加勁鋼板與混凝土黏結面抗剪性能研究

摘" 要" 為研究預應力混凝土梁加固所用的外貼加勁鋼板與混凝土黏結面的抗剪性能，開展了鋼混黏結面推出試驗及有限元分析。通過推出試驗測得黏結面的剪力-位移曲線、抗剪強度和破壞形態。對比有、無加勁肋試件的抗剪強度，得出加勁肋對黏結面剪切受力性能的影響。通過參數化分析，得出影響黏結面抗剪性能的關鍵設計參數。研究結果表明，加勁鋼板與混凝土通過A級膠相連的抗剪黏結強度約為2 MPa，極限滑移變形約為0.2 mm，膠黏層與鋼板剪切粘結失效為其破壞模式。將黏結強度由2 MPa提高至4 MPa，黏結面抗剪強度提高約38%，提高黏結強度可改善黏結面抗剪性能。加勁肋會增大黏結面的局部剪應力，降低黏結面抗剪強度，加固設計中宜考慮加勁肋對黏結面抗剪強度的削弱作用。

關鍵詞" 橋梁加固， 抗剪強度， 推出試驗， 鋼混黏結面， 有限元分析

收稿日期： 2023-06-05

作者簡介： 于曉杰，男，內蒙古呼和浩特市人，大學本科，高級工程師。E-mail： hhhtyxj@163.com

* 聯系作者： 劉 榮，男，陜西橫山人，博士，副教授。E-mail： Liurong1983@hhu.edu.cn

Study on Shear Behavior of Bonding Interface between Ribbed Steel and Concrete

YU Xiaojie1" YE Saiwei2" ZHANG Xiaohui1" KONG Lingjie1" LI Chengyuan1" LIU Rong2，*

（1.Hohhot Branch of Inner Mongolia Expressway Group Co.，Ltd.， Hohhot， Hohhot 010070， China； 2.Institute of Bridge Engineering in College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University， Nanjing 210024， China）

Abstract" To investigate the shear behavior of the steel-concrete bonding interface for prestressed concrete beam with reinforcing ribbed steel plate， push-out tests and finite element analysis of the bonding interface were conducted in this paper. The shear force-displacement curve， shear strength and failure modes of the bonding interface were measured by the push-out test. Comparing the shear strength of specimens with and without stiffeners， the influence of stiffeners on the shear strength of the bonding interface was obtained. Through parametric analysis， the major design parameters that affect the shear performance of the bonding interface were obtained. The research results show that the shear strength of the steel-concrete bonding interface with A-level adhesive is about 2 MPa， the ultimate slip deformation is about 0.2 mm， and it is governed by the shear bond failure between the adhesive layer and the steel plate. Increasing the bond strength from 2 MPa to 4 MPa enhances the shear strength of the bonding interface by about 38%. Increasing the bond strength is expected to improve the shear performance of the bonding interface. Stiffeners increase the local shear stress of the bonding interface and decrease the shear strength of the bonding interface. The weakening effect of stiffeners on the shear strength of the bonding interface might be included in the strengthening design.

Keywords" bridge strengthen， shear strength， push-out test， steel-concrete bond， finite element analysis

0" 引" 言

預應力混凝土箱梁橋隨著服役年限增長，其結構力學性能可能出現退化，如部分橋梁出現主要承重構件開裂、裂縫寬度超限、鋼筋銹蝕或梁體下撓的病害，影響橋梁結構運營安全及耐久性［1-5］。為提升既有橋梁的工作性能，可采用梁體外粘貼鋼板的加固方式［6-8］，即令外貼鋼板分擔車輛荷載引起的混凝土梁體表面拉應力，避免混凝土裂縫擴展而削弱安全儲備；鋼板包裹開裂梁體，避免水汽及酸性介質繼續侵入梁體而使鋼筋及預應力筋銹蝕，防止梁體劣化。使用加勁鋼板將增補混凝土截面與既有混凝土梁體結合，可保留以往外貼鋼板加固方法的優點，進而有效增大主梁截面，并防止外貼鋼板銹蝕，在橋梁加固中應用前景較好。

