新加梁、加固梁與現(xiàn)有柱界面受剪性能研究

周偉斌，黃小許 （廣州華特建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所，廣東 廣州 510640）

0 概述

在既有混凝土結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)中，新加混凝土梁構(gòu)件、采用加大截面法加固混凝土梁構(gòu)件都會(huì)在新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間形成一個(gè)連接界面，從而需要對(duì)新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間的連接界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，該連接設(shè)計(jì)對(duì)改造后的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間的連接界面在受彎、受壓、受拉方面與整澆混凝土沒有本質(zhì)上的不同，但在受剪方面與之差異較大。因此新舊混凝土連接界面的剪切工作性能和受剪承載力計(jì)算成為在既有混凝土結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)中不可回避的一個(gè)重要課題。

目前，關(guān)于新加梁、加固梁與現(xiàn)有柱界面的受剪性能研究的資料有限，但國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度有較為深入的研究。1960年Anderson根據(jù)新舊混凝土界面抗剪試驗(yàn)結(jié)果，首先提出了新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。其后，Birkeland于1966年首次提出了新老混凝土界面的摩擦抗剪理論和抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，幾十年來該理論經(jīng)過不斷的驗(yàn)證和完善，并已被普遍接受并應(yīng)用于多個(gè)國家設(shè)計(jì)規(guī)范中的界面抗剪強(qiáng)度計(jì)算。除了界面的摩擦抗剪理論及計(jì)算公式外，國內(nèi)外根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果先后提出了幾種不同的計(jì)算模型和計(jì)算公式，其中Patnaik A H設(shè)計(jì)制作了8組梁式構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要考慮混凝土結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度和縱向鋼筋的作用，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出界面抗剪承載力計(jì)算公式。

國內(nèi)方面，在新老混凝土界面抗剪強(qiáng)度的研究領(lǐng)域做了不少有意義的試驗(yàn)研究工作和分析總結(jié)工作，考慮了界面處理方式、混凝土強(qiáng)度、抗剪鋼筋數(shù)量、界面劑等影響因素，從不同的角度提出了抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。其中黃璐、林新鵬等歸納總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者基于摩擦抗剪理論、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提出的新舊混凝土界面剪切強(qiáng)度研究成果，收集利用80組試件的實(shí)測結(jié)果，通過多元非線性回歸分析，提出了新舊混凝土界面的抗剪計(jì)算公式。

綜合來看，國內(nèi)外對(duì)新舊混凝土連接界面在純剪作用下的抗剪強(qiáng)度研究比較充分，提出了比較成熟的界面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。但在改造工程中新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間的連接界面，界面的抗剪鋼筋布置形式、彎矩作用等因素都可能對(duì)界面抗剪產(chǎn)生決定性影響，目前的試驗(yàn)研究雖然也有涉及各種影響因素，但還只是初步的，還沒有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果為新舊結(jié)構(gòu)連接界面的受剪承載力計(jì)算提供支撐。目前梁柱連接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還很不充分，未能提出合理的界面受剪承載力計(jì)算公式，需要對(duì)梁柱界面承載力進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，提出適用于工程實(shí)踐應(yīng)用的承載力極限值與設(shè)計(jì)值計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

為了研究新舊混凝土界面的滑移變形性能、界面的破壞形態(tài)，研究主要參數(shù)對(duì)梁柱混凝土連接界面抗剪承載力的影響，為連接界面的抗剪設(shè)計(jì)提供依據(jù)而進(jìn)行本試驗(yàn)。

