装配式水工混凝土构件力学性能试验与结构优化设计

刘立辉 620123199608252115

摘要：随着水利工程绿色工业化转型，装配式水工混凝土结构应用日广，但其拼接区力学薄弱与复杂水环境下性能退化成关键瓶颈。本文聚焦该构件，系统开展不同连接构造的力学试验与结构优化研究。通过足尺构件弯剪复合加载试验，揭示了拼接缝应力传递机制、裂缝扩展及刚度退化特征，明确了传统湿接缝与干式拼装接缝的力学短板。针对接缝抗剪刚度弱及延性不足，提出变密度拓扑优化的仿生齿槽与超高性能混凝土（UHPC）灌注复合增强策略，并构建非线性有限元模型进行多参数验证。结果表明，优化后构件接缝协同受力性能显著提升，极限承载力与变形延性大幅增长，甚至超越现浇水平，为工程实践与规范修订提供了理论支撑与设计参考。

关键词：装配式水工结构；力学性能试验；拼接缝；拓扑优化；超高性能混凝土

引言

在生态文明建设和双碳目标的宏观导向下，水利工程建设正经历由传统粗放式现场浇筑向绿色精细化装配建造的深刻变革。装配式水工混凝土结构凭借其施工周期短、环境污染小、质量易控及劳动力依赖度低等显著优势，在泵站、船闸、涵闸及护岸等工程中展现出广阔的应用前景。然而，水利工程通常长期遭受水压、渗流、冻融及波浪等复杂环境荷载的耦合作用，结构受力状态极为严苛。装配式构件因存在拼接缝，打破了整体现浇结构的连续性，导致接缝区域成为应力集中、刚度突变与抗渗防裂的薄弱环节。现有的常规连接设计往往直接套用建筑工业化的标准，未能充分考量水工大体积、高渗压及交变荷载的特殊性，致使构件在复杂受力下的力学性能退化机制不清，接缝处易发生脆性剥离与渗漏破坏，严重威胁整体结构的安全储备。

• 装配式水工混凝土构件力学性能试验方案设计与破坏机理揭示

为准确获取装配式水工构件在复杂受力状态下的真实响应，本研究针对典型挡水与承重构件，设计了涵盖不同拼缝构造形式（如现浇对比试件、传统灌浆湿接缝试件、橡胶止水干式拼缝试件）的足尺构件静力与拟静力加载试验。试验全程模拟水工结构常见的弯剪复合受力工况，重点布设了钢筋应变片、位移传感器与裂缝观测仪，实时监控内部应力与外部变形。试验结果表明，现浇对比构件呈现典型的延性弯曲破坏，钢筋屈服后裂缝缓慢向受压区延伸；而装配式构件的破坏形态则高度依赖于接缝连接性能，均表现出接缝处裂缝率先贯通、局部粘结退化的显著特征。在加载初期，预制部分与后浇带协同受力良好；当荷载达到极限承载力的六成左右时，拼接面产生显著的应力重分布，接缝处剪切变形急剧增大，最终导致承载力骤降的脆性破坏。这一现象深刻揭示了拼缝区域抗剪刚度衰减与内力传递路径偏转的演化规律，证明接缝的抗剪与抗拔性能是决定装配式水工构件整体延性与承载能力的关键控制因素。

二、拼接区域应力传递机制与刚度退化规律深度剖析

拼接缝不仅是物理上的不连续面，更是力学特性突变的梯度域。基于试验获取的荷载-位移滞回曲线与钢筋应变分布形态，可清晰勾勒出拼接区域的应力传递机制。在受力过程中，跨接缝的预留钢筋承担了主要的拉应力传递，而接缝界面的摩擦力与键槽咬合力则主导了剪力的传递。当界面相对滑移超过临界阈值后，机械咬合力迅速丧失，传递机构由键槽抗剪退化为纯摩擦抗滑移，导致局部刚度发生断崖式退化。此外，水工特有的大体积约束效应使得接缝处产生强烈的横向拉应力，加速了微裂缝的萌生与汇聚，形成了渗水通道。这种刚度退化不仅削弱了截面的抗变形能力，更引发了内力向相邻预制构件的转移，形成动力放大效应，降低了结构的整体自振频率。深入剖析这一机制表明，单纯增加穿越接缝的配筋量无法根本解决界面脆性剥离问题，必须从提升界面粗糙度、优化键槽几何构型及增强灌浆体微观致密性三个维度协同发力，方能有效抑制刚度退化，保障内力在拼接区域的平稳传递。