外貼加勁鋼板與混凝土梁體之間需設置可靠連接，以使鋼板與混凝土協同變形和共同受力。鋼板與混凝土結合面涂覆膠黏劑，使得二者間形成黏結型連接，是常用的加固用鋼混連接形式［9-11］。鋼混黏結面是材料突變處，其連接強度往往低于基材的強度，是加固混凝土結構的薄弱部位。鋼混黏結面的抗剪設計，是外貼鋼板加固設計的關鍵環節之一。《公路橋梁加固設計規范》［12］規定A級膠黏劑的抗剪強度、混凝土的正拉黏結強度，但鋼混黏結面的抗剪強度有待試驗測定。以往研究結果顯示，名義剪切強度隨著黏結長度的增加而減小，剪應力沿黏結面長度方向的不均勻分布影響名義剪切強度測試結果［13］。鋼橋面板與UHPC混凝土的黏結面剪切試驗結果顯示，抗剪強度受黏結面積影響不大，實測平均值為2.59 MPa，推薦抗剪強度設計值為1.36 MPa［14］。以往研究成果為評估鋼混黏結面的抗剪強度提供重要參考，但大多為平鋼板試件，未能明確加勁肋對黏結面剪應力分布及其抗剪強度的影響。

本文擬考慮加勁鋼板與混凝土黏結面的構造特點，通過黏結面推出試驗和有限元分析，探討鋼混黏結面的抗剪強度、破壞形態和主要設計參數的影響。

1" 模型試驗

1.1 模型試件

設計并制作了A1、A2和A3共3組混凝土外貼鋼板的黏結面推出試驗模型試件，試件構造如圖1所示。H型鋼構件由兩塊豎向放置的鋼翼板與加勁腹板焊接而成，其中鋼翼板厚度為5 mm，寬度×高度為300 mm×550 mm；鋼翼板厚度為10 mm，寬度×高度為240 mm×550 mm，鋼翼板頂部有切削。每塊鋼翼板各外貼1個鋼筋混凝土塊體，混凝土塊體尺寸為400 mm×460 mm×550 mm（寬度×長度×高度）。混凝土塊沿豎向布置四層鋼筋網，N1、N2、N3直徑均為12 mm。混凝土構件灑水養護28天后拆除木模板［15］，室內靜置60天后，將混凝土與鋼翼板通過膠黏劑結合。依據橋梁加固設計規范的規定，膠黏劑采用A級改性環氧樹脂膠涂覆黏結面，膠層厚度為2 mm。單側鋼翼板與混凝土黏結面的寬度×高度為300 mm×500 mm，每個試件包含兩個鋼混黏結面。粘貼鋼板時，先將翼板打磨除銹處理，鑿毛混凝土，保持黏結面清潔，而后涂抹厚度為2 mm的膠黏劑，室溫條件下保持鋼與混凝土密貼固化［16］。

1.2 材料特性

模型試件采用C60混凝土、Q345鋼材和改性環氧A級膠黏劑，其材料特性如表1所示。通過鋼結構板材拉伸試驗確定鋼材的屈服強度fy和抗拉強度fu［17］。通過混凝土立方體試塊的抗壓和劈裂試驗確定的混凝土的抗壓強度fcc和抗拉強度fts［18］。A級膠黏劑實測材料特性由供應商提供，其鋼對C45混凝土正拉黏結強度為3.3 MPa。

