新加梁、加固梁與現有柱界面受剪性能研究

周偉斌，黃小許 （廣州華特建筑結構設計事務所，廣東 廣州 510640）

0 概述

在既有混凝土結構的改造設計中，新加混凝土梁構件、采用加大截面法加固混凝土梁構件都會在新舊混凝土結構之間形成一個連接界面，從而需要對新舊混凝土結構之間的連接界面進行設計，該連接設計對改造后的結構安全至關重要。新舊混凝土結構之間的連接界面在受彎、受壓、受拉方面與整澆混凝土沒有本質上的不同，但在受剪方面與之差異較大。因此新舊混凝土連接界面的剪切工作性能和受剪承載力計算成為在既有混凝土結構改造設計中不可回避的一個重要課題。

目前，關于新加梁、加固梁與現有柱界面的受剪性能研究的資料有限，但國內外不少學者對新舊混凝土界面抗剪強度有較為深入的研究。1960年Anderson根據新舊混凝土界面抗剪試驗結果，首先提出了新舊混凝土界面抗剪強度計算公式。其后，Birkeland于1966年首次提出了新老混凝土界面的摩擦抗剪理論和抗剪強度計算公式，幾十年來該理論經過不斷的驗證和完善，并已被普遍接受并應用于多個國家設計規范中的界面抗剪強度計算。除了界面的摩擦抗剪理論及計算公式外，國內外根據試驗研究結果先后提出了幾種不同的計算模型和計算公式，其中Patnaik A H設計制作了8組梁式構件進行試驗研究，主要考慮混凝土結合面的粘結強度和縱向鋼筋的作用，并根據試驗結果提出界面抗剪承載力計算公式。

國內方面，在新老混凝土界面抗剪強度的研究領域做了不少有意義的試驗研究工作和分析總結工作，考慮了界面處理方式、混凝土強度、抗剪鋼筋數量、界面劑等影響因素，從不同的角度提出了抗剪強度計算公式。其中黃璐、林新鵬等歸納總結了國內外學者基于摩擦抗剪理論、通過對實驗結果的分析提出的新舊混凝土界面剪切強度研究成果，收集利用80組試件的實測結果，通過多元非線性回歸分析，提出了新舊混凝土界面的抗剪計算公式。

綜合來看，國內外對新舊混凝土連接界面在純剪作用下的抗剪強度研究比較充分，提出了比較成熟的界面抗剪強度計算公式。但在改造工程中新舊混凝土結構之間的連接界面，界面的抗剪鋼筋布置形式、彎矩作用等因素都可能對界面抗剪產生決定性影響，目前的試驗研究雖然也有涉及各種影響因素，但還只是初步的，還沒有足夠的試驗數據和研究成果為新舊結構連接界面的受剪承載力計算提供支撐。目前梁柱連接的試驗數據還很不充分，未能提出合理的界面受剪承載力計算公式，需要對梁柱界面承載力進行系統的試驗研究，提出適用于工程實踐應用的承載力極限值與設計值計算公式。

1 試驗概況

為了研究新舊混凝土界面的滑移變形性能、界面的破壞形態，研究主要參數對梁柱混凝土連接界面抗剪承載力的影響，為連接界面的抗剪設計提供依據而進行本試驗。

根據改造工程中新舊混凝土界面的界面狀況和受力條件，結合現有試驗研究成果，考慮了界面混凝土強度、受拉縱筋、受壓縱筋、剪跨比、加固梁類型、荷載布置共六個試件參數設計制作了39個梁柱組合試件，試件分為兩批，第一批9組27個試件，第二批2組12個試件，由先澆柱（梁柱）和后澆梁兩部分組成，分兩階段制作完成。制作試件時，先澆筑作為支承構件的混凝土柱和被加固梁，然后對原混凝土基面進行鑿毛處理，要求在新舊混凝土交接面范圍內全表面露出新鮮混凝土，鑿毛深度為6mm，形成凹凸均勻的粗糙基面，并用清水和鋼絲刷把混凝土鑿毛面的粉塵清洗干凈；在澆筑新混凝土前，應淋水養護鑿毛面不少于12小時，并在新澆筑混凝土前半小時內涂刷水灰比為0.5的水泥漿。梁內縱向鋼筋均采用HRB400，植筋時，新加縱筋均植筋錨固于柱內，第一批試件的植入深度取L=15d，第二批試件的植入深度取L=22d，其中d為鋼筋直徑。最后再新加混凝土梁或者采用加大截面法加固混凝土梁，從而形成現有柱和新加梁、加固梁之間的混凝土連接界面。試件布置圖如圖1所示，試件參數表如附件表1所示。根據各梁加固方式的差異形成了五種不同的截面形式如圖2所示。

部分試件主要試件參數 表1

圖1 梁柱組合試件布置示意圖

圖2 新加梁、加固梁界面類型大樣圖

在試驗中每組試件均預留混凝土試壓件，每種規格的縱筋均預留一組3條試拉件。在梁面的每根受拉縱筋上對稱粘貼兩片應變片，應變片中心位于梁柱混凝土界面位置，用于觀測界面處的縱筋應變。在界面兩側安裝位移計，用于觀測界面的滑移變形。

試件的加載裝置圖如圖3所示，加載裝置把混凝土柱固定于試驗臺上，采用液壓加載裝置對梁分級施加荷載。集中荷載的加載鋼墊板寬度為100mm。試驗時觀測、記錄試件破壞形態、界面初裂荷載、試件破壞荷載、裂縫分布和裂縫寬度、界面剪切滑移變形、界面處受拉縱筋應變、梁的撓度。

圖3 梁柱組合試件試驗裝置圖

2 試驗結果及分析

觀察試驗過程及結果后發現大部分試件最后發生界面剪切破壞；有部分試件界面出現剪切開裂、破壞形態接近界面剪切破壞；少數試件界面沒有剪切開裂或雖然界面剪切開裂但尚未發生剪切破壞，即試驗時破壞荷載尚未達到界面剪切破壞荷載；大部分試件破壞抗剪鋼筋已達到或接近屈服；植入深度為15倍直徑的部分試件出現了縱筋拔出的現象，而植入深度為22倍直徑的試件均未發生縱筋拔出破壞。界面開裂荷載與極限荷載之比為0.14～0.68，大部分試件開裂較早，界面帶裂縫工作。由于試件較多，僅列舉破壞現象較為典型的幾組試件如圖4所示，部分試件靜載試驗的試驗結果如表1所示。

圖4 部分試件破壞形式

在界面開裂以致界面達到破壞荷載后，由于縱向鋼筋的作用，界面滑移變形繼續緩慢發展，界面剪切破壞雖屬于脆性破壞，但還是具有一定的延性。部分試件的荷載—界面相對滑移曲線如圖5所示。

圖5 部分試件的荷載—界面相對滑移曲線

3 連接界面的剪切機理

假設界面形成滑移裂縫，剪力作用促使界面兩側混凝土相對滑動，滑移使兩側混凝土產生分離趨勢、縱筋受拉直至屈服，鋼筋拉力反過來約束混凝土的分離趨勢、混凝土在界面上產生壓應力，兩側混凝土在剪力作用下形成靜摩擦、提供摩擦力，從而阻止界面繼續滑移。在界面鑿毛的條件下，界面兩側混凝土還具有咬合摩擦力，與靜摩擦力共同發揮作用?？辜翡摻钋蚪缑婊炷聊Σ疗茐?，都會導致界面剪切破壞。因此，足夠多的界面抗剪鋼筋和足夠大的界面面積是保證界面不發生剪切破壞的必須同時具備的兩個條件。

部分試件靜載試驗結果 表2

與單純的剪切界面不同，新舊結構之間的連接界面除符合剪切摩擦模型的受力機理外，還受到其他多種因素的附加影響。這些附加因素主要包括：彎矩的作用使界面上的正應力分布發生改變，甚至出現拉應力區，對界面抗剪不利，彎矩的影響可以用剪跨比來表達；原有梁的整澆界面有利于界面抗剪，整澆界面的不對稱布置則會削弱該有利作用；對于包柱式構件，一方面，由于界面抗剪鋼筋布置在外側，界面抗剪鋼筋的對界面抗剪承載力的作用稍弱，而另一方面，由于托換構件對界面起四面圍箍作用，混凝土界面強度對界面抗剪承載力的作用稍大。

按不同的試驗參數，對比分析新舊混凝土連接界面的試驗結果，可以發現各種因素與連接界面抗剪承載力的相關性?？辜舫休d力和抗剪鋼筋（受拉區鋼筋）正相關，基本成線性關系，和受壓區鋼筋無明顯相關關系；抗剪承載力和剪跨比顯著負相關，反映出彎矩對界面抗剪承載力的不利影響。這種負相關并不成線性關系，隨著剪跨比的增大，界面抗剪承載力對剪跨比的敏感程度有所減弱。整澆連接面比新舊混凝土連接界面的抗剪承載力明顯要高。在加固梁和柱的連接界面中，原有梁的整澆界面有利于提高整個界面的抗剪承載力。相對于左右對稱的梁底加固和三側加固梁，左右不對稱的單側加固梁中的整澆連接面對整個界面的抗剪承載力貢獻比較小。按界面尺寸計算界面抗剪承載力時，試驗值較新加梁、加固梁稍高。這可以解釋為，由于包柱式構件對混凝土柱的四面圍箍作用，對連接界面的約束更為有利，有利于混凝土抗剪強度的發揮。如果界面發生受彎破壞或鋼筋錨固破壞，則會影響界面抗剪承載力的發揮。連接界面設計時要充分發揮界面抗剪承載力，必須保證界面不發生受彎破壞或鋼筋錨固破壞。

4 連接界面的受剪承載力計算

根據界面剪切機理和各種因素對連接界面受剪承載力的影響程度，在界面抗剪承載力計算公式中，采用按界面抗剪鋼筋計算界面受剪承載力、按界面混凝土強度限制受剪承載力上限的表達方式，受剪承載力的計算公式中同時考慮了界面處剪跨比、整澆混凝土界面面積與界面總面積的比值、新加混凝土界面與原整澆混凝土界面對稱性三個因素的影響。受壓區鋼筋的銷栓作用、均布荷載的有利作用均在計算受剪承載力時忽略不計。

A1、A2、A3三個整澆對比試件，B4、B7、B10三個錨固破壞試件，F7～F10四個大剪跨受彎破壞試件，共有10個試件的試驗結果不參與回歸統計。參與回歸統計的試件數量為27個。

4.1 受剪承載力極限值計算公式及回歸統計分析

連接界面的受剪承載力極限值回歸計算公式為：

受剪界面限制條件：

式中：

f

——混凝土的軸心抗壓強度，取新、舊混凝土軸心抗壓強度的較低值；

A

、

A

——位于受拉區的原整澆混凝土界面內抗剪鋼筋、新加混凝土界面內抗剪鋼筋的截面面積；

f

、

f

——位于受拉區的原整澆混凝土界面內抗剪鋼筋、新加混凝土界面內抗剪鋼筋的抗拉屈服強度值；

λ

——連接界面處的名義剪跨比，取

λ

=

M

/

Vh

，

M

為連接界面處與剪力值

V

對應的彎矩值；

γ

——原整澆混凝土界面的受剪承載力提高系數，按原整澆混凝土界面與新加混凝土界面的對稱程度取

γ

=0.3～0.6；當原構件單側加固時取

γ

=0.3；當對原構件兩側對稱加固時取

γ

=0.6；

αA

——原整澆混凝土界面面積與加固后總界面面積的比值，

αA

=

A

/

A

A

、

A

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的計算面積：

A

=

b

h

、

A

=

bh

；

除了轉讓子公司或孫公司保殼，賣房賣土地以求留A的上市公司也不在少數，上述*ST椰島股權轉讓的同時也搭配出售椰島綜合樓。

b

、

h

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的寬度；

h

、

h

——原整澆混凝土界面、加固后總界面的高度。

按公式4.1-1計算試件的界面受剪承載力極限值，回歸統計各類試件及全部27個試件的受剪承載力試驗值與計算值之比，如表3所示。

試件受剪承載力試驗值與計算值之比 表3

定義功能函數Z如下式所示：

式中：

R

——受剪承載力試驗值；

S

——設計公式計算值。將表3中的受剪承載力試驗值（R）和設計公式計算值（S）均代入公式4.1-3中，計算得到功能函數Z的平均值

μ

=1.04，標準差

σ

=0.259，可靠指標計算值

β

=4.03。27個試件的界面剪切破壞荷載與界面受剪承載力設計值之比見表4，該比值最小為1.60，最大為2.59，即便對于大剪跨未發生界面剪切破壞的構件，計算比值也大于1.55，說明設計公式也可以涵蓋大剪跨構件。設計公式的可靠指標計算值

