包柱式構(gòu)件與現(xiàn)有柱之間連接界面受剪性能研究

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

考慮到改造工程中的新舊混凝土界面不一定是純剪界面，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)梁柱連接界面及包柱式構(gòu)件連接界面的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮混凝土強(qiáng)度、界面抗剪鋼筋、剪跨比等因素，取得了雖不夠系統(tǒng)但卻非常寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中同濟(jì)大學(xué)王偉和屈文俊、天津大學(xué)王俊杰、哈爾濱工業(yè)大學(xué)張沛等人共完成了27個(gè)梁柱連接界面試件的試驗(yàn)工作，但絕大部分試件未發(fā)生界面破壞，真正能用于新舊結(jié)構(gòu)連接界面承載力統(tǒng)計(jì)分析的有效數(shù)據(jù)很少。黃小許、張正先、王瓊、岳慶霞等人完成了63個(gè)包柱式托換構(gòu)件連接界面試件的試驗(yàn)工作，在這些試驗(yàn)中，共有36個(gè)基面鑿毛處理，并且發(fā)生界面剪切滑移破壞的試件，其中31個(gè)試件具有比較齊全有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也據(jù)此提出了新舊混凝土界面抗剪極限承載力的計(jì)算公式，可為本文對(duì)新舊混凝土連接界面的抗剪性能和受剪承載力的計(jì)算分析提供依據(jù)。

但該公式未考慮界面抗剪鋼筋、托換梁剪跨比等因素的影響。在廣州地鐵一號(hào)線的樓房樁基托換工程中，托換梁和被托換柱之間的界面承載力按上述公式取下包線并按可靠指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，鑒于缺乏完善的設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)時(shí)按比受彎要求配置了稍多的縱向鋼筋，同時(shí)在柱側(cè)設(shè)置了橫向拉結(jié)鋼筋，以加強(qiáng)對(duì)界面的拉結(jié)、抑制界面的分離。包柱式構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖比較多，但需要進(jìn)一步了解界面抗剪鋼筋、剪跨比這些因素與界面抗剪性能的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出比較完善的連接界面受剪承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

為了研究包柱式構(gòu)件與現(xiàn)有柱之間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，為四面包柱式的連接界面抗剪設(shè)計(jì)提供依據(jù)而進(jìn)行本試驗(yàn)。這部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)引用自黃小許、李國(guó)雄、張正先等人共同完成的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)是在上世紀(jì)九十年代為滿足廣州地鐵樓房樁基托換工程和建筑物斷柱頂升糾偏技術(shù)研究的需要而完成的。

制作試件時(shí)，先澆筑混凝土柱，然后對(duì)混凝土基面進(jìn)行鑿毛處理，最后再澆筑包柱式混凝土構(gòu)件（托換梁或頂升平臺(tái)），從而形成現(xiàn)有柱和包柱式構(gòu)件之間的混凝土連接界面。完成混凝土養(yǎng)護(hù)后，對(duì)新舊混凝土連接界面進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)時(shí)托換工程和研究工作的需要，試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了界面混凝土強(qiáng)度、梁內(nèi)縱向縱筋、剪跨比等試件參數(shù)。試件分為兩批，第一批12組25個(gè)試件，第二批2組6個(gè)試件，合計(jì)31個(gè)試件，試件尺寸圖如圖1所示，試件參數(shù)如表1所示。在試件的所有新舊混凝土交接面處，鑿毛原混凝土基面，深度為6mm，在交接面范圍內(nèi)全表面露新鮮混凝土，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，采用32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥。

圖1 包柱式試件尺寸圖

包柱式試件參數(shù)表 表1

梁內(nèi)縱向鋼筋均采用II級(jí)鋼，鋼筋在柱側(cè)貫通，橫向箍筋采用I級(jí)鋼。柱混凝土強(qiáng)度比托換構(gòu)件（托換梁）高2個(gè)等級(jí)。在界面兩側(cè)安裝位移計(jì)，用于觀測(cè)連接界面的滑移變形。試驗(yàn)時(shí)觀測(cè)、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。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件的開裂始于混凝土托換梁的彎剪裂縫，隨后界面開裂、滑移變形增大，破壞時(shí)的界面滑移變形實(shí)測(cè)值為1.05～4.50mm，柱的四周界面基本上同步滑移，最后均發(fā)生新舊混凝土界面的剪切滑移破壞。界面開裂荷載與極限荷載之比為0.37～0.75，大部分試件開裂較早，界面帶裂縫工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，界面上植入短鋼筋后的銷栓作用不明顯，縱筋上焊接水平角鋼有一定作用。

在界面開裂以致界面達(dá)到破壞荷載后，由于縱向鋼筋和橫向箍筋的圍箍作用，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。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

包柱式界面剪切破壞試驗(yàn)結(jié)果 表2

3 連接界面剪切機(jī)理

試驗(yàn)結(jié)果符合界面的剪切摩擦模型，該模型假設(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(guò)來(lái)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?？辜翡摻钋蚪缑婊炷聊Σ疗茐?，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。

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。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。

4 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)包柱式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對(duì)受剪承載力的影響。在包柱式連接界面的試件中，有兩個(gè)面垂直于梁軸線、受力條件與普通梁柱的連接界面類似，不同之處在于界面抗剪鋼筋布置于柱的兩側(cè)梁內(nèi)，而不是直接穿過(guò)界面內(nèi)。另有兩個(gè)面平行于梁軸線，類似于純剪界面，但在梁的彎矩作用下，部分界面上受拉應(yīng)力作用，不利于界面抗剪；布置于柱兩側(cè)梁內(nèi)有效范圍內(nèi)的橫向鋼筋作為界面抗剪鋼筋使用，而不是直接穿過(guò)界面，會(huì)影響界面抗剪鋼筋作用的發(fā)揮。

