鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)-滑移性能雙面剪切試驗(yàn)研究

陳鈺 黃海林 姜德文 張明亮

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.153

收稿日期：2021?06?16

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目（19B188）；湖南省自然科學(xué)基金（2018JJ3161）；湖南建工集團(tuán)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JGJTK-2018003）

作者簡(jiǎn)介：陳鈺（1997- ），女，主要從事基于新材料的既有結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固研究，E-mail：chenyulye@163.com。

通信作者：黃海林（通信作者），男，副教授，博士，E-mail：hhlvsgenius@163.com。

Received： 2021?06?16

Foundation items： Outstanding Young Foundation of Education Bureau of Hunan （No. 19B188）; Natural Science Foundation of Hunan （No. 2018JJ3161）; Basic Research Project of Hunan Construction Industry Group （No. JGJTK-2018003）

Author brief： CHEN Yu （1997- ）， main research interests： repair and reinforcement of existing structures based on new materials， E-mail： chenyulye@163.com.

corresponding author：HUANG Hailin （corresponding author）， associate professor， PhD， E-mail： hhlvsgenius@163.com.

摘要：鋁合金板具有強(qiáng)度高、耐蝕性及延性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于潮濕、高寒等復(fù)雜惡劣環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的加固，但鋁合金板-混凝土的界面性能是影響鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)效果的關(guān)鍵。進(jìn)行48個(gè)鋁合金板-混凝土試件的界面雙剪試驗(yàn)，分析鋁合金板厚度、鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)膠種類對(duì)界面破壞機(jī)理、剝離承載力、粘結(jié)剪應(yīng)力及滑移演化規(guī)律的影響。結(jié)果表明：增加鋁合金板厚度、鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度以及采用低彈性模量的結(jié)構(gòu)膠能有效提高界面的剝離承載力，但鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度應(yīng)控制在有效粘結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi)；試件的滑移量隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而增大，且鋁合金板越厚，試件的滑移量越小。將雙直線模型、雙曲線模型、Nakaba模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，Nakaba模型與鋁合金板-混凝土粘結(jié)滑移曲線整體吻合較好。

關(guān)鍵詞：鋁合金板；雙剪試驗(yàn)；界面性能；粘結(jié)滑移；本構(gòu)關(guān)系

中圖分類號(hào)：TU317.1 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）05-0181-10

Double-sided shear experimental study of bond-slip performance of aluminum alloy plate-concrete interface

CHEN Yu1a， HUANG Hailin1a，1b， JIANG Dewen1a， ZHANG Mingliang2

（1a. College of Civil Engineering; 1b. Hunan Engineering Research Center for Intelligently Prefabricated Passive House， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， Hunan， P. R. China; 2. Hunan Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Changsha 410004， P. R. China）

Abstract： Aluminum alloy plate has the advantages of high strength， good ductility， good corrosion resistance， which can be used to strengthen concrete structures in damp， cold and harsh environments. However， the interface performance of aluminum alloy plate-concrete is the key factor which affect the effect of concrete reinforced by aluminum alloy plate. Based on this， the interfacial double shear tests of 48 aluminum alloy plate-concrete specimens were completed. The influence of bond thickness of aluminum alloy plate， bond length of aluminum alloy plate and structural adhesive type on the interface failure mechanism， interfacial peeling bearing capacity， bond shear stress and the slip evolution were analyzed. The results show that the peeling capacity of the interface can be effectively improved by increasing the thickness of the aluminum alloy plate， the bonding length of the aluminum alloy plate and using the structural adhesive with low elastic modulus， but the bonding length of the aluminum alloy plate should be controlled within the range of the limited bonding length. At the same time， with the increase of bond length， the slip of specimen increases， and the thicker the bond thickness of aluminum plate， the lower the slip of the specimen. Use double-line model， hyperbolic model， Nakaba model and test results for comparative analysis. The results show that the aluminum alloy plate-concrete bond slip is in good agreement with the curve of the Nakaba model.

