新舊混凝土界面雙面直剪性能尺寸效應試驗研究

吳二軍,劉 謙,胡雨晴

(1.河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京 210098;2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司,浙江 杭州 310012)

研究表明,混凝土強度存在顯著的尺寸效應,表現為:尺寸越大,平均強度越小。工程設計中,特別是大尺度構件,所取材料力學性能參數如果不考慮尺寸效應,無疑將高估結構的承載能力,帶來安全隱患。過去幾十年中,尺寸效應機理及其定量評估得到國內外多位學者關注并開展了研究。Kani[1]對截面高度在150～1 220 mm之間的幾何相似的無腹筋鋼筋混凝土梁進行受剪試驗,發現鋼筋混凝土簡支梁在梁高方向(剪力作用方向)尺寸效應顯著,但強度變化與寬度無相關性。Chana[2]完成了36根截面高度在150～750 mm之間的鋼筋混凝土簡支梁受剪試驗,得出相似結論。Shioya等[3]開展了最大截面有效高度為3 000 mm的無腹筋簡支梁受剪試驗,發現其受剪強度隨截面高度的增加而明顯減小。于磊等[4-5]對截面尺寸為600 mm×1 200 mm的無腹筋鋼筋混凝土梁進行受剪試驗,發現大尺寸無腹筋鋼筋混凝土梁的受剪承載力存在明顯的尺寸效應。Weibull[6]基于最弱鏈假定提出統計尺寸效應理論。Bazant[7]基于裂縫帶模型提出了尺寸效應律公式。Carpinteri等[8]基于分形自相似的概念,提出了多重分形尺度律公式。Hu等[9]基于邊界效應模型提出邊界尺寸效應理論,認為不同尺寸裂縫會對斷裂失效的混凝土試件名義強度造成影響。《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[10]也規定了一般板類受彎構件斜截面受剪承載力計算時,應考慮尺寸效應,并分別建議了形式基本相同的考慮截面高度的尺寸效應系數。

隨著既有建筑物加固改造工程的日益增加和預制裝配式建筑的興起,新舊混凝土界面受力性能成為土木工程領域研究熱點問題之一。由于界面影響因素眾多,以及問題的復雜性,自20世紀60年代至今,眾多學者進行了大量研究,但至今仍未成熟。研究內容涉及界面處理方式、界面粘結方式的參數影響規律、界面粘結機理與界面受剪強度的計算公式等方面[11-17],然而至今鮮見涉及新舊混凝土界面受剪性能尺寸效應的相關研究。毋庸置疑的是,實際工程中的新舊混凝土界面尺度通常遠大于試件界面尺度,采用小尺度試件得到的界面強度用于大尺度試件的設計,顯然增大了結構的失效概率。

1 試驗方案

1.1 試件設計

本文選取了操作簡單、最接近實際工程中界面工作狀態的雙面直剪試驗開展研究,試件形狀和尺寸如圖1所示。共設計制作2組6個整澆試件和8組33種44個新舊混凝土雙面直剪試件,變量除了界面尺度外,界面切鑿方式、橫向約束、混凝土強度也作為影響參量進行分析。所有試件以平均凹凸深度10 mm作為鑿毛控制目標,試件的界面處理方式有機械鑿毛、人工鑿毛和規則齒槽三種,界面處理效果如圖2所示。試件編號和參數參見表1。

圖1 雙面直剪試件形狀示意圖(單位:mm)

圖2 雙面直剪試件形狀示意圖

表1 新舊混凝土界面雙面直剪受剪性能尺寸效應試驗試件參數

1.2 試驗裝置

雙面直剪試驗裝置如圖3所示,為了對界面施加橫向約束和預壓力,設置了簡單的約束裝置,包括:四個水平螺桿、兩端的約束鋼板和螺母。其中,右側的約束鋼板為雙鋼板,之間安裝一個力傳感器。通過依次多輪旋緊螺母,可得到比較均勻準確的界面壓力。

注:1—反力架;2—上壓板;3—下壓板;4—油缸;5—對拉螺桿;6—四角帶22 mm螺栓孔鋼板;7—位移計;8—測點觸板;9—分配鋼板;10—上墊塊;11—下墊塊;12—輔助墊塊;13—荷載傳感器。

