、接缝的接触面积以及混凝土到混凝土表面之间的摩擦系数(Buyukozturk等人1990)。在耐久性和极限剪切能力方面，环氧化物制成的接缝被认为具有更好的性能(Koseki and Breen 1983)。但是，我们现在已经发现环氧化物接缝会以脆性破坏的方式破坏，这在结构设计中是不希望出现的。此外，由于环氧树脂只能存放在建筑工地，所以天气条件可能也成为使环氧树脂质量难以控制的主要因素。此外环氧树脂的硬化也需要时间，这样也会增加施工周期。Turmo等人(2006b) 指出，如果可能，应该避免使用环氧化物接缝，因为这样可以节省时间。因此，在现今的预制混凝土分段桥梁施工中干燥接缝的使用更为频繁。
虽然具有干接缝的混凝土节段桥可能容易受到耐久性问题的影响，但由于施工方法简单，这种设计似乎越来越流行。然而，干接缝的行为尚未得到很好的研究、理解。各种研究的实验结果均表明，剪切键的失效模式是当剪切键受到剪切的时候，混凝土会沿接缝断裂。(Buyukozturk et al. 1990; Zhou et al. 2005; Turmo et al. 2006b)。随着侧限压力的增大，剪切强度和键合干接缝的刚度也随之增加，也就是接缝上的预应力将两者连接在一起。大多数研究人员认为，键合干接缝的剪切强度拥有两种不同的工作机制。(Turmo et al. 2006a). 第一种机制取决于平面表面之间的摩擦力，取决于它们试图产生的相对滑动，该阻力与动压缩载荷成正比，即侧限压力。第二种机制代表了堰形剪切键的支撑效果，接触时，它们的效果就像小的普通混凝土支撑。如果压缩应力存在，接缝就像小的预应力混凝土支撑，当压缩应力增加时，键合接缝的极限剪切切能力增大。尽管各干接缝间的剪力流的机理是已知的，但人民对它们的没有定量的共识。
Kaneko et al. (1993a) 开发了一种简单的机械模型，用于分析和设计普通或纤维钢筋混凝土剪切键接缝。他们的分析使用了楔形力下的单个离散裂纹模型和在远程剪切力下的模糊裂纹模型。他们提出的公式确定了键合接缝剪切失效的两种主要断裂机理:单曲线开裂和多对角线裂缝的发展。Kaneko等人 (1993a) 还提出了一种简单的设计方案，作为剪切键剪切强度设计辅助的第一步，作者随后验证了其断裂力学模型。(Kaneko 等人1993b)另一方面，Kaneko and Mihashi (1999) 提出了一种分析损伤的模型，能够在剪切键基础上预测键合干接缝的非线性应变定位。该模型能够描述在混凝土剪切键接缝的剪切破坏阶段期间观察到的大的单曲线裂纹（S形裂纹）和对角多重裂纹（M形裂纹）之间的转变现象。
虽然由Kaneko et al(1993a)和Kaneko和Mihashi(1999)提出的分析模型是科学合理的，但他们并不容易直接被结构工程师直接采用，因为他们设计的是键合干接缝。它们也不容易合并成一个完整的有限元模型来分析预制混凝土分段桥的结构行为。最近，李等人（2013）进行了一项实验研究，主要研究了剪切，弯曲和弯剪组合下预制混凝土节段梁中键合接缝的行为。他们推导出了在剪切和弯曲的情况下，计算出键合接缝的极限强度的公式，但是，应该注意到的是，他们的公式是针对结合剪切和弯曲的键合接缝所提出的公式，但这并不是一定适用于直接剪切的键合接缝，即使在公式中假设弯矩等于零也不行。另一方面，从实际运用的角度来看，有几个公式已经被提出，用于不加筋的键合干接缝的极限剪切强度，其中一些是基于实验结果，一些是基于理论或数值分析。这些公式在概念上非常相似，符合前面提到的剪应力传递机制。Foureacute; 等人 (1993) 测试了在外部预应力下三个预制节段的测试组件，并提出了一个公式，但为了便于实际使用，需要与其他测试结果进行比较，然后加以简化。Ramirez等人 (1993) 从理论上推导出了一种用于评估键合干接缝剪切强度的公式，该方法后来被AASHTO公司以一个安全系数所采用， 。 AASHTO公式(AASHTO 1999)用于描述键合接缝剪切强度的公式如下:
其中：为混凝土的特性抗压强度（MPa）；
为在键的基础区域的混凝土平均压缩应力（MPa）；
为破坏平面上所有键的基础的面积；
为破坏平面上平面的接触面积；
为混凝土与混凝土之间表面摩擦系数，AASHTO给出的建议值为0.6。
很明显，这个公式分离了接缝能够通过键来传递的剪切承载力，在键之间的、。在非线性有限元分析结果的基础上，Rombach (1997)提出了另一种计算桥梁节段间键合干接缝剪切承载力的公式。
其中的参数与公式（1）中一样。可以看出，Rombach的公式类似于AASHTO 的，但它并没有考虑到键合接缝的内部摩擦。现在我们发现公式(1)和公式(2)中的采用值与实验值相比，键和干接缝的极限剪切切能力的值相差很大，一些结果甚至可能会相差100%(Zhou et al. 2005; Turmo et al. 2006b)。尽管有许多关于剪切键的实验研究指出(notably Koseki and Breen 1983; Buyukozturk et al. 1990; Zhou et al. 2005; Turmo et al. 2006b; Li et al. 2013) 键合接缝的剪切行为的数值分析是有限的。Rombach (1997) 采用ANSYS有限元法对键合干接缝进行数值研究，并通过一个剪切设计公式[公式(2)]对其进行了总结。Turmo 等人 (2006a) 对具后张法施工和有干接缝的简单支撑的节段混凝土桥梁的结构行为进行了有限元研究，其中分析了堰形键合接缝。(使用了一个平面连接模型，以避免在有全限元模型中，键的建模需要的非常细密的网格，以此节省计算成本)。根据几何形状，接缝用具有不同本构关系的界面元素建模。同时，还应注意到Turmo(2006a)等人提出的平面连接模型是一个用于键合接缝的宏观模型，主要目的是为了降低分析混凝土节段桥的计算成本，而这些混凝土桥就是由节段间的键合接缝组成的。在这个模型中，无法预测键的应力、应变和裂纹演化，因为这些键是没有几何建模的。该模型纯粹是为了对预制分段混凝土桥进行结构分析，而不是对其本身进行结构分析。因此，它不能被视为键合干接缝的数值模型。为此，需要一个属于本研究范围的有限元微观模型。金等人(2007)提出了一项关于预制、后张的混凝土段的平面节点的数值研究，作者使用的建模技术与Turmo等人所采用的方法非常相似。Turmo等人(2012)提出了一种用于研究混凝土段间的键合干接缝剪切传递的联合模型。在其模型中，使用界面元素来再现接缝的非线性行为，并且使用从各种测试推导的参数来定义接缝的那些界面元素的本构定律。Alcalde等人 (2013)建立了一个有限元模型的四个不同类型的接缝,键的数量从1变化到7，分析在剪切作用下的键合干接缝的断裂行为,着重于接缝处键的数量数量的影响和其平均剪切应力。结果表明，各接缝的平均剪切应力随键的数量的变化而减小，这与Zhou等(2005)的实验结果一致。
关于混凝土段之间键合接缝的结构行为发表的数值研究非常有限。因此，作者基于ABAQUS 6.11-1有限元软件进行了数值研究，以模拟在直接剪切下失效的凹凸缘匹配的单键干接缝的行为。通过数值分析，并通过其他地方所提供的全尺寸实验结果进行校准，获得了键合干接缝中剪切变形和应力和裂纹演化的极限承载力（Buyukozturk 等人。1990; Zhou 等人。2005）。然后用数值模型进行了对键合干接缝结构行为的参数研究。本文提出了一些有趣的发现，包括对AASHTO公式[公式(2)]中对键合干接缝的剪切切能力的修改建议。
第2章 数值研究
2.1 混凝土损伤塑性模型
ABAQUS代码提供了在混凝土中模拟损伤的工具，其中一个是钢筋混凝土模型，混凝土损伤塑性(CDP)模型和脆性裂纹模型。在目前的模拟混凝土的研究中，选择了CDP模型。它允许混凝土的非弹性行为的定义在压缩和拉力中加强，包括拉力和压
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