Keywords： aluminum alloy plate； double shear test； interface properties； bond-slip； constitutive relationship

鋼材和纖維復(fù)合材（FRP）是混凝土結(jié)構(gòu)加固中常用的兩種材料，已得到廣泛應(yīng)用[1-4]，但用鋼材和FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)仍有一些缺點(diǎn)需要克服。鋼材耐蝕性差、維護(hù)成本高；FRP熱阻低、延性差。鋁合金作為一種新型加固材料，可以克服以上兩種材料的缺陷，耐腐蝕性比鋼材更好，延展性比FRP更好，且在低溫環(huán)境中強(qiáng)度和延性不會(huì)降低，因此在潮濕、高寒等復(fù)雜惡劣環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景[5-8]。文獻(xiàn)[9-10]采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了不同方向粘貼鋁合金板的混凝土梁抗剪性能，結(jié)果表明：鋁合金板可以作為混凝土抗剪加固材料，其中側(cè)面45°粘貼鋁合金板對(duì)混凝土梁的抗剪加固效果最好。文獻(xiàn)[11-12]基于面內(nèi)單剪試驗(yàn)研究了鋁合金板與混凝土的粘結(jié)性能，提出了界面粘結(jié)強(qiáng)度的修正Niedermeier模型，得到了有效粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算式。文獻(xiàn)[13-15]運(yùn)用有限元方法對(duì)鋁合金板-混凝土的界面粘結(jié)性能進(jìn)行了研究，論證了有限元分析方法的可行性。文獻(xiàn)[16]通過單剪試驗(yàn)研究了鋁合金板與混凝土的界面粘結(jié)-滑移性能，分析了表面粗糙度和粘結(jié)長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)對(duì)界面性能的影響，試驗(yàn)表明：現(xiàn)有的FRP-混凝土粘結(jié)-滑移模型（Nakaba模型和Savioa模型）可以用來(lái)預(yù)測(cè)鋁合金板加固混凝土的界面粘結(jié)-滑移行為。姜德文等[17]通過面內(nèi)雙剪試驗(yàn)研究了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋁合金板等4個(gè)參數(shù)對(duì)界面粘結(jié)性能的影響。由于加固結(jié)構(gòu)中鋁合金板與混凝土的界面受力狀態(tài)復(fù)雜，影響鋁合金板與混凝土界面粘結(jié)性能的參數(shù)較多，且文獻(xiàn)[17]的研究參數(shù)尚不完善。在文獻(xiàn)[17]研究基礎(chǔ)上，通過改變?cè)囼?yàn)參數(shù)進(jìn)一步分析鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度、鋁合金板厚度、結(jié)構(gòu)膠種類3個(gè)參數(shù)對(duì)鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)性能的影響，并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，得出適合理論計(jì)算的本構(gòu)模型。

1 試件概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了16組（每組3個(gè)）48個(gè)試件，試件參數(shù)設(shè)計(jì)見表1，雙剪試驗(yàn)試件構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖1所示。其中混凝土的設(shè)計(jì)尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，配合比為m水泥：m砂：m石：m水=1：1.74：3.53：0.49。鋁合金板采用西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的6061-T6，厚度分別為1、2、3 mm。試驗(yàn)用結(jié)構(gòu)膠粘劑有3種：瑞士西卡公司生產(chǎn)的sika-30CN、湖南固特邦公司生產(chǎn)的JN、上海悍馬公司生產(chǎn)的HM-120。

1.2 試驗(yàn)加載裝置

雙剪試驗(yàn)加載裝置為自行設(shè)計(jì)制作，如圖2所示。試件非試驗(yàn)區(qū)粘結(jié)長(zhǎng)度為270 mm，試驗(yàn)區(qū)粘結(jié)長(zhǎng)度比非試驗(yàn)區(qū)短，所以理想破壞模式為試驗(yàn)區(qū)界面發(fā)生粘結(jié)失效破壞。試驗(yàn)正常加載時(shí)速率控制在2 kN/min。為測(cè)量鋁合金板沿粘結(jié)長(zhǎng)度方向的應(yīng)變分布，在鋁合金板上等間距布置應(yīng)變片，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

alloy plate

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

典型破壞形態(tài)有兩種：1）鋁合金板-結(jié)構(gòu)膠界面分層破壞。破壞發(fā)生在鋁合金板與結(jié)構(gòu)膠的界面，如圖4（a）所示，這是因?yàn)殇X合金板表面過于光滑，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)宜對(duì)鋁合金板的表面進(jìn)行有效的粗糙處理。2）混凝土-結(jié)構(gòu)膠界面剝離破壞。破壞發(fā)生在混凝土和結(jié)構(gòu)膠的界面，混凝土界面露出粗骨料，如圖4（b）所示，這是因?yàn)榛炷帘韺影l(fā)生受拉破壞，加固混凝土較為常見的破壞形式是混凝土界面的剝離，進(jìn)一步說明鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)的可行性。主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2 界面極限承載力分析