豎向荷載采用2 000 kN壓力試驗機自動加載,首先采用位移-時間控制,以0.1 mm/s勻速上升至預壓荷載5 kN,消除試驗裝置縫隙。正式加載階段,采用力-時間控制,加載速度為0.2 kN/s。

1.3 觀測內容及方法

觀測內容包括:受力過程與破壞形態、時間-滑移關系曲線、時間-荷載關系曲線。時間-荷載數據通過電液萬能試驗機的配套控制系統采集,時間-滑移數據通過靜態數據采集儀和電子位移計采集。數據測得后,對時間-荷載曲線和時間-滑移曲線進行二次處理,得到剪力-滑移曲線;基于剪力-滑移曲線,得到試件開裂、裂通和破壞三個特征狀態時的滑移、荷載和應力;換算得出剪應力-滑移曲線。

2 試驗結果

2.1 試驗現象

試件表現為兩類破壞形式:雙面破壞和單面破壞,如圖4所示。前者現象為:左右界面下部先后出現豎向貫穿裂縫,最后在同一級荷載突然破壞;后者現象為:一側界面先出現豎向貫穿裂縫后脫開,另一側始終粘結良好。這種現象顯然是由于兩側受力或界面強度的不對稱性造成的。

圖4 試件典型破壞形態

設置橫向約束可顯著降低界面不對稱影響,并提高界面受剪破壞時的延性。試驗中,75%的無側向約束試件的破壞形態是單側開裂;而施加有橫向約束的試件中,81.25%發生雙側開裂。抗剪界面尺寸小的試件,受不對稱荷載時的敏感性越高,越容易發生單側開裂破壞。

從界面的最終破壞形態來看,無約束雙剪構件的界面表現為粘結失效脫開。而有約束試件隨著約束應力的增加,摩擦咬合作用增強,表面可看到剪切引起的碎屑脫落。整澆試件則表現為明顯的斜壓破壞特征。

2.2 剪應力-滑移(-s)曲線

圖5 各組試件的-s曲線

對于有約束試件,曲線類型則較為復雜,可分為四種類型。第一種:圖5(e)為單調增長曲線,單面破壞時測得。如進行界面滑移剛度分析,這些構件可納入統計范圍,但如果進行強度分析,顯然低估了界面的受剪能力,建議舍去。第二種:圖5(f)的曲線出現在界面上預加壓力條件下,界面開裂滑動時,突然應力釋放,荷載降低;隨后,形成新的界面凹凸咬合并逐漸擠緊,剛度增加,強度提高。第三種:圖5(g)(i)為較低強度時發生幾次鋸齒形震蕩后,抗剪強度增加,這種情況發生在無預應力界面約束條件下,是界面開始局部滑脫的典型表現。第四種:圖5(h)曲線發生在規則齒槽界面,表現為破壞前高應力震蕩,隨后破壞。這種破壞開始于齒槽的先后剪斷開始。

2.3 界面特征點應力和滑移

從圖5曲線中提取各轉折特征點應力和位移,得到圖6和圖7所示的曲線。其中同一種編號有多個試件時,取平均值。

圖6 無橫向約束組特征點應力

圖7 不同界面處理方式下有橫向約束試件的特征點應力和滑移

由圖6可以看出:無橫向約束時,機械鑿毛試件在剪力作用方向上各性能參數存在明顯的尺寸效應,隨界面高度增大,特征點應力減小,極限應力增大1.6倍,滑移值也隨界面高度的增加而增加,在寬度方向則影響不明顯。分析認為,這種現象表明了界面剪應力分布的顯著不均勻性,界面不同位置開裂、破壞不同時發生,界面高度越大,完全破壞時相對滑移值越大,平均應力越低。

由圖6可以看出:無約束人工鑿毛試件中界面高度為400 mm試件極限應力明顯偏高,檢查破壞面后發現鑿毛粗糙度略大。其他各性能參數的尺寸效應并不明顯,分析認為是試驗系統的離散性遠遠大于尺寸效應干擾所致。對于有橫向約束試件,除個別數據異常外,其特征點應力均呈現隨界面高度增大而減小的尺寸效應現象,極限剪應力增幅高達1.6倍,但特征點滑移則不明顯,參見圖7。

