新舊混凝土結合面抗剪計算方法研究

瞿慎俊 （大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116011）

0 引言

隨著國家建設的推進，我國已經建成并留存了大量的建筑，在這些建筑中，鋼筋混凝土結構建筑占據相當大的比重。為貫徹落實城鄉建筑的可持續發展理念，推動建筑業高質量發展，保護環境，對既有混凝土結構進行改造再利用有著十分重要的意義。同時，伴隨著現代工程技術的不斷革新，新材料和新工藝的研究及應用，結構加固的方法越來越多，結構加固也受到相關部門和社會大眾的廣泛關注。

在實際加固工程設計及施工過程中，因混凝土不同時期澆筑，導致新舊混凝土結合面形成了一個抗剪的薄弱面，此抗剪薄弱面的剪力傳遞性能直接關系到改造結構的安全，也越來越受到結構工程師的關注。但在結構加固時，由于影響界面抗剪承載力的因素頗多，破壞形態復雜多樣，導致對既有混凝土結構構件與改造的混凝土構件或新增混凝土構件的連接界面的剪切破壞機理認識不足，國內外的規范標準、設計計算手冊中的抗剪計算方法、公式也不盡相同。要使加固后的新舊混凝土構件發揮足夠的強度，就必須保證剪力在此交接面上能夠可靠地傳遞，因此了解界面抗剪的傳遞機理和對其合理設計顯得特別重要。

1 界面抗剪機理分析

新舊混凝土構件連接界面的抗剪力構成比較復雜，目前國內外的研究學者普遍認為主要由以下幾部分組成：新混凝土澆筑時與原混凝土之間因水泥水化反應產生的粘結力、新舊混凝土之間產生裂縫后的接觸摩擦力、因植筋（縱向受力鋼筋、側面構造鋼筋、界面抗剪鋼筋、界面分布鋼筋等）產生的銷栓作用力。

根據國外Mast和Birkeland學者的研究：新舊混凝土連接時，因外荷載、混凝土自身的收縮及施工等因素，在承受剪力之前，新舊混凝土界面之間就形成了微裂縫，故不考慮新舊混凝土之間的粘結作用，提出了摩擦抗剪模型。該模型認為當承受剪力時，因裂縫面之間的凹凸不平和不規則性，沿裂縫滑移時會伴隨著裂縫面的分開。在極限情況下，這種分開的位移量足以使通過裂縫的鋼筋屈服，鋼筋會提供通過裂縫面的拉應力σ。而隨著裂縫面的滑移會在混凝土上產生相應的壓應力σ，從而產生了摩擦抗剪強度V=μ·σ。于是外加的剪力由裂縫面之間的摩擦、由裂縫面上突出部分的受剪和由通過裂縫的鋼筋銷栓作用承受。在界面鋼筋具有足夠錨固長度和配筋適量的情況下，當界面鋼筋中的拉應力達到鋼筋的屈服強度時，認為新舊混凝土界面發生抗剪破壞。

影響摩擦抗剪承載力的因素較多，主要包括：剪切平面的粗糙度、界面連接鋼筋的特性、外荷加載方式等。

1.1 剪切平面的粗糙度

剪切平面的粗糙度對新舊混凝土界面的抗剪承載力影響顯著，剪切表面越粗糙、抗剪強度越大，試驗表明，其界面的抗剪承載力與現澆構件的承載力幾乎一樣。因為剪切面越粗糙，其摩擦系數也就越大，相應的摩擦抗剪承載力也就越高。

1.2 界面連接鋼筋的特性

界面連接鋼筋的數量、強度、間距會顯著影響新舊混凝土界面的抗剪承載力。從摩擦抗剪模型可知，鋼筋的銷栓作用是組成界面抗剪力的組成部分。另外，在其他條件適宜的情況下，界面鋼筋的屈服是直接控制抗剪破壞的主要因素。故提高界面連接鋼筋的配筋率和強度會顯著改善界面的抗剪承載力，但是根據Mattock等的試驗結果顯示：在保持界面連接鋼筋的配筋率和強度不變的條件下，隨著鋼筋直徑的增加剪力傳遞強度有所下降。在粗糙剪切面中，界面鋼筋主要承受拉力。增加剪力傳遞鋼筋的直徑會使得鋼筋表面與混凝土之間的粘結力增加，從而增大兩者之間的相對滑移和剪切面的裂縫寬度，使得裂縫面兩側凹凸不平的骨料之間的機械咬合作用減弱，從而使得界面的剪力傳遞強度有所下降。