圖5給出了鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度、厚度以及結(jié)構(gòu)膠種類對(duì)試件界面極限承載力影響的柱狀圖。由圖5（a）可知：當(dāng)鋁合金板厚度均為3 mm時(shí)，試件界面極限承載力隨鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而增大。由圖5（b）可知：當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為150 mm時(shí)，相比厚度為2、1 mm的試件，鋁合金板厚度為3 mm的試件極限承載力分別提高了11.5%和84.5%；粘結(jié)長(zhǎng)度為100 mm的試件也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律?？梢?，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠均采用Sikadur-30CN時(shí)，試件界面極限承載力隨鋁合金板粘結(jié)厚度的增加而明顯增大。由圖5（c）可知：當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為100 mm時(shí)，相比采用JN和HM-120結(jié)構(gòu)膠的試件，采用Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的試件極限承載力分別提高了15.8%、62.0%；當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為150 mm時(shí)，相比采用JN和HM-120結(jié)構(gòu)膠的試件，采用Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的試件極限承載力分別提高了20.1%、54.0%；當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，相比采用JN和HM-120結(jié)構(gòu)膠的試件，采用Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的試件極限承載力分別提高了8.7%、17.0%?？梢姡?dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度相同時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的種類會(huì)明顯影響界面粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3 鋁合金板-混凝土界面應(yīng)變規(guī)律

典型試件的鋁合金板應(yīng)變分布規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，鋁合金板的應(yīng)變發(fā)展呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，荷載加載初期，界面的荷載-應(yīng)變呈線性變化，隨著荷載的增加，加載端附近的應(yīng)變?cè)龃?，但自由端附近的?yīng)變幾乎沒有變化，說明界面的應(yīng)力傳遞只發(fā)生在加載端附近。加載端的應(yīng)變隨荷載的增加而不斷增長(zhǎng)，且有效粘結(jié)長(zhǎng)度（界面的有效傳力區(qū)域）也在增大，此階段自由端應(yīng)變的增長(zhǎng)速率先增大后減小，而加載端應(yīng)變的增長(zhǎng)速率開始減小。當(dāng)荷載達(dá)到一定值后，鋁合金板界面的有效粘結(jié)長(zhǎng)度不再增加，在此傳力區(qū)域內(nèi)鋁合金板的應(yīng)變隨荷載的增加而增大，直至試件徹底發(fā)生剝離破壞。

考慮到試驗(yàn)過程中一些偶然因素的影響，將試驗(yàn)區(qū)鋁合金板的拉應(yīng)變作為判定條件，定義應(yīng)變大于鋁合金板極限拉應(yīng)變的5%作為有效發(fā)展測(cè)點(diǎn)，因此，由界面應(yīng)變的有效發(fā)展長(zhǎng)度可以確定出界面的有效粘結(jié)長(zhǎng)度，各試件有效粘結(jié)長(zhǎng)度見表3。由表3可知：1）有效粘結(jié)長(zhǎng)度隨鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而增加，但界面極限承載力不會(huì)隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而不斷增大，且不同參數(shù)的試件都存在一個(gè)有效粘結(jié)長(zhǎng)度。2）大部分試件的有效粘結(jié)長(zhǎng)度分布在80～120 mm之間，但鋁合金板的厚度會(huì)影響試件界面粘結(jié)剛度，過薄的鋁合金板會(huì)使界面裂縫提前出現(xiàn)，從而影響有效粘結(jié)長(zhǎng)度，因此，厚度為1 mm的鋁合金板試件有效粘結(jié)長(zhǎng)度小于80 mm。3）在鋁合金板厚度和粘結(jié)長(zhǎng)度一定的情況下，結(jié)構(gòu)膠的種類會(huì)影響有效粘結(jié)長(zhǎng)度，主要受結(jié)構(gòu)膠彈性模量的影響，有效粘結(jié)長(zhǎng)度隨結(jié)構(gòu)膠彈性模量的減小而增大。建議在工程加固時(shí)，選擇彈性模量較低的結(jié)構(gòu)膠和厚度較大的鋁合金板。