3 抗剪強度的參數影響規律

3.1 界面抗剪強度折減系數

研究表明,新舊混凝土界面強度顯著低于整澆試件的直剪強度。以與新舊混凝土界面中較低強度混凝土整澆試件的抗剪強度為基準,定義新舊混凝土界面抗剪強度與整澆試件直剪強度的比值為界面抗剪強度折減系數,圖8為各組試件的強度折減系數分布情況。

圖8 各組試件的強度折減系數

3.2 參數影響分析

3.2.1 界面處理方式影響

從圖8可以看出,界面無約束時,人工鑿毛試件的抗剪強度的強度折減系數隨尺寸增大變化不大,范圍為0.347～0.364,顯著高于機械鑿毛試件的界面抗剪強度,其范圍在0.1～0.22之間;界面存在預應力約束時,規則齒槽界面的性能明顯優于鑿毛試件,人工鑿毛和機械鑿毛相差不大。

3.2.2 施加約束和預應力的影響

對比無約束試件,有約束試件的強度折減系數增大了2～2.5倍以上;對比有無預應力的兩組帶界面約束試件,發現施加預應力對強度折減系數影響并不明顯,這表明本試驗中各組試件破壞時,界面凹凸咬合效應遠遠大于摩擦效應。對比兩組試件的開裂應力,發現預應力施加能顯著提高開裂荷載。

3.2.3 混凝土強度的影響

JL(A)、JL(B)兩組試件的試驗結果表明,隨著混凝土強度的提高,界面抗剪強度提高,但其強度折減系數是下降的。

3.2.4 界面寬度的影響

試驗結果表明,界面寬度的增加對抗剪強度的影響很小,可以忽略其影響。

4 界面抗剪強度尺寸效應系數和界面承載力計算

以界面高度為200 mm雙剪試件的抗剪強度為基準,定義各試件界面抗剪強度換算系數為尺寸效應系數,參見表2。

表2 新舊混凝土界面雙面直剪抗剪強度尺寸效應系數

新舊混凝土界面雙面直剪抗剪強度可表達為

τ≤βwβhft

(1)

(2)

式中,βw為新舊界面處理方式影響系數;βh為尺寸效應系數,φ1為尺寸效應敏感性系數;ft為舊混凝土軸心抗拉強度實測值,本試驗中舊混凝土強度為C30時,實測ft=2.65 MPa。

根據試驗結果擬合曲線如圖9所示,擬合得到的βw列入表3中,不同組φ1差別很小,約為0.45。受剪承載力試驗值、計算值及誤差見表4。

圖9 雙剪試件受剪承載力擬合曲線

表3 擬合公式參數取值

表4 抗剪強度試驗值、擬合值結果對比

最終得到的新舊混凝土雙剪試件受剪承載力計算推薦公式:

(3)

(4)

(5)

5 結論

本文主要介紹了新舊混凝土尺寸效應雙面直剪試驗現象,并對試件破壞形態,荷載-滑移曲線以及試件各項特征值進行匯總并分類介紹,對試件極限應力的尺寸效應及其受橫向約束形式、鑿毛形式、新舊混凝土強度組合的影響進行了詳細分析,主要結論如下:

1)試驗中出現2類典型的受剪破壞形態,單側破壞和雙側破壞。單側破壞由兩側受力或界面強度的不對稱所致,設置橫向約束可降低界面不對稱影響。

2)界面寬度一定時,界面高度增加,雙剪試件極限應力逐漸減小,存在明顯的高度方向上的尺寸效應現象,開裂應力、裂通應力以及滑移的尺寸效應規律不明顯;界面寬度的增加對抗剪強度的影響很小,可忽略其影響。

3)定義新舊混凝土界面抗剪強度與整澆試件直剪強度的比值為界面抗剪強度折減系數,無橫向約束條件下,人工鑿毛試件強度折減系數隨尺寸增大變化不大且顯著高于機械鑿毛試件;有橫向約束條件下,規則齒槽界面性能明顯優于鑿毛試件,人工鑿毛和機械鑿毛相差不大。

4)施加橫向約束可提升界面強度。施加預應力對強度折減系數影響并不明顯,但可顯著提高開裂荷載,這可能是預應力施加較小造成的。

5)采用高一級新、舊混凝土組合可增加試件裂通應力和極限應力,但提升有限。

6)對于機械鑿毛目標鑿毛深度10 mm的新舊混凝土雙剪試件,受剪承載力按下面式子計算: