配置高強(qiáng)抗剪鋼筋的混凝土整澆界面直剪性能試驗(yàn)研究

劉杰 邱磊 張楊 陳娟娟 周萬清

摘 要：為研究抗剪鋼筋的屈服強(qiáng)度fy和混凝土保護(hù)層厚度h對(duì)混凝土整澆界面直剪性能的影響，開展了12個(gè)Z形試件推出式試驗(yàn)。基于試驗(yàn)現(xiàn)象和界面實(shí)測(cè)的荷載滑移曲線，提出界面剪力傳遞機(jī)理。根據(jù)試件的承載力測(cè)試值，對(duì)規(guī)范ACI、PCI以及AASHTO的界面直剪承載力計(jì)算公式進(jìn)行評(píng)估分析。結(jié)果表明：當(dāng)fy由400 MPa提高至600 MPa或h由20 mm增加至40 mm時(shí)，界面的直剪強(qiáng)度和剛度均無顯著變化，但h的變化會(huì)引起界面破壞模式的改變;混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力對(duì)界面直剪承載力的貢獻(xiàn)較大;3個(gè)規(guī)范的計(jì)算公式都能較好地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，但ACI和PCI計(jì)算公式過于保守，AASHTO計(jì)算公式的計(jì)算精度較高。

關(guān)鍵詞：混凝土界面;直剪性能;高強(qiáng)鋼筋;混凝土保護(hù)層;推出式試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU317?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2096-6717（2020）04-0077-07

收稿日期：2020-03-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51641807）;湖北省自然科學(xué)基金（2018CFB664）;防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)）開放基金（2018KJZ06）;宜昌市大學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（A18-302-a14）

作者簡(jiǎn)介：劉杰（1984- ），男，博士，副教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)研究，E-mail：werewolves@163.com。

周萬清（通信作者），男，博士，副教授，E-mail：zhouwq1978@163.com。

Received：2020-03-10

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No.51641807）; Natural Science Foundation of Hubei Province （No. 2018CFB664）; Open Research Fund Project of Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation （China Three Gorges University） （No. 2018KJZ06）; University Applied Basic Research Project of Yichang City（No. A18-302-a14）

Author brief：LIU Jie （1984- ）， PhD， associate professor， main research interest： concrete structure， E-mail： werewolves@163.com.

ZHOU Wanqing （corresponding author）， PhD， associate professor， main research interest： concrete structure， E-mail： zhouwq1978@163.com.

Experimental study on direct shear behavior of monolithically cast concrete interfaces with high-strength shear reinforcements

LIU Jiea，b， QIU Leia， ZHANG Yanga， CHEN Juanjuana， ZHOU Wanqinga

（a. College of Civil Engineering & Architecture; b. Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， P. R. China）

Abstract： In order to study the influence of the yield strength fy of the shear reinforcement and the concrete cover thickness h on the direct shear performance of the monolithically cast concrete interface， a push-out test of 12 Z-shaped specimens was carried out. Based on the experimental phenomenon and the measured load-slip curve of the interface， the interface shear force transfer mechanism was revealed. According to the test value of the bearing capacity of the specimens， the calculation formulas of the interface direct shear bearing capacity of the standard ACI， PCI and AASHTO were evaluated and analyzed. The results show that when fy increases from 400 MPa to 600 MPa or h increases from 20 mm to 40 mm， the direct shear strength and stiffness of the interface do not change significantly， while the change of h will cause the different interface failure modes; The cohesive force of concrete has a great contribution to the direct shear bearing capacity of the interface; The three standard calculation formulas can be applied to engineering design， while the ACI and PCI calculation formulas are too conservative， and the AASHTO calculation formula is of great accuracy.

Keywords：concrete interface; direct shear behavior; high-strength reinforcement; concrete cover; push-off test

鋼筋混凝土構(gòu)件在材料或幾何不連續(xù)處容易發(fā)生界面直剪破壞，實(shí)際工程中，牛腿根部、剪力墻的施工縫以及空心板橋的后澆鉸縫等部位的界面直剪破壞屢見不鮮[1]。對(duì)于界面直剪破壞，美國的混凝土規(guī)范ACI[2]、混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)PCI[3]以及橋梁規(guī)范AASHTO[4]都專門在“shear-friction”節(jié)給出了界面的直剪承載力計(jì)算條款，根據(jù)這3個(gè)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)[5]，鋼筋混凝土直剪破壞界面可分為3類：整體澆筑未預(yù)裂界面（以下簡(jiǎn)稱“整澆界面”）、整體澆筑預(yù)裂界面（以下簡(jiǎn)稱“預(yù)裂界面”）和不同時(shí)間澆筑形成的新老混凝土界面。近年來，研究者針對(duì)這3類直剪破壞界面的研究取得了豐富的成果，研究?jī)?nèi)容涉及高強(qiáng)抗剪鋼筋（Harries等[6]、Barbosa等[7]）、高強(qiáng)或高性能混凝土（Kahn等[8]、Wu等[9]）、輕質(zhì)混凝土（Sneed等[10]）和再生混凝土（Xiao等[11]）等。

實(shí)際工程中，高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用日益廣泛，但需要指出的是，高強(qiáng)抗剪鋼筋的配置能否提高直剪破壞界面的直剪承載力目前尚不明確。盧海霞等[12]利用Z形試件，研究了屈服強(qiáng)度為500 MPa的高強(qiáng)抗剪鋼筋對(duì)整澆界面直剪性能的影響，結(jié)果表明，與配置HRB400鋼筋的試件相比，配置HRB500鋼筋的試件的直剪承載力提高了2%～8%。同時(shí)，上述3個(gè)規(guī)范在計(jì)算界面直剪承載力方面存在一些明顯的差異，主要表現(xiàn)在ACI和PCI未考慮混凝土對(duì)界面直剪承載力的貢獻(xiàn)，而AASHTO考慮了這種貢獻(xiàn)，為了更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，有必要對(duì)各規(guī)范條款進(jìn)行評(píng)估分析。此外，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476—2008）[13]針對(duì)不同的環(huán)境等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限及構(gòu)件部位，規(guī)定了鋼筋的最小混凝土保護(hù)層厚度范圍為20～45 mm。Liu等[5]和Kahn等[8]的研究表明，抗剪鋼筋混凝土保護(hù)層厚度會(huì)影響新老混凝土界面的破壞模式，但其對(duì)整澆界面直剪性能（尤其是直剪強(qiáng)度）有何影響，還有待深入探究。

基于此，筆者進(jìn)行了12個(gè)Z形試件推出式試驗(yàn)，研究了抗剪鋼筋的屈服強(qiáng)度和混凝土保護(hù)層厚度對(duì)整澆界面直剪性能的影響，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了界面的剪力傳遞機(jī)理，對(duì)ACI、PCI和AASHTO規(guī)范設(shè)計(jì)條款的適用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

Z形推出式試件的幾何尺寸、配筋情況如圖1所示。為了研究抗剪鋼筋的屈服強(qiáng)度fy和混凝土保護(hù)層厚度h對(duì)整澆界面直剪性能的影響，共設(shè)計(jì)了4組Z形試件：ZC5N2組、ZC5N4組、ZC5T2組和ZC5T4組，組名中“ZC5”表示“Z形C50整澆試件”、“N”和“T”分別表示抗剪鋼筋為“fy=400 MPa的普通鋼筋”和“fy=600 MPa的高強(qiáng)鋼筋”、“2”和“4”分別表示h為“20 mm”和“40 mm”。每組3個(gè)試件，共12個(gè)試件。

試件一次澆筑成型，混凝土采用表1中的配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50。其中，水泥采用P.O 42.5R級(jí)早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用石灰?guī)r碎石，粒徑為10～12 mm;外加劑采用聚羧酸系高效減水劑。試件加載時(shí)測(cè)得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為55.6 MPa。試件抗剪鋼筋采用直徑為8 mm的HRB400級(jí)和HRB600級(jí)鋼筋，試驗(yàn)測(cè)得兩者的屈服強(qiáng)度分別為450、645 MPa。