根據(jù)改造工程中新舊混凝土界面的界面狀況和受力條件，結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)研究成果，考慮了界面混凝土強(qiáng)度、受拉縱筋、受壓縱筋、剪跨比、加固梁類型、荷載布置共六個(gè)試件參數(shù)設(shè)計(jì)制作了39個(gè)梁柱組合試件，試件分為兩批，第一批9組27個(gè)試件，第二批2組12個(gè)試件，由先澆柱（梁柱）和后澆梁兩部分組成，分兩階段制作完成。制作試件時(shí)，先澆筑作為支承構(gòu)件的混凝土柱和被加固梁，然后對(duì)原混凝土基面進(jìn)行鑿毛處理，要求在新舊混凝土交接面范圍內(nèi)全表面露出新鮮混凝土，鑿毛深度為6mm，形成凹凸均勻的粗糙基面，并用清水和鋼絲刷把混凝土鑿毛面的粉塵清洗干凈；在澆筑新混凝土前，應(yīng)淋水養(yǎng)護(hù)鑿毛面不少于12小時(shí)，并在新澆筑混凝土前半小時(shí)內(nèi)涂刷水灰比為0.5的水泥漿。梁內(nèi)縱向鋼筋均采用HRB400，植筋時(shí)，新加縱筋均植筋錨固于柱內(nèi)，第一批試件的植入深度取L=15d，第二批試件的植入深度取L=22d，其中d為鋼筋直徑。最后再新加混凝土梁或者采用加大截面法加固混凝土梁，從而形成現(xiàn)有柱和新加梁、加固梁之間的混凝土連接界面。試件布置圖如圖1所示，試件參數(shù)表如附件表1所示。根據(jù)各梁加固方式的差異形成了五種不同的截面形式如圖2所示。

部分試件主要試件參數(shù) 表1

圖1 梁柱組合試件布置示意圖

圖2 新加梁、加固梁界面類型大樣圖

在試驗(yàn)中每組試件均預(yù)留混凝土試壓件，每種規(guī)格的縱筋均預(yù)留一組3條試?yán)?。在梁面的每根受拉縱筋上對(duì)稱粘貼兩片應(yīng)變片，應(yīng)變片中心位于梁柱混凝土界面位置，用于觀測界面處的縱筋應(yīng)變。在界面兩側(cè)安裝位移計(jì)，用于觀測界面的滑移變形。

試件的加載裝置圖如圖3所示，加載裝置把混凝土柱固定于試驗(yàn)臺(tái)上，采用液壓加載裝置對(duì)梁分級(jí)施加荷載。集中荷載的加載鋼墊板寬度為100mm。試驗(yàn)時(shí)觀測、記錄試件破壞形態(tài)、界面初裂荷載、試件破壞荷載、裂縫分布和裂縫寬度、界面剪切滑移變形、界面處受拉縱筋應(yīng)變、梁的撓度。

圖3 梁柱組合試件試驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

觀察試驗(yàn)過程及結(jié)果后發(fā)現(xiàn)大部分試件最后發(fā)生界面剪切破壞；有部分試件界面出現(xiàn)剪切開裂、破壞形態(tài)接近界面剪切破壞；少數(shù)試件界面沒有剪切開裂或雖然界面剪切開裂但尚未發(fā)生剪切破壞，即試驗(yàn)時(shí)破壞荷載尚未達(dá)到界面剪切破壞荷載；大部分試件破壞抗剪鋼筋已達(dá)到或接近屈服；植入深度為15倍直徑的部分試件出現(xiàn)了縱筋拔出的現(xiàn)象，而植入深度為22倍直徑的試件均未發(fā)生縱筋拔出破壞。界面開裂荷載與極限荷載之比為0.14～0.68，大部分試件開裂較早，界面帶裂縫工作。由于試件較多，僅列舉破壞現(xiàn)象較為典型的幾組試件如圖4所示，部分試件靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4 部分試件破壞形式

在界面開裂以致界面達(dá)到破壞荷載后，由于縱向鋼筋的作用，界面滑移變形繼續(xù)緩慢發(fā)展，界面剪切破壞雖屬于脆性破壞，但還是具有一定的延性。部分試件的荷載—界面相對(duì)滑移曲線如圖5所示。

圖5 部分試件的荷載—界面相對(duì)滑移曲線

3 連接界面的剪切機(jī)理

假設(shè)界面形成滑移裂縫，剪力作用促使界面兩側(cè)混凝土相對(duì)滑動(dòng)，滑移使兩側(cè)混凝土產(chǎn)生分離趨勢(shì)、縱筋受拉直至屈服，鋼筋拉力反過來約束混凝土的分離趨勢(shì)、混凝土在界面上產(chǎn)生壓應(yīng)力，兩側(cè)混凝土在剪力作用下形成靜摩擦、提供摩擦力，從而阻止界面繼續(xù)滑移。在界面鑿毛的條件下，界面兩側(cè)混凝土還具有咬合摩擦力，與靜摩擦力共同發(fā)揮作用。抗剪鋼筋屈服或界面混凝土摩擦破壞，都會(huì)導(dǎo)致界面剪切破壞。因此，足夠多的界面抗剪鋼筋和足夠大的界面面積是保證界面不發(fā)生剪切破壞的必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件。