β

=4.03，滿足現行國家標準《建筑結構可靠度設計標準》（GB50068-2001）關于安全等級二級、破壞類型為脆性破壞的結構構件承載能力極限狀態的可靠

β

≥3.7的可靠度要求，設計公式具有良好的相關性和較高的安全儲備。

試件界面剪切破壞荷載與承載力設計值之比 表4

5 設計值計算公式、規范公式與試驗值的比較

對于新舊混凝土連接界面的受剪承載力，引用前述的梁柱界面試驗結果，與本文提出的界面受剪承載力計算公式、國內外代表性規范計算公式進行比較。對比時采用新加梁和現有柱的界面試驗中發生界面剪切滑移破壞的試件參數和試驗數據。按照實際的受剪承載力試驗情況，對受剪承載力計算公式的適用條件作統一假定：

①連接界面為均勻鑿毛的新舊混凝土界面；

②界面鋼筋抗剪鋼筋垂直于界面；

③軸向力為零。

按此假定本文提出的界面受剪承載力設計值的計算公式：

當

λ

＜5時取

λ

=5計算。

中國標準GB 50010—2010關于疊合面受剪承載力的計算公式：

歐洲規范EN 1992-1-1-2004關于界面抗剪承載力的計算公式：

美國規范ACI318-08關于連接界面的抗剪承載力計算公式：

對比結果列于表5。對于剪跨比為0.3～4.0的新舊混凝土結構連接界面，受剪承載力的計算結果與試驗值對比結果如下：

設計值計算公式、規范公式與試驗值的比較 表5

①按中國規范和歐洲規范計算時，試驗值與計算值之比太小，且數據很離散，計算結果與試驗結果不吻合，規范公式不適用于有彎矩作用的情況；

②按美國規范計算時，試驗值與計算值之比平均值達到1.63，但總體上離散性太大。按剪跨比大小來區分，在剪跨比不大于1.0時，試驗值與計算值之比值較大；而在剪跨比大于1.0時，試驗值與計算值之比值太小，大部分甚至小于1.0，計算值明顯偏大，規范公式不適用剪跨比較大的情況；

③按本文公式計算時，計算公式考慮了剪跨比的影響，試驗值與計算值之比為1.55～2.25，平均值為1.91，標準差為0.202，變異系數為0.106，離散性較小，吻合良好，且具有足夠的可靠性；

④本文公式在表達方式上與美國規范公式類似，當接近直剪

λ

≤5時兩者比較有可比性。當接近直剪時，本文公式簡化為：

而美國規范公式簡化為（直剪時界面鋼筋均為受拉鋼筋）：

兩者相比較，本文公式的受剪承載力計算值比美國規范公式要高16%～20%。與11個小剪跨比試件的試驗值比較，按美國規范公式計算時，試驗值與計算值之比為1.29～2.70，平均值為2.04，標準差為0.436，變異系數為0.214，數據比較離散、相關性較差；按本文公式計算時，試驗值與計算值之比為1.66～2.25，平均值為 1.96，標準差為0.183，變異系數為0.093，計算值與試驗值相關性較好，與試驗結果更加吻合。

6 總結

對新加梁、加固梁與現有柱界面受剪性能研究后，得出以下結論：

①采用混凝土基面鑿毛、涂刷純水泥漿進行界面處理時，連接界面剪切工作性能良好，界面發生剪切滑移破壞屬于脆性破壞，但具有一定延性；

②在加固梁與現有柱的連接界面內，其中原有梁的整澆界面有利于提高整個連接界面的抗剪承載力，加大截面相對于原有梁截面越對稱，對界面抗剪就越有利；

③鑿毛處理的連接界面符合摩擦抗剪機理，在剪力作用下，界面形成滑移裂縫，剪力作用促使界面兩側混凝土相對滑移，滑移使粗糙界面的兩側混凝土產生分離、張開的趨勢，橫穿界面的縱筋因此受拉、并反過來約束混凝土的分離趨勢，從而使混凝土在界面上產生壓應力，界面在壓應力作用下提供摩擦力、阻止界面繼續滑移，形成界面的抗剪能力，按照這一機理，界面抗剪鋼筋的抗拉能力決定界面抗剪承載力的大小，但其前提條件是界面上的混凝土具備足夠強度、不發生破壞，即界面混凝土強度制約了界面抗剪承載力的上限；

④對于新加梁、加固梁與現有柱之間的連接界面，受剪承載力設計值可以按本文提出的設計值計算公式計算，計算值與試驗值具有良好的相關性，可靠指標滿足國家規范要求。