2.4 不同參數(shù)下鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律

2.4.1 不同粘結(jié)長(zhǎng)度下鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律

圖7給出了粘結(jié)長(zhǎng)度分別為100、150、200、250 mm時(shí)鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律。由圖7可知：在相同荷載下，應(yīng)變的增長(zhǎng)速率隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增大而減慢，表明粘結(jié)長(zhǎng)度越長(zhǎng)的試件應(yīng)力傳遞速度越慢。雖然各試件粘結(jié)長(zhǎng)度不同，但有效粘結(jié)長(zhǎng)度與上文提到的一致，有效傳力區(qū)域在80～120 mm之間。

2.4.2 不同厚度下鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律

圖8給出了厚度分別為1、2、3 mm時(shí)鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律。由圖8可知：在相同荷載下，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率隨鋁合金板厚度的減小而加快，主要原因是鋁合金板的剛度隨厚度的減小而減小，界面的應(yīng)力傳遞速度隨厚度的減小而加快。

2.4.3 不同結(jié)構(gòu)膠種類下鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律

圖9給出了不同結(jié)構(gòu)膠種類下鋁合金板的應(yīng)變規(guī)律。由圖9可知：采用Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的試件界面應(yīng)力傳遞最快，且試件的界面剝離承載力會(huì)高于另外兩種結(jié)構(gòu)膠，這是因?yàn)镾ikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的彈性模量最低，有效粘結(jié)長(zhǎng)度隨結(jié)構(gòu)膠彈性模量的減小而增大，最終界面剪應(yīng)力重分布提高了界面承載力。

2.5 不同參數(shù)下粘結(jié)界面剪應(yīng)力分析

試件界面的平均粘結(jié)剪應(yīng)力可由公式τi=tf·（dσ_fi）/dx=tf·Ef·（dε_(tái)fi）/dx計(jì)算得到（其中Ef為鋁合金彈性模量，tf為鋁合金板厚度），根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪出各級(jí)荷載下界面剪應(yīng)力分布規(guī)律，如圖10所示。由圖10可知：加載過程中界面的剪應(yīng)力從加載端向自由端傳遞，且每個(gè)試件都存在一個(gè)有效粘結(jié)長(zhǎng)度，當(dāng)超過有效粘結(jié)長(zhǎng)度，應(yīng)力將不會(huì)向自由端傳遞。

2.6 荷載-滑移演化規(guī)律

圖11為典型的荷載-滑移演變規(guī)律。界面的相對(duì)滑移可由固定在試件加載端和自由端的位移計(jì)測(cè)得，荷載-滑移曲線可反映界面的滑移總量，也可間接反映界面的粘結(jié)-滑移剛度。在加載過程中，相比加載端的滑移，試件自由端的相對(duì)滑移可以忽略不計(jì)。

由圖11可知，不同參數(shù)下鋁合金板-混凝土加載端荷載-滑移曲線可分為3個(gè)階段：1）線性增長(zhǎng)階段：該階段荷載較小，荷載-滑移曲線呈線性增長(zhǎng)。2）快速增長(zhǎng)階段：隨著荷載的增加，荷載-滑移曲線呈非線性增長(zhǎng)，加載端界面出現(xiàn)滑移。3）失穩(wěn)增長(zhǎng)階段：該階段荷載增加不大，但界面滑移急劇增加，加載端界面首先剝離，最終自由端剝離導(dǎo)致試件破壞。由圖11（a）可知，滑移量隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而增大。由圖11（b）可知，相比JN和HM-120結(jié)構(gòu)膠的試件，采用Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的試件極限滑移值最大，這是因?yàn)镾ikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠的彈性模量較低，有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性。由圖11（c）可知，滑移量隨鋁合金板厚度的增大而明顯降低，并且鋁合金板的厚度對(duì)試件的剛度有非常顯著的提高。

