Page 99 - 2022年第53卷第2期

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力和协调变形，是二者共同工作的基础 。所谓黏结力指的是二者接触面上的剪应力，主要由化学胶
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结力、摩擦力和机械咬合力三部分组成 ，受混凝土强度和保护层厚度、钢筋直径外形特征、埋置长
度和配筋率等因素的影响 ［10］ 。基于钢筋与混凝土黏结滑移对结构裂缝开展以及力学响应的重要性，
不少学者对此展开了研究，在钢筋与混凝土黏结滑移本构、最大黏结应力、黏结破坏形式和有限元
模拟方法等方面已有了较多成果 ［11-14］ 。张智梅等 ［15］ 利用 ABAQUS 对表层嵌贴 FRP 板条加固的钢筋混
凝土梁进行有限元模拟发现，黏结滑移对梁的抗弯性能影响较大，不考虑黏结滑移会高估 FRP 加固
梁的抗弯性能。牛荻涛 ［16］ 以服役 36 年的钢筋混凝土挡风支架梁为研究对象，分析了锈胀对钢筋黏结
强度的影响发现当裂缝宽度大于 0.1 mm 时，黏结强度显著降低影响了钢筋的锚固和搭接性能，不利
于结构的稳定性。这些研究均表明，黏结滑移对钢筋混凝土构件的结构受力和变形会产生较大的影
响，而目前对于钢衬钢筋混凝土压力管道这种非杆系大体积钢筋混凝土组合结构，考虑黏结滑移和
黏结强度影响的研究很少，因此有必要进一步探究黏结滑移对管道结构开裂和承载的影响。
本文结合三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道大比尺模型试验结果和工程实际，建立管道斜直
段局部三维有限元模型，采用混凝土塑性损伤模型模拟管道外包和坝体混凝土，在钢衬与混凝土之
间引入接触单元模拟两者的接触滑移，在钢筋与混凝土接触面插入内聚单元模拟钢筋与混凝土的黏
结滑移特性，钢筋分别采用埋入式、分离式和共节点方式建模，以研究考虑黏结滑移以及黏结强度
对钢衬钢筋混凝土管道这种特殊的组合结构开裂和承载特性的影响。

2 理论模型和计算原理

2.1 混凝土塑性损伤模型 ABAQUS 中提供了三种混凝土模型：脆性裂缝模型、混凝土弥散裂缝模
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型和混凝土塑性损伤模型（CDP 模型） 。CDP 模型通过损伤因子实现加载中材料刚度的折减，考虑
了在循环荷载作用下混凝土裂缝开展、裂缝闭合及刚度恢复行为，可以通过定义混凝土开裂前后的
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拉伸和压缩特性曲线 ，对钢筋混凝土结构开裂过程进行模拟。
2.2 黏结滑移内聚力模型 黏结滑移数值模拟主要有两种方法，一种是在钢筋混凝土界面采用接触
［9］
分析，另一种是在钢筋与混凝土之间插入黏结单元 。后者相较于前者传力明确，易于收敛，且单元
的本构关系可通过实验测得 ［20］ 。基于弹塑性断裂理论的内聚力模型 ［21-22］ ，操作方便，效果良好，是模
拟钢筋混凝土黏结滑移的主要方式之一。其机理为在荷载作用下，钢衬和混凝土首先经历线弹性阶
段，当内聚单元应力达到最大黏结应力后，单元从线弹性阶段过渡至损伤演化阶段；当单元的滑移
达到最大滑移量时，单元完全失效破坏，上下两层节点分离，表征为钢筋与混凝土产生黏结错动，
其作用原理如图 1 所示，作用规律如式（1）。钢筋混凝土界面黏结滑移主要发生界面内的剪切行为，
因此其黏结损伤可采用式（2）来计算。

最大黏结应力

G sc
K 0

黏结滑移产生
（a） 内聚力模型 （b） 三维内聚单元
图 1 内聚力模型和 ABAQUS 中的三维内聚单元

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