部分試件靜載試驗(yàn)結(jié)果 表2

與單純的剪切界面不同，新舊結(jié)構(gòu)之間的連接界面除符合剪切摩擦模型的受力機(jī)理外，還受到其他多種因素的附加影響。這些附加因素主要包括：彎矩的作用使界面上的正應(yīng)力分布發(fā)生改變，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)界面抗剪不利，彎矩的影響可以用剪跨比來表達(dá)；原有梁的整澆界面有利于界面抗剪，整澆界面的不對(duì)稱布置則會(huì)削弱該有利作用；對(duì)于包柱式構(gòu)件，一方面，由于界面抗剪鋼筋布置在外側(cè)，界面抗剪鋼筋的對(duì)界面抗剪承載力的作用稍弱，而另一方面，由于托換構(gòu)件對(duì)界面起四面圍箍作用，混凝土界面強(qiáng)度對(duì)界面抗剪承載力的作用稍大。

按不同的試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)比分析新舊混凝土連接界面的試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)各種因素與連接界面抗剪承載力的相關(guān)性?？辜舫休d力和抗剪鋼筋（受拉區(qū)鋼筋）正相關(guān)，基本成線性關(guān)系，和受壓區(qū)鋼筋無明顯相關(guān)關(guān)系；抗剪承載力和剪跨比顯著負(fù)相關(guān)，反映出彎矩對(duì)界面抗剪承載力的不利影響。這種負(fù)相關(guān)并不成線性關(guān)系，隨著剪跨比的增大，界面抗剪承載力對(duì)剪跨比的敏感程度有所減弱。整澆連接面比新舊混凝土連接界面的抗剪承載力明顯要高。在加固梁和柱的連接界面中，原有梁的整澆界面有利于提高整個(gè)界面的抗剪承載力。相對(duì)于左右對(duì)稱的梁底加固和三側(cè)加固梁，左右不對(duì)稱的單側(cè)加固梁中的整澆連接面對(duì)整個(gè)界面的抗剪承載力貢獻(xiàn)比較小。按界面尺寸計(jì)算界面抗剪承載力時(shí)，試驗(yàn)值較新加梁、加固梁稍高。這可以解釋為，由于包柱式構(gòu)件對(duì)混凝土柱的四面圍箍作用，對(duì)連接界面的約束更為有利，有利于混凝土抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮。如果界面發(fā)生受彎破壞或鋼筋錨固破壞，則會(huì)影響界面抗剪承載力的發(fā)揮。連接界面設(shè)計(jì)時(shí)要充分發(fā)揮界面抗剪承載力，必須保證界面不發(fā)生受彎破壞或鋼筋錨固破壞。

4 連接界面的受剪承載力計(jì)算

根據(jù)界面剪切機(jī)理和各種因素對(duì)連接界面受剪承載力的影響程度，在界面抗剪承載力計(jì)算公式中，采用按界面抗剪鋼筋計(jì)算界面受剪承載力、按界面混凝土強(qiáng)度限制受剪承載力上限的表達(dá)方式，受剪承載力的計(jì)算公式中同時(shí)考慮了界面處剪跨比、整澆混凝土界面面積與界面總面積的比值、新加混凝土界面與原整澆混凝土界面對(duì)稱性三個(gè)因素的影響。受壓區(qū)鋼筋的銷栓作用、均布荷載的有利作用均在計(jì)算受剪承載力時(shí)忽略不計(jì)。

A1、A2、A3三個(gè)整澆對(duì)比試件，B4、B7、B10三個(gè)錨固破壞試件，F(xiàn)7～F10四個(gè)大剪跨受彎破壞試件，共有10個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果不參與回歸統(tǒng)計(jì)。參與回歸統(tǒng)計(jì)的試件數(shù)量為27個(gè)。

