新舊混凝土結(jié)合面抗剪計(jì)算方法研究

瞿慎俊 （大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116011）

0 引言

隨著國(guó)家建設(shè)的推進(jìn)，我國(guó)已經(jīng)建成并留存了大量的建筑，在這些建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑占據(jù)相當(dāng)大的比重。為貫徹落實(shí)城鄉(xiāng)建筑的可持續(xù)發(fā)展理念，推動(dòng)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，保護(hù)環(huán)境，對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造再利用有著十分重要的意義。同時(shí)，伴隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的不斷革新，新材料和新工藝的研究及應(yīng)用，結(jié)構(gòu)加固的方法越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)加固也受到相關(guān)部門和社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注。

在實(shí)際加固工程設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，因混凝土不同時(shí)期澆筑，導(dǎo)致新舊混凝土結(jié)合面形成了一個(gè)抗剪的薄弱面，此抗剪薄弱面的剪力傳遞性能直接關(guān)系到改造結(jié)構(gòu)的安全，也越來(lái)越受到結(jié)構(gòu)工程師的關(guān)注。但在結(jié)構(gòu)加固時(shí)，由于影響界面抗剪承載力的因素頗多，破壞形態(tài)復(fù)雜多樣，導(dǎo)致對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件與改造的混凝土構(gòu)件或新增混凝土構(gòu)件的連接界面的剪切破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，國(guó)內(nèi)外的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)中的抗剪計(jì)算方法、公式也不盡相同。要使加固后的新舊混凝土構(gòu)件發(fā)揮足夠的強(qiáng)度，就必須保證剪力在此交接面上能夠可靠地傳遞，因此了解界面抗剪的傳遞機(jī)理和對(duì)其合理設(shè)計(jì)顯得特別重要。

1 界面抗剪機(jī)理分析

新舊混凝土構(gòu)件連接界面的抗剪力構(gòu)成比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者普遍認(rèn)為主要由以下幾部分組成：新混凝土澆筑時(shí)與原混凝土之間因水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的粘結(jié)力、新舊混凝土之間產(chǎn)生裂縫后的接觸摩擦力、因植筋（縱向受力鋼筋、側(cè)面構(gòu)造鋼筋、界面抗剪鋼筋、界面分布鋼筋等）產(chǎn)生的銷栓作用力。

根據(jù)國(guó)外Mast和Birkeland學(xué)者的研究：新舊混凝土連接時(shí)，因外荷載、混凝土自身的收縮及施工等因素，在承受剪力之前，新舊混凝土界面之間就形成了微裂縫，故不考慮新舊混凝土之間的粘結(jié)作用，提出了摩擦抗剪模型。該模型認(rèn)為當(dāng)承受剪力時(shí)，因裂縫面之間的凹凸不平和不規(guī)則性，沿裂縫滑移時(shí)會(huì)伴隨著裂縫面的分開。在極限情況下，這種分開的位移量足以使通過(guò)裂縫的鋼筋屈服，鋼筋會(huì)提供通過(guò)裂縫面的拉應(yīng)力σ。而隨著裂縫面的滑移會(huì)在混凝土上產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力σ，從而產(chǎn)生了摩擦抗剪強(qiáng)度V=μ·σ。于是外加的剪力由裂縫面之間的摩擦、由裂縫面上突出部分的受剪和由通過(guò)裂縫的鋼筋銷栓作用承受。在界面鋼筋具有足夠錨固長(zhǎng)度和配筋適量的情況下，當(dāng)界面鋼筋中的拉應(yīng)力達(dá)到鋼筋的屈服強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為新舊混凝土界面發(fā)生抗剪破壞。

影響摩擦抗剪承載力的因素較多，主要包括：剪切平面的粗糙度、界面連接鋼筋的特性、外荷加載方式等。

1.1 剪切平面的粗糙度

剪切平面的粗糙度對(duì)新舊混凝土界面的抗剪承載力影響顯著，剪切表面越粗糙、抗剪強(qiáng)度越大，試驗(yàn)表明，其界面的抗剪承載力與現(xiàn)澆構(gòu)件的承載力幾乎一樣。因?yàn)榧羟忻嬖酱植冢淠Σ料禂?shù)也就越大，相應(yīng)的摩擦抗剪承載力也就越高。

1.2 界面連接鋼筋的特性

界面連接鋼筋的數(shù)量、強(qiáng)度、間距會(huì)顯著影響新舊混凝土界面的抗剪承載力。從摩擦抗剪模型可知，鋼筋的銷栓作用是組成界面抗剪力的組成部分。另外，在其他條件適宜的情況下，界面鋼筋的屈服是直接控制抗剪破壞的主要因素。故提高界面連接鋼筋的配筋率和強(qiáng)度會(huì)顯著改善界面的抗剪承載力，但是根據(jù)Mattock等的試驗(yàn)結(jié)果顯示：在保持界面連接鋼筋的配筋率和強(qiáng)度不變的條件下，隨著鋼筋直徑的增加剪力傳遞強(qiáng)度有所下降。在粗糙剪切面中，界面鋼筋主要承受拉力。增加剪力傳遞鋼筋的直徑會(huì)使得鋼筋表面與混凝土之間的粘結(jié)力增加，從而增大兩者之間的相對(duì)滑移和剪切面的裂縫寬度，使得裂縫面兩側(cè)凹凸不平的骨料之間的機(jī)械咬合作用減弱，從而使得界面的剪力傳遞強(qiáng)度有所下降。

