混凝土疊合結構疊合面抗剪性能影響因素研究

劉成才

(鄭州工程技術學院 土木工程學院，河南 鄭州 450044)

1 概述

推行預制裝配式混凝土結構體系，是解決現澆混凝土結構環境污染大、噪聲嚴重、工人勞動強度大、工程質量波動大等問題的重要舉措，其中疊合樓蓋是提高裝配式建筑預制率和裝配率的重要措施。有關受彎疊合構件抗彎、斜截面抗剪結構性能研究已經相當成熟，但混凝土疊合面的抗剪性能研究相對較少，跨度大于4200mm以上的疊合板，不配置抗剪箍筋的自然粗糙疊合面可能發生剪切破壞[1-4]。混凝土疊合結構疊合面抗剪性能影響著疊合結構的安全性，需要進一步研究。

2 疊合面抗剪性能研究

2.1 疊合面抗剪破壞特征

疊合結構疊合面混凝土存在明顯的界面區，是抗剪的薄弱環節。在主拉應力作用下，疊合結構下邊緣受拉區混凝土首先開裂，繼續延伸到穿過疊合面發生彎曲破壞或剪壓破壞，或者延伸到疊合面水平發展形成剪切破壞。疊合面剪應力計算方法主要有截面平均剪應力、疊合面某一點最大剪應力、疊合面剪切試驗數據分析計算應力，而疊合面允許剪應力限值多有疊合面抗剪試驗數據分析而得[5-7]。

2.2 疊合面抗剪性能影響因素

疊合結構的斜裂縫發展到疊合面時,疊合面的受力狀態可以用桁架模型模擬(圖1)。上部受壓區混凝土受壓，下部縱筋受拉，裂縫間混凝土承受壓，箍筋承擔豎向拉力，裂縫間混凝土的黏結力、咬合力以及箍筋承擔水平剪力。通過對疊合結構疊合面抗剪桁架結構模型分析可以得到，疊合面抗剪承載力主要由混凝土的黏結力、疊合面粗糙度引起的咬合力、混凝土滑移趨勢下的靜摩擦或動摩擦力(疊合面上荷載產生的壓應力、箍筋拉應力垂直疊合面的分量產生的摩擦力)、箍筋的銷栓抗剪作用力等組成。混凝土疊合面抗剪影響因素主要包括疊合面粗糙程度、配箍率、混凝土強度、疊合面壓應力、疊合面主拉應力等。

圖1 疊合面抗剪模型

2.3 疊合面剪應力計算

2.3.1 疊合面平均剪應力

對于混凝土疊合受彎構件，彎矩極值點兩側的剪力反號，說明彎矩極值點兩側的剪切變形趨勢相反，考慮到疊合受彎構件疊合面破壞時混凝土已經進入到塑性狀態，隔離體選取長度應以支座、絕對最大彎矩點和零彎矩點為界限，劃分成若干剪跨區段(圖2)。

圖2 疊合受彎構件剪跨的劃分

疊合面抗剪計算隔離體取每一剪跨疊合面以上的現澆區域(圖3)。由于彎矩為零的截面處，混凝土受壓區壓應力為零，可以通過剪跨區內|Mmax|處疊合面以上的混凝土受壓區總軸力來求得疊合面的總剪力。疊合面抗剪承載力的設計目標應該是該破壞模式不應先于其他破壞模式出現，所以，極限破壞狀態時，混凝土的壓應力σ可用混凝土抗壓強度設計值fc替代。又因為水平受彎構件中，受壓混凝土的壓應力合力加上受壓鋼筋的壓應力的合力與受拉區鋼筋拉應力合力相等。利用水平投影平衡條件建立下式：

(1)

圖3 疊合面剪力計算隔離體

表1 疊合面平均剪應力分析

注：AP—試件的配筋面積；fptk—試件配筋的抗拉強度標準值。

2.3.2 疊合面最大剪應力的計算

疊合結構在線彈性階段，變形符合平截面假定，根據剪力互等定理，疊合面處剪應力等于與疊合面垂直相交處橫截面的剪應力。疊合面剪應力公式仍是：

τ=QS/bI

(2)

