新老混凝土結合面抗剪性能試驗研究與分析

薛倩倩 盧永飛 施洪康

（西北民族大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730124）

為克服鐵路運能和運量的矛盾，中國鐵路經過 6次大規模提速，早期的提速試驗結果表明鐵路中小跨度橋梁普遍存在橫向振動過大的問題[1]，其一個重要的原因是橋墩橫向剛度不足，針對此問題常常采用鋼筋混凝土套箍加固技術，該技術能夠增大橋墩的剛度和強度。鋼筋混凝土套箍加固技術主要是通過沿原有橋墩的環向增設新的鋼筋混凝土套箍層，這樣不可避免地要涉及到新老混凝土結合面處理的問題，其結合面是最薄弱部位，影響甚至決定加固結構的承載力。而結合面的抗剪性是檢驗新結構承載性的最重要指標[2]。因此研究結合面的抗剪性能對結構有重要意義。孫昊比較了加固結合面的兩種方式--植筋和開槽得出植筋的抗剪性能要高于開槽[3]，且對結合面植筋滿足現行加固規范和不滿足規范的植筋深度以及開槽進行研究[4]，王振領等也對是否滿足現行加固規范的植筋深度以及結合面界面劑進行研究[5]，但實際工程加固的植筋深度都滿足規范要求，因此有必要研究均滿足規范要求下的不同植筋深度對結合面抗剪性能的影響。此外在設計中，往往涉及鋼筋直徑的選擇和植筋間距的選擇。因此有必要開展以上三方面的研究，為實際設計提供良好的解決方案。

1 試驗設計

1.1 試件制作

為了新混凝土和老混凝土形成對比，應使新老混凝土的配合比一致，從而使新老混凝土的強度基本一致，采用新老混凝土強度為C50，其配合比如表1。采用如圖1所示的Z字形試件進行新老混凝土結合面抗剪性能的試驗，在標準養護室養護28天。采用如圖2所示的加載方式，使新老混凝土結合面的受力狀況接近實際截面的受剪力的受力狀況。

表1 新老混凝土配合比

本實驗共采用6個試件。采用的鋼筋直徑為10mm和12mm，考慮到GB50367－2013第 15.3.1[6]條對于植筋的基本錨固深度要求，采取的最小植筋深度不小于120mm，故選擇120mm、140mm、160mm、180mm四種植筋深度。試件具體尺寸及相關參數如表2，處理示例如圖3。

圖1 Z字形構件圖

圖2 加載裝置

1.2 試驗方法

本次試驗在萬能壓力機上進行，實驗過程中密切關注位移、裂縫、荷載和應變的關系。首先對試件進行預加載，正式加載采用逐步分級加載，每級加載完成后穩定5min，然后再進行下一級加載，具體加載過程如圖4。

表2 新老混凝土結合面抗剪試驗試件設計參數

組別 鋼筋直徑/mm 鋼筋間距/mm 植筋深度/mm 2-1 φ12 150 160 2-2 φ10 150 160 3-1 φ12 150 140 3-2 φ12 200 140

圖3 試塊1-1新老混凝土結合面植筋處理

圖4 試件加載圖

2 結合面抗剪性能的試驗分析

2.1 結合面抗剪分析

不植筋的新老混凝土結合面往往是抗剪的薄弱環節，其全部抗剪性能均由混凝土本身的粘結和機械咬合力提供，一旦達到其破壞荷載，即開裂荷載，混凝土因開裂導致結合面面積減小，應力進一步增大，最終導致結構破壞，從開裂到破壞過程短，無明顯征兆，屬于脆性破壞。

針對新老混凝土植筋結合面，歐洲規范[7]對混凝土結合面抗剪設計考慮四方面的抗剪機制，即粘結及骨料咬合、庫倫摩擦、鋼筋銷栓效應和鋼筋夾壓效應。其中粘結及骨料咬合由混凝土自身提供，后三項均與鋼筋有關。因此，植筋有助于新老混凝土結合面抗剪。

2.2 試驗結果

新老混凝土結合面不同植筋情況的實驗結果見表3。

表3 新老混凝土結合面試驗結果

2.3 新老混凝土植筋結合面破壞特征

2.3.1 破壞特征

階段一：混凝土未開裂，結合面全截面抗剪階段。加載初期，由于荷載較小，結合面抗剪能力完全由混凝土的粘結及骨料咬合提供。

階段二：混凝土開裂，裂縫開展階段。當荷載達到開裂荷載時，結合面出現微小的豎向裂縫。隨著荷載增大，混凝土逐漸退出工作，但由于鋼筋的存在，大大減緩了裂縫的開展以及新老混凝土塊之間的位移。隨著荷載的進一步增大，裂縫也隨之增大，隨后試塊發生了相對的位移，同時在結合面周圍產生許多的斜裂縫。