1.3 外荷載的加載方式

加載方式對(duì)界面抗剪承載力也有十分明顯的影響，Walraven等通過(guò)試驗(yàn)得出：采用重復(fù)加載或持續(xù)加載對(duì)連接界面的抗剪能力的影響都不明顯。但是Mattock和 Tsoukantas等通過(guò)試驗(yàn)得出：?jiǎn)握{(diào)循環(huán)反復(fù)荷載會(huì)降低連接界面的抗剪能力，而且初始縫寬越大、循環(huán)加載次數(shù)越多、外荷載越大，其界面抗剪承載力降低也就越多，這主要是因?yàn)檠h(huán)反復(fù)荷載降低了界面連接鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，削弱了裂縫面的粗糙度，從而導(dǎo)致骨料的咬合程度和摩擦力降低，最終抗剪承載力下降。

2 界面抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法介紹

2.1 廣東規(guī)范DBJ/T 15-182-2020（備案號(hào)J15080-2020）

廣東規(guī)范DBJ/T 15-182-2020（備案號(hào) J15080-2020）第 6.2.3規(guī)定，當(dāng)混凝土連接界面僅受剪力作用時(shí)，混凝土連接界面應(yīng)按下列規(guī)定驗(yàn)算受剪承載力：

廣東規(guī)范DBJ/T 15-182-2020結(jié)合地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)剪切摩擦模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析提出了新舊混凝土連接界面的受剪承載力計(jì)算公式。公式中對(duì)于鋼筋強(qiáng)度采用不大于三級(jí)鋼的數(shù)值，主要是因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)高強(qiáng)鋼筋的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在計(jì)算連接面的受剪承載力時(shí)偏安全的只考慮了連接界面的抗剪鋼筋的作用，和美國(guó)規(guī)范的抗剪公式較為接近。

2.2 美國(guó)規(guī)范ACI318-19

美國(guó)規(guī)范ACI318-19第22.9條規(guī)定：根據(jù)摩擦抗剪理論，對(duì)于存在的裂縫面或可能出現(xiàn)的裂縫面，或不同材料的界面，或不同澆筑時(shí)期的混凝土交接面上，應(yīng)按照第22.9.3～4條規(guī)定，計(jì)算混凝土連接界面的極限抗剪承載力：

美國(guó)規(guī)范ACI318-19根據(jù)摩擦抗剪機(jī)理，以抗剪鋼筋屈服后的拉力對(duì)界面產(chǎn)生的壓力摩擦作用估計(jì)抗剪承載力，計(jì)算公式比較簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)使用。

2.3 歐盟規(guī)范PrEN-1992-1-1(July 2002)

歐盟規(guī)范PrEN-1992-1-1第6.2.5條規(guī)定：根據(jù)摩擦抗剪理論，對(duì)于不同澆筑時(shí)期的混凝土交接面上，綜合考慮摩擦抗剪作用和鋼筋的銷栓作用，混凝土連接界面的極限抗剪承載力應(yīng)滿足下式：

歐盟規(guī)范PrEN-1992-1-1根據(jù)修正的摩擦抗剪模型，其計(jì)算公式中考慮了鋼筋和混凝土的綜合抗剪作用，同時(shí)又考慮了軸向力對(duì)抗剪性能的影響，屬于考慮因素較全面的表達(dá)式。

3 設(shè)計(jì)方法比較

截至目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)新舊混凝土界面抗剪機(jī)理進(jìn)行了比較多的試驗(yàn)和研究，但由于在試驗(yàn)及研究中所采用的試驗(yàn)手段、計(jì)算假定及分析模式不盡相同，導(dǎo)致最后提出的抗剪承載力的計(jì)算模型也有差異。

以矩形梁300×700，混凝土采用C35，箍筋采用φ8@200（2），抗剪側(cè)面鋼筋采用6φ14，暫不考慮縱向受力鋼筋的有利作用，則采用上述三種方法計(jì)算的結(jié)果如上表（本算例鋼筋均為三級(jí)鋼）。

新舊連接界面抗剪承載力計(jì)算對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可知：廣東規(guī)范計(jì)算的新舊界面抗剪承載力最小，美國(guó)規(guī)范計(jì)算值次之，歐盟規(guī)范最大。分析可知廣東規(guī)范、美國(guó)規(guī)范只考慮了摩擦抗剪的機(jī)理，以抗剪鋼筋屈服后的拉力對(duì)界面產(chǎn)生的壓力摩擦作用估計(jì)抗剪承載力；相比歐盟規(guī)范考慮因素全面，采用修正的摩擦抗剪模型，綜合考慮了摩擦抗剪和鋼筋的銷栓作用。

4 結(jié)論及建議

本文通過(guò)對(duì)部分國(guó)家規(guī)范中新舊混凝土結(jié)合面的抗剪承載力計(jì)算方法的比較，得出以下結(jié)論及建議：

①因各國(guó)及各個(gè)行業(yè)所采用的抗剪界面承載力計(jì)算公式不同，得出的計(jì)算結(jié)果也會(huì)差異較大；

②界面抗剪承載力計(jì)算公式應(yīng)能綜合考慮裂縫間的接觸摩擦力，鋼筋的銷栓作用力；

③建議加強(qiáng)軸向壓力對(duì)抗剪承載力有利作用的研究，探究其機(jī)理，提出相應(yīng)的計(jì)算公式；

④對(duì)往復(fù)荷載（比如地震作用）下，界面的抗剪機(jī)理也應(yīng)投入相應(yīng)的研究，提出相應(yīng)的計(jì)算公式。