1.3 加載與測試

推出試驗采用液壓伺服壓力試驗機加載，如圖2所示。將推出試件放置于球形鉸支撐的剛性加載臺座，試件混凝土底部與臺座之間鋪設墊沙，以避免混凝土局部受壓破壞，并使兩個黏結面受力大致對稱。H型鋼構件頂面與反力臺座之間從下往上依次設置鋼墊板和壓力傳感器。加載過程中，作動器帶動加載臺座及試件向上移動，而反力臺座限制試件向上的位移，使得鋼混黏結面承受剪力作用。依據膠黏劑的抗剪強度下限值1.5 MPa預估推出試件的承載力Pu，加載前期采用力控制加載方法，按照0.1Pu逐級加載。加載至約0.7Pu，改由位移控制加載方法，加載速率約為0.2 mm/min［19］，直至試件破壞。為測得鋼混黏結面的剪力-滑移特性，在試件一面設置2個位移傳感器，滑移測點距離混凝土底面約300 mm。將測得的2個位移傳感器讀數取平均值，作為鋼混黏結面的相對滑移值，將壓力傳感器的測試值作為兩個黏結面的剪力合力。

2" 模型試驗結果

2.1 荷載-位移曲線

作動器豎向推壓力Pz使得鋼翼板出現向下位移δz，荷載與位移曲線如圖3所示。隨著Pz逐步增大，δz大致呈線性增加。達到峰值荷載Pu，Pz快速減小，δz略微增大，試件喪失承載能力。三個試件的Pu為500～750 kN，平均值為600 kN。δz為5.5～8 mm，平均值為7 mm。荷載與滑移曲線無明顯屈服平臺，下降段變形相對較小，試件呈脆性破壞。

2.2 抗剪強度

依據峰值荷載Pu得出試件單個黏結面承擔的剪力為Pu/2，黏結面的面積為A=300 mm×500 mm=0.15 m2，該黏結面的名義抗剪強度fv=0.5Pu/A。表2列出了由推出試驗得出的名義抗剪強度，平均值約為2.11 MPa。

2.3 抗剪剛度

依據設置于黏結面1/2高度處的鋼混相對滑移傳感器測試結果，得出0.5Pu荷載對應的剪力V0.5和對應的相對滑移S0.5。黏結面的抗剪剛度Kv=V0.5/S0.5，如表3所示。Kv為1.95×103～2.52×103 kN/mm，平均值為2.30×103 kN/mm。達到峰值荷載前，試件大致呈線彈性受力狀態，相對滑移微小，有望使加勁鋼板與混凝土緊密結合。

2.4 破壞形態

試件加載完成后，鋼構件與混凝土分離，觀察鋼翼板和混凝土表面的痕跡，如圖4所示，推測鋼混黏結面的剪切破壞形態。鋼板黏結面淺色區域與混凝土表面的深色區域相對應，該部位膠黏劑附著于混凝土而從鋼板表面剝離，即鋼混黏結面剪切使得鋼板與膠黏劑的粘結失效。其余區域主要分布于黏結面邊緣部位，受鋼板表面銹蝕影響而使粘結作用減弱。

3" 有限元計算結果

3.1 有限元模型驗證

為明確設計參數對黏結面受力的影響，采用有限元軟件Abaqus，建立推出試驗的實體有限元模型，如圖5所示。依據結構對稱性，建立1/4模型，鋼構件、混凝土和膠黏劑采用C3D8R實體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元，膠黏層與鋼板和混凝土黏結面使用Cohesive界面單元，網格小于20 mm［20］。

材料特性如表1所示，其中鋼板的彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.3；混凝土的彈性模量為4.07×104 MPa，泊松比為0.2；膠黏劑的彈性模量為7 680 MPa，泊松比為0.2。鋼材使用雙折線模型［21］；混凝土使用損傷塑性模型，其本構特性分別由壓縮應力-應變曲線和拉伸應力-裂縫寬度［22］關系表示；膠黏層使用彈性模型，黏結界面使用最大剪應力失效準則，其本構特性由粘結滑移模型［23］表示，粘結強度取為2 MPa。