4.1 受剪承載力極限值計(jì)算公式及回歸統(tǒng)計(jì)分析

連接界面的受剪承載力極限值回歸計(jì)算公式為：

受剪界面限制條件：

式中：

f

——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，取新、舊混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的較低值；

A

、

A

——位于受拉區(qū)的原整澆混凝土界面內(nèi)抗剪鋼筋、新加混凝土界面內(nèi)抗剪鋼筋的截面面積；

f

、

f

——位于受拉區(qū)的原整澆混凝土界面內(nèi)抗剪鋼筋、新加混凝土界面內(nèi)抗剪鋼筋的抗拉屈服強(qiáng)度值；

λ

——連接界面處的名義剪跨比，取

λ

=

M

/

Vh

，

M

為連接界面處與剪力值

V

對(duì)應(yīng)的彎矩值；

γ

——原整澆混凝土界面的受剪承載力提高系數(shù)，按原整澆混凝土界面與新加混凝土界面的對(duì)稱程度取

γ

=0.3～0.6；當(dāng)原構(gòu)件單側(cè)加固時(shí)取

γ

=0.3；當(dāng)對(duì)原構(gòu)件兩側(cè)對(duì)稱加固時(shí)取

γ

=0.6；

αA

——原整澆混凝土界面面積與加固后總界面面積的比值，

αA

=

A

/

A

A

、

A

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的計(jì)算面積：

A

=

b

h

、

A

=

bh

；

除了轉(zhuǎn)讓子公司或?qū)O公司保殼，賣房賣土地以求留A的上市公司也不在少數(shù)，上述*ST椰島股權(quán)轉(zhuǎn)讓的同時(shí)也搭配出售椰島綜合樓。

b

、

h

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的寬度；

h

、

h

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的高度。

按公式4.1-1計(jì)算試件的界面受剪承載力極限值，回歸統(tǒng)計(jì)各類試件及全部27個(gè)試件的受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之比，如表3所示。

試件受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之比 表3

定義功能函數(shù)Z如下式所示：

式中：

R

——受剪承載力試驗(yàn)值；

S

——設(shè)計(jì)公式計(jì)算值。將表3中的受剪承載力試驗(yàn)值（R）和設(shè)計(jì)公式計(jì)算值（S）均代入公式4.1-3中，計(jì)算得到功能函數(shù)Z的平均值

μ

=1.04，標(biāo)準(zhǔn)差

σ

=0.259，可靠指標(biāo)計(jì)算值

β

=4.03。27個(gè)試件的界面剪切破壞荷載與界面受剪承載力設(shè)計(jì)值之比見表4，該比值最小為1.60，最大為2.59，即便對(duì)于大剪跨未發(fā)生界面剪切破壞的構(gòu)件，計(jì)算比值也大于1.55，說明設(shè)計(jì)公式也可以涵蓋大剪跨構(gòu)件。設(shè)計(jì)公式的可靠指標(biāo)計(jì)算值

β

=4.03，滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）關(guān)于安全等級(jí)二級(jí)、破壞類型為脆性破壞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠

β

≥3.7的可靠度要求，設(shè)計(jì)公式具有良好的相關(guān)性和較高的安全儲(chǔ)備。

試件界面剪切破壞荷載與承載力設(shè)計(jì)值之比 表4

5 設(shè)計(jì)值計(jì)算公式、規(guī)范公式與試驗(yàn)值的比較

對(duì)于新舊混凝土連接界面的受剪承載力，引用前述的梁柱界面試驗(yàn)結(jié)果，與本文提出的界面受剪承載力計(jì)算公式、國內(nèi)外代表性規(guī)范計(jì)算公式進(jìn)行比較。對(duì)比時(shí)采用新加梁和現(xiàn)有柱的界面試驗(yàn)中發(fā)生界面剪切滑移破壞的試件參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照實(shí)際的受剪承載力試驗(yàn)情況，對(duì)受剪承載力計(jì)算公式的適用條件作統(tǒng)一假定：

①連接界面為均勻鑿毛的新舊混凝土界面；

②界面鋼筋抗剪鋼筋垂直于界面；

③軸向力為零。

按此假定本文提出的界面受剪承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式：

當(dāng)

λ

＜5時(shí)取

λ

=5計(jì)算。

中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010關(guān)于疊合面受剪承載力的計(jì)算公式：