A1～A4共8個(gè)試件采取了額外的界面連接措施，雖也是發(fā)生了界面剪切破壞，但與通常的鑿毛處理界面相比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)受這些額外措施的干擾，故不參與統(tǒng)計(jì)。參與回歸統(tǒng)計(jì)的試件數(shù)量為23個(gè)。

此外，采用本文提出的界面抗剪承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，對(duì)國(guó)內(nèi)其他同類試件的試驗(yàn)結(jié)果值進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比驗(yàn)證。

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：

式中：

V

為連接界面的受剪承載力極限值；

V

、

V

分別為X、Y計(jì)算截面上每個(gè)計(jì)算截面提供的受剪承載力極限值，X計(jì)算截面對(duì)應(yīng)于垂直于梁軸線的兩個(gè)界面，Y計(jì)算截面對(duì)應(yīng)于另兩個(gè)界面；為X計(jì)算截面上位于梁內(nèi)受拉區(qū)的縱向鋼筋的截面面積；為Y計(jì)算截面上的梁內(nèi)有效寬度范圍內(nèi)的橫向鋼筋的截面面積，有效寬度取梁邊線與柱邊線之間的距離；

f

為界面抗剪鋼筋的抗拉屈服強(qiáng)度值；

f

為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；

λ

為連接界面處的名義剪跨比，按梁取

λ

=

M

/(

Vh

)，M為連接界面處與剪力值V對(duì)應(yīng)的彎矩值；

A

為Y計(jì)算截面上的梁內(nèi)有效寬度范圍內(nèi)的橫向鋼筋的截面面積，有效寬度取梁邊線與柱邊線之間的距離；

b

、

b

分別為X、Y計(jì)算截面上連接界面的計(jì)算寬度，取計(jì)算截面所在的柱截面邊長(zhǎng)；

h

為計(jì)算截面上連接界面的計(jì)算高度，取包柱式梁的截面高度。

按公式（1）計(jì)算試件的界面受剪承載力極限值，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比如表3所示?；貧w統(tǒng)計(jì)全部23個(gè)試件的受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之比，平均值為μ=1.00，標(biāo)準(zhǔn)差 σ=0.113，變異系數(shù) δ=0.112，說(shuō)明回歸公式計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較 表3

4.2 受剪承載力設(shè)計(jì)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設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：

V

為連接界面的受剪承載力設(shè)計(jì)值；

V

、

V

分別為X、Y計(jì)算截面上每個(gè)計(jì)算截面提供的受剪承載力設(shè)計(jì)值；

f

為界面抗剪鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

f

為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取新、舊混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的較低值?？紤]到包柱式梁界面試驗(yàn)的試件相對(duì)較少，推算設(shè)計(jì)公式時(shí)試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值之比取值稍高，以提高設(shè)計(jì)界面的可靠度。按設(shè)計(jì)公式計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比列于表4。全部23個(gè)試件的試驗(yàn)值與計(jì)算值之比平均值為2.25，標(biāo)準(zhǔn)差為0.262，變異系數(shù)δ=0.117。將4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

Z

=

R

/

S

-1，計(jì)算得到功能函數(shù)Z的平均值

μ

=1.25，標(biāo)準(zhǔn)差

σ

=0.262，可靠指標(biāo)計(jì)算值β=4.76。23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)值之比為1.65—2.92，計(jì)算可靠指標(biāo)為4.76，滿足現(xiàn)行國(guó)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)公式具有較好的相關(guān)性和較高的安全儲(chǔ)備。

國(guó)內(nèi)其他受剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較 表4

界面開裂荷載試驗(yàn)值與抗剪承載力設(shè)計(jì)值之比為 1.15～2.34，全部都大于1.0，說(shuō)明在設(shè)計(jì)荷載作用下，界面不開裂。

4.3 設(shè)計(jì)值計(jì)算公式與國(guó)內(nèi)其他試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證

在國(guó)內(nèi)完成的包柱式連接界面試驗(yàn)中，天津大學(xué)王瓊等人完成的試驗(yàn)內(nèi)有10個(gè)試件采用鑿毛界面、發(fā)生界面剪切滑移破壞，并且數(shù)據(jù)資料比較齊全，可供界面受剪承載力的對(duì)比驗(yàn)證。采用本文提出的包柱式界面抗剪承載力的設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，按試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算，試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。從對(duì)比數(shù)據(jù)看，受剪承載力的試驗(yàn)值與計(jì)算值為1.70～2.87，平均值為2.28，均方差為0.366，變異系數(shù)為 0.160，說(shuō)明計(jì)算公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值之比較高，且離散性不是太大，計(jì)算公式是適用的。

5 結(jié)論

對(duì)于新舊混凝土結(jié)構(gòu)連接界面的受剪承載力，得出以下結(jié)論：

①對(duì)于包柱式構(gòu)件的連接界面，界面抗剪鋼筋布置于界面兩側(cè)時(shí)抗剪性能較弱；

②在梁軸平行的柱側(cè)界面中，包柱式梁的剪跨比與界面抗剪承載力負(fù)相關(guān)。

③包柱式構(gòu)件對(duì)混凝土柱具有四面圍箍作用，有利于提高界面混凝土的抗剪強(qiáng)度。

④包柱式構(gòu)件與現(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公式（3.2.1a）、（3.2.1b）、（3.2.1c）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(guó)家規(guī)范要求。