1.2 加載及測(cè)量方案

加載試驗(yàn)在量程為1 000 kN的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過試件兩端尺寸為200 mm×150 mm×15 mm的鋼板進(jìn)行單調(diào)加載。試驗(yàn)時(shí)先以0.3 kN/s速率加載至10 kN進(jìn)行預(yù)加載，然后卸荷至1 kN，再以0.3 kN/s速率進(jìn)行加載，直至試件破壞為止。加載過程中，通過LVDT來實(shí)時(shí)測(cè)量界面兩側(cè)的豎向相對(duì)滑移和橫向裂縫張開寬度，如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)測(cè)試過程中記錄的視頻，加載過程中觀察到的第一個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象是界面附近出現(xiàn)微小的肉眼可見裂縫，該裂縫與界面大致呈0°～10°的夾角，如圖3所示。隨后觀察到界面相對(duì)滑移逐漸開展，裂縫寬度不斷增大，最后破壞面附近混凝土局部剝落或者抗剪鋼筋的混凝土保護(hù)層整體剝落，試件喪失承載能力。

2.2 破壞形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有試件均出現(xiàn)與界面呈0°～10°的主斜裂縫（ZC5N2-2試件加載時(shí)出現(xiàn)端部壓碎的異常現(xiàn)象，不再討論），同時(shí)，抗剪鋼筋均未被完全剪斷，破壞后的全部試件如圖4所示。整體而言，試件出現(xiàn)兩種破壞模式：1）保護(hù)層厚度為20 mm的試件破壞時(shí)，主斜裂縫附近混凝土局部剝落，裸露出破壞面周圍部分抗剪鋼筋，同時(shí)，試件側(cè)面沒有出現(xiàn)豎向裂縫或裂縫寬度較小，如圖5所示;2）保護(hù)層厚度為40 mm的試件破壞時(shí)，試件側(cè)面有明顯的豎向裂縫，抗剪鋼筋混凝土保護(hù)層已經(jīng)或接近整體剝落，如圖6所示。

產(chǎn)生這兩種破壞模式的原因在于，主拉斜裂縫出現(xiàn)后，抗剪鋼筋開始承受較大的剪力，同時(shí)給鋼筋周圍的混凝土施加劈裂力，當(dāng)這種劈裂力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土被拉壞。當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度為20 mm時(shí)，界面附近的混凝土保護(hù)層被局部擠落;當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度增大到40 mm時(shí)，混凝土保護(hù)層有被整體劈裂而剝落的趨勢(shì)。

2.3 主要試驗(yàn)結(jié)果與影響參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)全過程采集的數(shù)據(jù)，表2列出了整澆界面的直剪承載力Vu及其對(duì)應(yīng)的界面相對(duì)滑移Su。需要說明的是，試件ZC5N2-2加載時(shí)出現(xiàn)端部壓碎的異常現(xiàn)象，因此，未給出其試驗(yàn)結(jié)果。為了方便分析，圖7給出了各試件Vu和Su的對(duì)比情況。

2.3.1 抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度的影響

為了研究抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度fy對(duì)整澆界面直剪性能的影響，將ZC5N2組與ZC5T2組、ZC5N4組與ZC5T4組分別進(jìn)行對(duì)比分析。由圖7（a）可知，ZC5N2組與ZC5T2組各試件Vu值相差不大。由表2可知，兩組試件Vu的均值分別為483.7、483.9 kN，表明這兩組試件的Vu均值僅變化了0.04%。此外，由圖7（b）可知，這兩組試件的Su值差距并不明顯。據(jù)表2可知，兩組試件Su均值分別為0.437、0.418 mm，僅變化了4.3%。

同理可知，ZC5N4組與ZC5T4組的Vu值與Su值也都變化不大。由此認(rèn)為，當(dāng)fy由400 MPa提升至600 MPa時(shí)，整澆界面的Vu及Su并無明顯變化。因此，界面的抗剪剛度亦無明顯變化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能在于，界面達(dá)到承載力峰值時(shí)HRB600級(jí)抗剪鋼筋并未屈服。

2.3.2 混凝土保護(hù)層厚度的影響

為了研究抗剪鋼筋混凝土保護(hù)層厚度h對(duì)整澆界面直剪性能的影響，將ZC5N2組與ZC5N4組、ZC5T2組與ZC5T4組分別進(jìn)行對(duì)比分析。由圖7（a）可知，ZC5N2組與ZC5N4組各試件的Vu值相差不大。由表2可知，兩組試件Vu的均值分別為483.7、500.5 kN，表明兩組試件的Vu均值僅變化了3.5%。此外，由圖7（b）可知，這兩組試件的Su值差距并不明顯。由表2可知，兩組試件Su均值分別為0.437、0.475 mm，數(shù)值僅增加了0.038 mm，增幅為8.7%。