第三階段：破壞階段。加載至破壞荷載時，結合面混凝土碎裂，結合面破壞，新老混凝土塊之間的位移進一步增大，但由于植筋的緣故，新老混凝土塊未完全分離（圖5）。

2.3.2 裂縫開展過程

結合試驗破壞過程和荷載-裂縫圖（圖6），在達到開裂荷載之前，結合面全截面抗剪，混凝土未開裂。隨著荷載增大到開裂荷載，混凝土出現豎向裂縫，一開裂混凝土裂縫寬度迅速開展，這是由于原先由混凝土粘結及骨料咬合承受的力卸載給鋼筋承受，使得鋼筋在短時間內發生較大的變形，混凝土塊發生較大的錯動，裂縫開展到一定寬度，試件達到新的平衡。進入裂縫開展階段，隨著荷載的增大，裂縫發展較緩慢，混凝土塊之間逐漸脫空、發生相對位移，試件表面出現斜裂縫。當荷載達到開裂荷載時，試件裂縫迅速開展，并且發生明顯的位移，試塊被破壞，但是新老混凝土沒有發生脫離，鋼筋發生明顯的變形但沒有被拔出，破壞過程明顯，試塊發生延性破壞。

圖5 最終破壞圖

圖6 試塊2-2荷載-裂縫

2.4 不同植筋情況對結合面抗剪的影響分析

2.4.1 不同植筋深度的影響

植筋對于結合面抗剪性能有顯著的影響。從圖7可看出,隨著植筋深度的增加，破壞荷載先增大后減小，植筋深度140mm（11.7d）的抗剪強度是植筋深度120mm（10d）的1.18倍，植筋深度160mm（13.3d）的抗剪強度是植筋深度140mm（11.7d）的1.05倍，而植筋深度180mm（15d）的抗剪強度接近植筋深度120mm（10d）。因此，在加固設計中不能一味地追求增大植筋深度來提高抗剪性能，較大的植筋深度反而會降低抗剪性能，這既不能達到增強抗剪性能的目的，也造成了材料的浪費和經濟的損失。

2.4.2 不同鋼筋直徑的影響

從實驗數據可以看出，鋼筋直徑與抗剪強度呈負相關，鋼筋植筋越大，試件抗剪強度越低，直徑為10mm的鋼筋的抗剪強度為植筋為12mm的1.3倍。顯然，在結合面抗剪方面，鋼筋的直徑效應明顯不同于梁的抗彎和柱的抗壓等，因此為獲得更大的抗剪強度和更好地延性，應選偏小的直徑。

2.4.3 不同直徑間距的影響

直徑間距直接決定鋼筋的數量，對結合面抗剪有顯著地影響。植筋間距為150mm的抗剪強度是植筋間距間距為200mm的1.23倍，隨著直徑間距的減小，相應的植筋率也增大，結合面抗剪能力有顯著地提高。因此在設計時，應增大植筋率。

圖7 抗剪強度隨植筋深度變化圖

3 結論

通過六組不同植筋情況的破壞過程和破壞荷載的對比分析，可以得到：

植筋深度在滿足現行加固規范中的大于等于10倍鋼筋植筋的要求下，植筋深度不應超過15倍鋼筋植筋。在此范圍內抗剪強度隨植筋深度增加而增加，且隨著植筋深度增加其提高程度越小。植筋深度超過15倍鋼筋植筋時，抗剪強度急劇下降。無特殊要求時建議植筋深度不超過13倍的鋼筋直徑。

在采用植筋方式進行加固設計時，結合面應在滿足現行規范的最小植筋率的情況下，采取較小的鋼筋直徑和較小的鋼筋間距，以在一定范圍內更好地提高新老混凝土結合面的抗剪能力。

[1]蔣超. 采用粘滯阻尼器抑制中小跨度鐵路鋼橋橫向振動的研究[D].燕山大學,2010.

[2]靳利娜,王山山,任青文,梅明榮.新老混凝土結合面抗剪性能試驗研究[J].實驗力學,2014.

[3]孫昊.套箍技術加固既有鋼筋混凝土拱橋的試驗研究[D].西南交通大學,2011.

[4]孫昊,錢永久.植筋與開槽的新老混凝土結合面抗剪性能試驗分析[J].混凝土,2012.

[5]王振領. 新老混凝土粘結理論與試驗及在橋梁加固工程中的應用研究[D].西南交通大學,2007.

[6]GB 50367-2013.混凝土結構加固設計規范 (附條紋說明)[S]. 2013.

[7]劉文政,崔士起.CEB-FIB預制混凝土構件接縫抗剪機理研究綜述[J].建筑技術,2015.