3 粘結(jié)-滑移模型討論

3.1 粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移量散點(diǎn)圖

局部粘結(jié)剪應(yīng)力可通過試件沿粘結(jié)長(zhǎng)度方向的微段單元受力平衡求得[17]。

τ_x=E_a t_a ?（dε_(tái)a）/dx （1）

式中：E_a為鋁合金板的彈性模量；t_a為鋁合金板的厚度；εa為鋁合金板的應(yīng)變。

界面i處的滑移值si可按式（2）進(jìn)行計(jì)算[17]。

s_i=[（ε_(tái)（x=0）+ε_(tái)i）/2+∑_（j=1）^（i-1）?ε_(tái)j ]Δx （2）

式中：ε_(tái)（x=0）為自由端x=0處的應(yīng)變值；εi為i點(diǎn)應(yīng)變；ε_(tái)j為j點(diǎn)應(yīng)變；Δx為相鄰應(yīng)變片之間的距離。

結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用式（1）和式（2）可以得到截面i處的局部剪應(yīng)力和滑移值。圖12為按照上述公式得到的粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移量散點(diǎn)圖。

由圖12可知：各試件的粘結(jié)-滑移曲線都具有上升段和下降段，且下降段的滑移值比上升段大；上升段曲線的斜率不斷減小，這是因?yàn)檎辰Y(jié)剪應(yīng)力從原點(diǎn)增加到峰值的過程中，粘結(jié)界面的損傷不斷發(fā)展，界面剛度隨之減弱。在相同的粘結(jié)長(zhǎng)度下，由于3種結(jié)構(gòu)膠的彈性模量不同，對(duì)界面的受力性能有一定影響，因此，采用不同結(jié)構(gòu)膠的試件會(huì)出現(xiàn)不同的峰值剪應(yīng)力。試件界面的峰值剪應(yīng)力、極限滑移值隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加有所增大。試驗(yàn)得出的粘結(jié)-滑移曲線呈明顯的上升段非線性特征和下降段塑性軟化行為，可采用分段曲線模式進(jìn)行模擬。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與不同粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型對(duì)比

粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系是分析鋁合金板-混凝土界面受力的基礎(chǔ)。而現(xiàn)有的雙直線模型[18]、雙曲線模型[19]、Nakaba模型[20]是FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中最具有代表性的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，采用這3種模型與本文及文獻(xiàn)[21]的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖13所示。

式中：n為回歸系數(shù)。

由圖13可知，在上升段，雙直線與雙曲線模型均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但在下降段，雙直線模型無(wú)法模擬界面塑性軟化行為，盡管雙曲線模型能夠體現(xiàn)界面塑性軟化行為，但與試驗(yàn)散點(diǎn)偏離較大。而Nakaba模型能很好地?cái)M合試驗(yàn)散點(diǎn)，建議采用Nakaba模型進(jìn)行鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算分析。

4 結(jié)論

1）界面分層破壞是因?yàn)殇X合金板界面光滑，采用該方法加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，建議對(duì)其表面進(jìn)行糙化處理。

2）界面剝離承載力隨鋁合金板厚度的增加而提高，工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)建議選用厚度不低于1 mm的鋁合金板，有效粘結(jié)長(zhǎng)度控制在80～120 mm之間。JN和HM-120結(jié)構(gòu)膠的界面剝離承載力低于Sikadur-30CN結(jié)構(gòu)膠，工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)建議選用彈性模量較低的結(jié)構(gòu)膠。

3）剝離承載力并不隨鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度的增大而無(wú)限提高，工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)建議將鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度控制在有效粘結(jié)長(zhǎng)度范圍。

4）低彈性模量的結(jié)構(gòu)膠有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性，試件的滑移量隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而增大，隨鋁合金板厚度的增加而降低，并且鋁合金板厚度對(duì)試件的剛度有非常顯著的提高。

5）Nakaba模型能很好地?cái)M合試驗(yàn)散點(diǎn)，建議采用Nakaba模型進(jìn)行鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算分析。

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（編輯 ?王秀玲）