歐洲規(guī)范EN 1992-1-1-2004關(guān)于界面抗剪承載力的計(jì)算公式：

美國規(guī)范ACI318-08關(guān)于連接界面的抗剪承載力計(jì)算公式：

對(duì)比結(jié)果列于表5。對(duì)于剪跨比為0.3～4.0的新舊混凝土結(jié)構(gòu)連接界面，受剪承載力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如下：

設(shè)計(jì)值計(jì)算公式、規(guī)范公式與試驗(yàn)值的比較 表5

①按中國規(guī)范和歐洲規(guī)范計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比太小，且數(shù)據(jù)很離散，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不吻合，規(guī)范公式不適用于有彎矩作用的情況；

②按美國規(guī)范計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比平均值達(dá)到1.63，但總體上離散性太大。按剪跨比大小來區(qū)分，在剪跨比不大于1.0時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比值較大；而在剪跨比大于1.0時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比值太小，大部分甚至小于1.0，計(jì)算值明顯偏大，規(guī)范公式不適用剪跨比較大的情況；

③按本文公式計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式考慮了剪跨比的影響，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.55～2.25，平均值為1.91，標(biāo)準(zhǔn)差為0.202，變異系數(shù)為0.106，離散性較小，吻合良好，且具有足夠的可靠性；

④本文公式在表達(dá)方式上與美國規(guī)范公式類似，當(dāng)接近直剪

λ

≤5時(shí)兩者比較有可比性。當(dāng)接近直剪時(shí)，本文公式簡化為：

而美國規(guī)范公式簡化為（直剪時(shí)界面鋼筋均為受拉鋼筋）：

兩者相比較，本文公式的受剪承載力計(jì)算值比美國規(guī)范公式要高16%～20%。與11個(gè)小剪跨比試件的試驗(yàn)值比較，按美國規(guī)范公式計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.29～2.70，平均值為2.04，標(biāo)準(zhǔn)差為0.436，變異系數(shù)為0.214，數(shù)據(jù)比較離散、相關(guān)性較差；按本文公式計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.66～2.25，平均值為 1.96，標(biāo)準(zhǔn)差為0.183，變異系數(shù)為0.093，計(jì)算值與試驗(yàn)值相關(guān)性較好，與試驗(yàn)結(jié)果更加吻合。

6 總結(jié)

對(duì)新加梁、加固梁與現(xiàn)有柱界面受剪性能研究后，得出以下結(jié)論：

①采用混凝土基面鑿毛、涂刷純水泥漿進(jìn)行界面處理時(shí)，連接界面剪切工作性能良好，界面發(fā)生剪切滑移破壞屬于脆性破壞，但具有一定延性；

②在加固梁與現(xiàn)有柱的連接界面內(nèi)，其中原有梁的整澆界面有利于提高整個(gè)連接界面的抗剪承載力，加大截面相對(duì)于原有梁截面越對(duì)稱，對(duì)界面抗剪就越有利；

③鑿毛處理的連接界面符合摩擦抗剪機(jī)理，在剪力作用下，界面形成滑移裂縫，剪力作用促使界面兩側(cè)混凝土相對(duì)滑移，滑移使粗糙界面的兩側(cè)混凝土產(chǎn)生分離、張開的趨勢(shì)，橫穿界面的縱筋因此受拉、并反過來約束混凝土的分離趨勢(shì)，從而使混凝土在界面上產(chǎn)生壓應(yīng)力，界面在壓應(yīng)力作用下提供摩擦力、阻止界面繼續(xù)滑移，形成界面的抗剪能力，按照這一機(jī)理，界面抗剪鋼筋的抗拉能力決定界面抗剪承載力的大小，但其前提條件是界面上的混凝土具備足夠強(qiáng)度、不發(fā)生破壞，即界面混凝土強(qiáng)度制約了界面抗剪承載力的上限；

④對(duì)于新加梁、加固梁與現(xiàn)有柱之間的連接界面，受剪承載力設(shè)計(jì)值可以按本文提出的設(shè)計(jì)值計(jì)算公式計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)值具有良好的相關(guān)性，可靠指標(biāo)滿足國家規(guī)范要求。