新老混凝土結(jié)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(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730124）

為克服鐵路運能和運量的矛盾，中國鐵路經(jīng)過 6次大規(guī)模提速，早期的提速試驗結(jié)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(shù)，該技術(shù)能夠增大橋墩的剛度和強度。鋼筋混凝土套箍加固技術(shù)主要是通過沿原有橋墩的環(huán)向增設(shè)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(jié)合面處理的問題，其結(jié)合面是最薄弱部位，影響甚至決定加固結(jié)構(gòu)的承載力。而結(jié)合面的抗剪性是檢驗新結(jié)構(gòu)承載性的最重要指標(biāo)[2]。因此研究結(jié)合面的抗剪性能對結(jié)構(gòu)有重要意義。孫昊比較了加固結(jié)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(jié)合面植筋滿足現(xiàn)行加固規(guī)范和不滿足規(guī)范的植筋深度以及開槽進行研究[4]，王振領(lǐng)等也對是否滿足現(xiàn)行加固規(guī)范的植筋深度以及結(jié)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(guī)范要求，因此有必要研究均滿足規(guī)范要求下的不同植筋深度對結(jié)合面抗剪性能的影響。此外在設(shè)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(shè)計提供良好的解決方案。

1 試驗設(shè)計

1.1 試件制作

為了新混凝土和老混凝土形成對比，應(yīng)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(jié)合面抗剪性能的試驗，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28天。采用如圖2所示的加載方式，使新老混凝土結(jié)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(guān)參數(shù)如表2，處理示例如圖3。

圖1 Z字形構(gòu)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(guān)注位移、裂縫、荷載和應(yīng)變的關(guān)系。首先對試件進行預(yù)加載，正式加載采用逐步分級加載，每級加載完成后穩(wěn)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(jié)合面抗剪試驗試件設(shè)計參數(shù)

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(jié)合面植筋處理

圖4 試件加載圖

2 結(jié)合面抗剪性能的試驗分析

2.1 結(jié)合面抗剪分析

不植筋的新老混凝土結(jié)合面往往是抗剪的薄弱環(huán)節(jié)，其全部抗剪性能均由混凝土本身的粘結(jié)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(dǎo)致結(jié)合面面積減小，應(yīng)力進一步增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(jié)合面，歐洲規(guī)范[7]對混凝土結(jié)合面抗剪設(shè)計考慮四方面的抗剪機制，即粘結(jié)及骨料咬合、庫倫摩擦、鋼筋銷栓效應(yīng)和鋼筋夾壓效應(yīng)。其中粘結(jié)及骨料咬合由混凝土自身提供，后三項均與鋼筋有關(guān)。因此，植筋有助于新老混凝土結(jié)合面抗剪。

2.2 試驗結(jié)果

新老混凝土結(jié)合面不同植筋情況的實驗結(jié)果見表3。

表3 新老混凝土結(jié)合面試驗結(jié)果

2.3 新老混凝土植筋結(jié)合面破壞特征

2.3.1 破壞特征

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

階段二：混凝土開裂，裂縫開展階段。當(dāng)荷載達到開裂荷載時，結(jié)合面出現(xiàn)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(fā)生了相對的位移，同時在結(jié)合面周圍產(chǎn)生許多的斜裂縫。

第三階段：破壞階段。加載至破壞荷載時，結(jié)合面混凝土碎裂，結(jié)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(jié)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(nèi)發(fā)生較大的變形，混凝土塊發(fā)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(fā)展較緩慢，混凝土塊之間逐漸脫空、發(fā)生相對位移，試件表面出現(xiàn)斜裂縫。當(dāng)荷載達到開裂荷載時，試件裂縫迅速開展，并且發(fā)生明顯的位移，試塊被破壞，但是新老混凝土沒有發(fā)生脫離，鋼筋發(fā)生明顯的變形但沒有被拔出，破壞過程明顯，試塊發(fā)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(jié)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(jié)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(shè)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(jīng)濟的損失。

2.4.2 不同鋼筋直徑的影響

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，鋼筋直徑與抗剪強度呈負(fù)相關(guān)，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(jié)合面抗剪方面，鋼筋的直徑效應(yīng)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(yīng)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(shù)量，對結(jié)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(yīng)的植筋率也增大，結(jié)合面抗剪能力有顯著地提高。因此在設(shè)計時，應(yīng)增大植筋率。

圖7 抗剪強度隨植筋深度變化圖

3 結(jié)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(xiàn)行加固規(guī)范中的大于等于10倍鋼筋植筋的要求下，植筋深度不應(yīng)超過15倍鋼筋植筋。在此范圍內(nèi)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(shè)計時，結(jié)合面應(yīng)在滿足現(xiàn)行規(guī)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(nèi)更好地提高新老混凝土結(jié)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(xué),2010.

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

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

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

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

[6]GB 50367-2013.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范 (附條紋說明)[S]. 2013.

[7]劉文政,崔士起.CEB-FIB預(yù)制混凝土構(gòu)件接縫抗剪機理研究綜述[J].建筑技術(shù),2015.