同理可知，ZC5T2組與ZC5T4組的Vu值與Su值也都變化不大。由此認(rèn)為，當(dāng)h由20 mm提高至40 mm時(shí)，整澆界面的Vu及Su并無明顯變化。因此，此時(shí)界面的抗剪剛度亦無明顯變化。

2.4 界面荷載滑移曲線及剪力傳遞機(jī)理分析

根據(jù)萬能試驗(yàn)機(jī)所記錄的荷載值以及LVDT測(cè)量的界面相對(duì)滑移值，繪制了整澆界面的荷載滑移曲線，見圖8。需要說明的是，考慮到相似性以及易于對(duì)比，每組試件中僅選擇了一根曲線繪制在圖8中。

基于對(duì)圖8實(shí)測(cè)曲線的分析，結(jié)合試驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象，提出的整澆界面典型的荷載滑移曲線如圖9所示，據(jù)此可將整澆界面的直剪過程分為4個(gè)階段。

階段1（彈性階段，如圖9線段OA所示）：荷載值從0增加至約0.7Vu～0.8Vu時(shí)，界面的相對(duì)滑移非常小，此階段荷載與位移基本呈線彈性關(guān)系，界面直剪承載力主要由混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力提供。

階段2（承載力峰值階段，如圖9線段AB所示）：在此階段，界面出現(xiàn)肉眼可見斜裂縫，滑移增長速率較前一階段明顯提高，但最大滑移值仍然很小，一般不超過0.6 mm?；浦档脑黾邮沟没炷恋恼辰Y(jié)力和內(nèi)聚力有所降低，并使抗剪鋼筋更多地參與到界面抗剪，而鑒于此時(shí)界面相對(duì)滑移很小，混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力對(duì)界面抗力的貢獻(xiàn)仍然較大。在本階段的最后，荷載達(dá)到界面直剪承載力峰值Vu，界面承載力主要由混凝土的粘結(jié)力、內(nèi)聚力以及抗剪鋼筋引起的摩擦力提供。

階段3（荷載釋放階段，如圖9線段BC所示）：一般情況下，荷載在Vu附近會(huì)持續(xù)3 s左右，隨后界面進(jìn)入荷載釋放階段（此時(shí)部分試件會(huì)聽見“砰”的一聲）。在該階段，界面滑移較前兩個(gè)階段有明顯的增大，這使得混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力很快下降，并在該階段的最后降至接近于0，此時(shí)的界面承載力主要由抗剪鋼筋引起的摩擦力和銷栓作用提供。

階段4（破壞階段，如圖9線段CD所示）：在該階段，由于界面的滑移和裂縫寬度較大，混凝土的粘結(jié)力、內(nèi)聚力以及界面摩擦力基本不再提供抗力，界面承載力主要由抗剪鋼筋的銷栓作用提供。當(dāng)鋼筋給周圍混凝土施加的劈裂力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，界面附近混凝土局部剝落或者抗剪鋼筋的混凝土保護(hù)層整體剝落，界面喪失承載能力。

綜上所述，在加載過程的不同階段，界面的抗力由不同的因素提供，當(dāng)界面達(dá)到直剪承載能力極限狀態(tài)時(shí)，界面直剪承載力主要由混凝土的粘結(jié)力、內(nèi)聚力以及抗剪鋼筋引起的摩擦力提供。

3 相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)條款評(píng)估

3.1 相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)條款簡(jiǎn)介

選用3個(gè)應(yīng)用比較廣泛的規(guī)范進(jìn)行評(píng)估，分別是美國的混凝土規(guī)范ACI[2]、混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)PCI[3]以及橋梁規(guī)范AASHTO[4]。考慮到規(guī)范中直剪界面抗剪計(jì)算公式均是基于摩擦抗剪理論提出的關(guān)于ρfy的線性表達(dá)式，它們相互之間并無本質(zhì)區(qū)別[1];此外，中國規(guī)范設(shè)計(jì)公式[14]（如：剪力墻水平施工縫的受剪承載力公式）的適用對(duì)象為新老混凝土界面，沒有提供與整澆界面相對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)，而規(guī)范ACI、PCI和AASHTO中的界面抗剪設(shè)計(jì)公式適用于所有3類直剪界面。因此，對(duì)以上3個(gè)規(guī)范進(jìn)行評(píng)估。