在混凝土底面施加豎向約束，在兩個對稱面處分別施加軸對稱約束，在H型鋼構件頂面施加豎向位移，模擬作動器推出加載。

有限元分析得出剪力Vz和滑移S曲線如圖6所示，與試驗實測結果偏差不超5%，該實體有限元模型可反映黏結面受力特性。

3.2 鋼與混凝土豎向應變分析

在Pu作用下，鋼翼板與加勁板相交處的鋼混黏結面豎向應變如圖7（a）所示。考慮加勁肋的作用，鋼板壓應變從上至下約由1 050 με減小至約0，混凝土壓應變約由-100 με增大至300 με，鋼與混凝土最大應變差值約為1 150 με。鋼混黏結面上緣處兩種材料的應變差值相對較大，膠黏層承受剪力相對較大。未設置加勁肋，鋼與混凝土最大應變差值約為800 με。相對于平鋼板試件，增設加勁肋使得鋼與混凝土最大豎向應變差值增大350 με，增幅約44%。

鋼混黏結面上緣處，鋼翼板和混凝土豎向應變沿橫向分布如圖7（b）所示。未設置加勁肋的試件，豎向應變沿橫向變化微小。考慮加勁肋作用，鋼翼板豎向應變隨著距加勁肋距離減小而增大，即加勁肋增大鋼板與混凝土應變差值，增加膠黏層局部剪應力。

3.3 加勁肋對抗剪強度的影響

依據名義剪應力τz與滑移s之間的曲線，得出設置加勁肋對鋼混黏結面抗剪強度的影響，如圖8所示。設置加勁肋使得鋼混黏結面最大剪力Vu從約330 kN減小至約300 kN，名義抗剪強度fv從約2.2 MPa減小至約2 MPa，減小約10%。加勁鋼板增大了鋼混黏結面的剪應力分布和最大剪應力，使其抗剪強度降低。

3.4 鋼翼板厚度對抗剪強度的影響

圖9示出了鋼翼板厚度增加對鋼混黏結面抗剪強度的影響。隨著鋼翼板厚度從3 mm增加至12 mm，無加勁肋試件的抗剪強度從約2.05 MP增加至約2.2 MPa，增加約7.5%。帶加勁肋試件的抗剪強度從1.95 MPa增加至約2.05 MPa，增加約5%。加固試件外貼鋼板的厚度大多相對較薄，增加鋼翼板厚度對于提高鋼混黏結面抗剪強度的作用相對較小。

3.5 粘結強度對抗剪強度的影響

膠黏劑與鋼板的黏結強度對鋼混黏結面抗剪強度的影響如圖10所示。黏結強度從1 MPa增大至4 MPa，平鋼板與混凝土黏結面抗剪強度從約1.05 MPa增大至約3.58 MPa，增大約2.4倍。黏結強度從4 MPa增大至12 MPa，平鋼板與混凝土黏結面抗剪強度從約3.58 MPa增大至約3.92 MPa，增大約10%。黏結強度低于4 MPa的膠黏層，通過提高其黏結強度，可高效提高鋼混黏結面的抗剪強度，黏結強度為關鍵設計參數。

考慮加勁肋的作用，膠黏層黏結強度取為1～2 MPa，黏結面抗剪強度大致相當。黏結強度增大至4 MPa，與未設置加勁肋試件相比，加勁肋使得黏結面的抗剪強度降低約28%。使用黏結強度較高的膠黏劑，鋼混黏結面抗剪設計宜考慮加勁肋對其抗剪強度的削弱作用。

4" 結" 論

通過推出試驗和有限元分析，研究了加勁鋼板與混凝土黏結面的抗剪性能和主要設計參數的影響，獲得的主要結論如下：

（1） 加勁鋼板與混凝土黏結面的剪切破壞形態為膠黏層與鋼板剪切黏結失效，實測抗剪強度約為2 MPa，滑移變形微小。

（2） 膠黏劑的黏結強度為影響鋼混黏結面抗剪強度的關鍵參數，使用黏結強度不低于4 MPa的膠黏劑，有望提高黏結面的抗剪承載力。

（3） 加勁肋使得鋼翼板與混凝土黏結面局部剪應力增大，黏結面抗剪強度降低。粘貼鋼板加固設計中宜考慮加勁肋對鋼混黏結面抗剪強度的削弱作用。

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