1.3 外荷載的加載方式

加載方式對界面抗剪承載力也有十分明顯的影響，Walraven等通過試驗得出：采用重復加載或持續加載對連接界面的抗剪能力的影響都不明顯。但是Mattock和 Tsoukantas等通過試驗得出：單調循環反復荷載會降低連接界面的抗剪能力，而且初始縫寬越大、循環加載次數越多、外荷載越大，其界面抗剪承載力降低也就越多，這主要是因為循環反復荷載降低了界面連接鋼筋和混凝土的粘結強度，削弱了裂縫面的粗糙度，從而導致骨料的咬合程度和摩擦力降低，最終抗剪承載力下降。

2 界面抗剪承載力的設計方法介紹

2.1 廣東規范DBJ/T 15-182-2020（備案號J15080-2020）

廣東規范DBJ/T 15-182-2020（備案號 J15080-2020）第 6.2.3規定，當混凝土連接界面僅受剪力作用時，混凝土連接界面應按下列規定驗算受剪承載力：

廣東規范DBJ/T 15-182-2020結合地區的工程經驗，根據剪切摩擦模型和試驗數據，通過回歸分析提出了新舊混凝土連接界面的受剪承載力計算公式。公式中對于鋼筋強度采用不大于三級鋼的數值，主要是因為缺乏相關高強鋼筋的試驗數據。在計算連接面的受剪承載力時偏安全的只考慮了連接界面的抗剪鋼筋的作用，和美國規范的抗剪公式較為接近。

2.2 美國規范ACI318-19

美國規范ACI318-19第22.9條規定：根據摩擦抗剪理論，對于存在的裂縫面或可能出現的裂縫面，或不同材料的界面，或不同澆筑時期的混凝土交接面上，應按照第22.9.3～4條規定，計算混凝土連接界面的極限抗剪承載力：

美國規范ACI318-19根據摩擦抗剪機理，以抗剪鋼筋屈服后的拉力對界面產生的壓力摩擦作用估計抗剪承載力，計算公式比較簡單，便于設計使用。

2.3 歐盟規范PrEN-1992-1-1(July 2002)

歐盟規范PrEN-1992-1-1第6.2.5條規定：根據摩擦抗剪理論，對于不同澆筑時期的混凝土交接面上，綜合考慮摩擦抗剪作用和鋼筋的銷栓作用，混凝土連接界面的極限抗剪承載力應滿足下式：

歐盟規范PrEN-1992-1-1根據修正的摩擦抗剪模型，其計算公式中考慮了鋼筋和混凝土的綜合抗剪作用，同時又考慮了軸向力對抗剪性能的影響，屬于考慮因素較全面的表達式。

3 設計方法比較

截至目前，各國學者對新舊混凝土界面抗剪機理進行了比較多的試驗和研究，但由于在試驗及研究中所采用的試驗手段、計算假定及分析模式不盡相同，導致最后提出的抗剪承載力的計算模型也有差異。

以矩形梁300×700，混凝土采用C35，箍筋采用φ8@200（2），抗剪側面鋼筋采用6φ14，暫不考慮縱向受力鋼筋的有利作用，則采用上述三種方法計算的結果如上表（本算例鋼筋均為三級鋼）。

新舊連接界面抗剪承載力計算對比

通過對比可知：廣東規范計算的新舊界面抗剪承載力最小，美國規范計算值次之，歐盟規范最大。分析可知廣東規范、美國規范只考慮了摩擦抗剪的機理，以抗剪鋼筋屈服后的拉力對界面產生的壓力摩擦作用估計抗剪承載力；相比歐盟規范考慮因素全面，采用修正的摩擦抗剪模型，綜合考慮了摩擦抗剪和鋼筋的銷栓作用。

4 結論及建議

本文通過對部分國家規范中新舊混凝土結合面的抗剪承載力計算方法的比較，得出以下結論及建議：

①因各國及各個行業所采用的抗剪界面承載力計算公式不同，得出的計算結果也會差異較大；

②界面抗剪承載力計算公式應能綜合考慮裂縫間的接觸摩擦力，鋼筋的銷栓作用力；

③建議加強軸向壓力對抗剪承載力有利作用的研究，探究其機理，提出相應的計算公式；

④對往復荷載（比如地震作用）下，界面的抗剪機理也應投入相應的研究，提出相應的計算公式。