表3列出了ACI[2]、PCI[3]以及AASHTO[4]中整澆界面直剪承載力計(jì)算公式及相應(yīng)的限制條件。為方便對(duì)比，各公式參數(shù)均采用國際單位制，并將各參數(shù)符號(hào)進(jìn)行了統(tǒng)一，表中Vu為界面直剪承載力，N;Avf為抗剪鋼筋面積，mm2;Acv為界面面積，mm2;c為界面黏聚力，僅存在于AASHTO中，其值為2.76 MPa;fy為抗剪鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa;f′c為混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度，MPa;μ為界面摩擦系數(shù)，取1.4;μe為界面有效摩擦系數(shù);Pc為外力引起的界面法向壓力;K1為考慮混凝土強(qiáng)度的界面直剪承載力限制系數(shù)，ACI、AASHTO和PCI中K1取值分別為0.20、0.25和0.30;K2為界面直剪承載力限制參數(shù)，ACI、AASHTO和PCI中K2取值分別為11.03、10.34、6.89 MPa。

對(duì)比各計(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn)，ACI與PCI僅考慮了摩擦力對(duì)直剪承載力的貢獻(xiàn);AASHTO考慮了混凝土界面粘結(jié)力或內(nèi)聚力、摩擦力以及外力引起的界面法向壓力對(duì)直剪承載力的影響。

3.2 適用性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

為了對(duì)各設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行評(píng)估，表4列出了各試件直剪承載力的測(cè)試值與計(jì)算值之比。表中Vt為直剪承載力測(cè)試值;VACI、VPCIa、VPCIb和VAAS分別為依據(jù)ACI計(jì)算式、PCI計(jì)算式（a）、PCI計(jì)算式（b）和AASHTO計(jì)算式得到的直剪承載力計(jì)算值。

由表4可知，Vt/VACI、Vt/VPCIa、Vt/VPCIb和Vt/VAAS的均值分別為2.80、2.80、1.82和1.44，變異系數(shù)為3.7%，由此表明，3個(gè)規(guī)范均能較好地應(yīng)用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，但ACI和PCI顯得過于保守，而AASHTO的計(jì)算精度最高。由上述剪力傳遞機(jī)理分析結(jié)果可知，混凝土粘結(jié)力和內(nèi)聚力對(duì)峰值直剪承載力的貢獻(xiàn)較大，由于AASHTO考慮了混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力的貢獻(xiàn)，使得其計(jì)算的精確度更高。

4 結(jié)論

1）抗剪鋼筋的屈服強(qiáng)度fy由400 MPa提升至600 MPa時(shí)，整澆界面的直剪強(qiáng)度及剛度均無顯著變化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能在于，界面達(dá)到承載力峰值時(shí)HRB600級(jí)抗剪鋼筋并未屈服。

2）抗剪鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度h由20 mm增加到40 mm時(shí)，整澆界面的直剪強(qiáng)度及剛度均無顯著變化，但界面破壞模式由破壞面附近混凝土局部剝落變?yōu)榛炷帘Ｗo(hù)層整體剝落。

3）對(duì)于本文試件而言，規(guī)范AASHTO設(shè)計(jì)公式的計(jì)算精度比ACI和PCI的高。界面剪力傳遞機(jī)理分析表明，當(dāng)界面達(dá)到直剪承載能力極限狀態(tài)時(shí)，混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力對(duì)界面直剪承載力的貢獻(xiàn)較大。而3個(gè)規(guī)范中，僅AASHTO設(shè)計(jì)公式考慮了混凝土的粘結(jié)力和內(nèi)聚力對(duì)界面直剪承載力的貢獻(xiàn)，這即是該規(guī)范計(jì)算精度最高的原因所在。參考文獻(xiàn)：

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[14] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010—2010[S] .北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2015.

Code for design of concrete structures： GB 50010-2010 [S]. Beijing： China Construction Industry Press， 2015.（in Chinese）

（編輯 章潤紅）