三、基于拓扑优化的连接构造改进与新型材料协同增强策略

针对试验暴露的接缝薄弱痛点，传统的经验式截面增大法不仅耗费材料且增加自重，本研究引入结构拓扑优化理论与新型材料协同增强策略进行深度改良。在连接构造层面，采用变密度法对接缝区域的键槽形状进行拓扑寻优，以最小化结构柔度为目标，摒弃传统矩形或梯形键槽，生成了应力流线高度顺应的仿生波浪形齿槽构型。该构型极大削弱了键槽根部的应力集中现象，使剪力传递更为平滑流畅。在材料增强层面，针对水工接缝的微膨胀与抗渗要求，提出采用超高性能混凝土（UHPC）替代普通灌浆料进行接缝灌注。UHPC凭借其致密的微观结构与钢纤维的桥接作用，不仅早期强度发展极快，且与老混凝土界面粘结强度成倍提升，能显著抑制裂缝的萌生与扩展。拓扑优化的仿生齿槽与高韧性的UHPC材料形成了力学与材料双重协同的增强体系，从物理机制上阻断了裂缝沿界面的快速扩展路径，为装配式构件实现等强甚至超强连接提供了创新的解决方案。

四、优化构件数值模拟验证与多参数影响规律全景推演

为全面评估优化设计方案的普适性与可靠性，依托非线性有限元分析平台建立了考虑材料塑性损伤与接触界面滑移的三维实体精细化模型。模型中精准嵌入了优化后的齿槽几何参数与UHPC的本构关系，对优化构件在多种水工荷载组合下的受力全过程进行推演。数值结果与前期试验对照表明，优化后的接缝应力集中系数大幅降低，裂缝出现时间显著延迟，且破坏模式由原来的界面脆性剥离转化为跨越接缝的延性弯曲破坏，滞回环更加饱满，耗能能力倍增。进一步的多参数敏感性分析揭示，齿槽深度、UHPC纤维掺量及预应力大小对构件极限承载力与延性系数具有显著的正向增益效应，且存在最优匹配阈值。当齿槽深度达到截面高度的特定比例，且UHPC钢纤维体积掺量控制在合理区间时，界面滑移量被有效控制在弹性阶段，构件的整体工作性能甚至超越现浇体系。数值模拟的全景推演不仅验证了优化策略的科学性，更为装配式水工构件的系列化与标准化设计提供了定量的参数指导。

五、结论

本研究通过系统的力学性能试验，深刻揭示了装配式水工构件拼接区域的刚度退化规律与脆性破坏机理，明确了接缝构造是制约其力学性能的核心短板。基于此提出的拓扑优化仿生齿槽与UHPC灌注协同增强的优化设计策略，经有限元数值模拟多参数验证，能够显著改善接缝应力分布，有效抑制界面滑移与裂缝扩展，将构件的破坏模式转化为延性破坏，实现了承载能力与耐久性能的全面跃升。该研究成果为装配式水工结构的设计与施工提供了坚实的理论依据和技术支撑，有力推动了水利工程的工业化进程。展望未来，随着智能传感与数字孪生技术的深度融入，装配式水工构件的受力状态监测将实现实时化与智能化，未来研究可进一步聚焦于多场耦合下的长期耐久性演化机理，以及基于性能的抗震抗渗双控设计理论，为构建更为安全、耐久、绿色的现代水工建筑物不懈探索。

参考文献

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