疊合結構開裂后，橫截面上的正應力并非線性分布，受壓區混凝土進入塑性狀態，通常假定受壓區混凝土均勻受壓，受拉區僅鋼筋承受拉力;根據剪應力是計算截面以上正應力的積分這個原則，可繪出橫截面應力分布如圖4。利用截面剪力的大小等于剪應力圖形面積的原則可知:

τmax=Q/bz

(3)

式中：z—受彎截面的力臂;b—受彎構件的寬度。

由于混凝土受壓區范圍內剪應力分布為線性，利用幾何相似性可知，疊合面處剪應力可按下式計算:

τmax=βQ/bz

(4)

式中：β—疊合面至受壓邊緣的混凝土受壓面積與混凝土總受壓面積的比值。

圖4 混凝土受彎構件的應力分布

3 疊合面抗剪試驗設計

疊合面抗剪強度影響因素實驗試件的設計主要考慮疊合面處理方式、混凝土強度、配箍率、疊合面壓應力等因素。試件由預制底層、現澆疊合層組成，預制底層、現澆疊合層尺寸均為150mm×150mm×75mm。混凝土設計強度預制底層為C40，疊合層為C20、C30、C40。疊合面處理方式為自然粗糙、4mm、6mm、8mm縱橫雙向壓痕四種。疊合面抗剪箍筋分為不配箍筋(ρsv=0%)、2φ6(ρsv=0.2512%)、4φ6(ρsv=0.5024%)、6φ6(ρsv=0.7536%)四種，其中ρsv為疊合面配箍率。疊合面壓應力為0MPa、0.007MPa、0.012MPa三種。不同條件試件每組各制作6塊，共432塊。抗剪試驗在鄭州工程技術學院結構試驗室1000kN電液伺服萬能試驗機上進行。

4 疊合面抗剪影響因素分析

4.1 混凝土強度

為了研究疊合面抗剪強度隨疊合層混凝土強度的變化規律，將不同疊合層混凝土強度疊合面抗剪強度試驗結果列于表2。由表2可以看出，疊合面的抗剪強度基本上隨后澆層混凝土強度的增加而增加。疊合面在沒有抗剪箍筋及壓應力作用時，抗剪承載力跟混凝土抗拉強度相關，即：

τu=βft

(5)

式中：β—疊合層混凝土強度影響系數。

表2 疊合面抗剪強度及β分析

各組試件實驗結果基本符合正態分布，計算出β平均值列于表2。當底層混凝土強度一定時，β值隨疊合層混凝土強度的提高而減小，但減小的趨勢隨混凝土強度提高有變緩的趨勢。具體變化規律需要增加實驗數據分析。文獻[1]試驗中，所有構件都是在跨中底板處先出現裂縫。疊合面破壞是由斜裂縫延伸到疊合面處，再沿疊合面開裂造成的，所以底板混凝土的強度等級對疊合面的抗剪強度起著重要作用。

4.2 疊合面處理方式

疊合結構的疊合面處理方法主要有自然粗糙和壓痕等。由表2可知，在一定的壓痕深度范圍內(≤8mm)，疊合面抗剪強度跟疊合面壓痕深度近似成正比例關系，但壓痕深度一般不宜超過10mm，過深將影響預制構件的強度和剛度。

4.3 箍筋特性

從不同配箍率試件的實驗結果可以得出，隨著疊合面配箍率的提高，疊合面抗剪強度均逐漸增大。實驗中箍筋與疊合面垂直，疊合面抗剪承載力由箍筋引起的增量計算公式為：

Δτus=μAsfy/Ach

(5)

式中：μ—箍筋對抗剪強度的影響系數。

依據式(5)計算出配箍率抗剪強度的影響系數μ列于表3。

表3 配箍率對疊合面抗剪強度的影響分析(單位：N/mm2)

由表3可知，配箍相同時，μ值隨疊合層混凝土強度的提高而提高，說明采用高強度混凝土對配箍疊合面抗剪是有利的。隨著配箍率的提高，疊合面抗剪強度提高，配箍率抗剪強度的影響系數μ呈現出減小的趨勢，說明疊合面抗剪箍筋也存在最小配箍率和最大配箍率。文獻[5]研究表明配箍率抗剪強度的影響系數μ應該接近1左右，本文實驗中，疊合面配置抗剪鋼筋2φ6(ρsv=0.2512%)時，箍率對疊合面抗剪強度的影響系數μ平均值為1.143，比較符合適筋破壞的特征；箍筋配置4φ6(ρsv=0.5024%)時，箍率對疊合面抗剪強度的影響系數μ平均值為0.792，箍筋強度沒有得到充分利用；箍筋配置6φ6(ρsv=0.7536%)時，箍率對疊合面抗剪強度的影響系數μ平均值為0.570，破壞時混凝土被壓碎，箍筋沒有屈服屬超筋破壞。根據配箍筋2φ6和4φ6時的疊合面抗剪強度的影響系數，插值計算箍率對疊合面抗剪強度的影響系數μ為1時的配箍率為ρsv=0.3535%。所以，受彎疊合結構配箍率在0.15%～0.35%應該比較合適，但需要進一步補充實驗數據驗證。

4.4 疊合面的壓應力

垂直于疊合面的壓應力一般包括抗剪箍筋垂直于疊合面的分量、底板和疊合層之間的黏結力和垂直于疊合面的荷載產生的壓應力。前二者在各國規范中已經考慮，但對于垂直于疊合面的荷載產生的壓應力具有一定的隨機性，工程應用時建議按最不利的狀態考慮。混凝土強度、疊合面粗糙度相同時(表4)，隨著疊合面壓應力的增加，疊合面抗剪強度均逐漸增大。主要原因是疊合面壓應力提高，摩擦力逐漸增大。

表4 疊合面壓應力對疊合面抗剪承載力的影響

4.5 動荷載

疊合結構在動荷載的作用下,會產生雙向裂縫，使箍筋與混凝土之間的黏結力發生疲勞破壞。因此動荷載的作用會使疊合面抗剪承載力降低，具體影響程度需要進一步做疊合結構的動載試驗研究。

4.6 疊合面位置

疊合面剪切破壞主要由于主拉應力超過了疊合面抗拉強度造成的。在設計預制構件和疊合層高度時，盡量使疊合面位于受壓區或中和軸附近，可以減少混凝土疊合面的拉應力，提高疊合面的抗剪性能。疊合面的位置可以用預制截面高度h1與疊合后截面總高度h之比αh=h1/h來表示,當αh≥0.6時疊合面抗剪較有利[5]。

4.7 跨高比

為了分析跨高比對疊合結構疊合面抗剪性能的影響，將文獻[1、2]試驗結構列于表5進行對比分析。10個試件混凝土強度等級、疊合面處理方式、疊合面位置基本相同，主要是跨度和跨高比不同。試驗中除文獻[1]中YDB-B4800、YDB-B5400、YDB-B6000發生了沿疊合面剪切破壞，其他試件都是發生彎曲破壞。10個試件的跨高比變化幅度為18.9～31.2，隨著跨高比增大，除試件YDB-B5400由于疊合面提前發生剪切破壞撓度沒有得到充分發展外，試件撓度逐漸增大，變化幅度為14.6mm～122mm，撓跨比也逐漸增大，變化幅度為1/210～1/39；疊合面剪應力值逐漸變小，變化幅度為0.88N/mm2～0.52N/mm2，但都大于等于0.4N/mm2。隨著跨高比的增大，試件撓度增大，疊合面抗剪性能降低，不配箍筋疊合板當跨度大于4200mm時有可能發生疊合面剪切破壞。

表5 跨高比對疊合面抗剪性能的影響

5 結論及建議

5.1 混凝土疊合面的抗剪強度基本上隨后澆混凝土強度的提高而增加，β值隨疊合層混凝土強度的提高而減小。

5.2 疊合面抗剪強度跟疊合面壓痕深度近似成正比例關系，但壓痕深度一般不宜超過10mm，過深將影響預制構件的強度和剛度。

5.3 在適當的配箍率范圍內，隨著配箍率的提高，疊合面抗剪強度提高。本項目研究得出配箍率在0.15%～0.35%比較合適，仍需要進一步補充實驗數據驗證。

5.4 隨著跨高比的增大，試件撓度增大，疊合面抗剪性能降低，不配箍筋疊合板當跨度大于4200mm時有可能發生疊合面剪切破壞。