包柱式構件與現有柱之間連接界面受剪性能研究

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

考慮到改造工程中的新舊混凝土界面不一定是純剪界面，國內研究人員對梁柱連接界面及包柱式構件連接界面的抗剪性能進行了試驗研究，在試件設計時考慮混凝土強度、界面抗剪鋼筋、剪跨比等因素，取得了雖不夠系統但卻非常寶貴的試驗數據。其中同濟大學王偉和屈文俊、天津大學王俊杰、哈爾濱工業大學張沛等人共完成了27個梁柱連接界面試件的試驗工作，但絕大部分試件未發生界面破壞，真正能用于新舊結構連接界面承載力統計分析的有效數據很少。黃小許、張正先、王瓊、岳慶霞等人完成了63個包柱式托換構件連接界面試件的試驗工作，在這些試驗中，共有36個基面鑿毛處理，并且發生界面剪切滑移破壞的試件，其中31個試件具有比較齊全有效的試驗數據，也據此提出了新舊混凝土界面抗剪極限承載力的計算公式，可為本文對新舊混凝土連接界面的抗剪性能和受剪承載力的計算分析提供依據。

但該公式未考慮界面抗剪鋼筋、托換梁剪跨比等因素的影響。在廣州地鐵一號線的樓房樁基托換工程中，托換梁和被托換柱之間的界面承載力按上述公式取下包線并按可靠指標要求進行設計，鑒于缺乏完善的設計公式，設計時按比受彎要求配置了稍多的縱向鋼筋，同時在柱側設置了橫向拉結鋼筋，以加強對界面的拉結、抑制界面的分離。包柱式構件的試驗數據雖比較多，但需要進一步了解界面抗剪鋼筋、剪跨比這些因素與界面抗剪性能的相關關系，并根據現有試驗數據提出比較完善的連接界面受剪承載力計算公式。

1 試驗概況

為了研究包柱式構件與現有柱之間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，為四面包柱式的連接界面抗剪設計提供依據而進行本試驗。這部分試驗數據引用自黃小許、李國雄、張正先等人共同完成的試驗結果，試驗是在上世紀九十年代為滿足廣州地鐵樓房樁基托換工程和建筑物斷柱頂升糾偏技術研究的需要而完成的。

制作試件時，先澆筑混凝土柱，然后對混凝土基面進行鑿毛處理，最后再澆筑包柱式混凝土構件（托換梁或頂升平臺），從而形成現有柱和包柱式構件之間的混凝土連接界面。完成混凝土養護后，對新舊混凝土連接界面進行靜載試驗。

1.1 試件設計

根據當時托換工程和研究工作的需要，試件設計時考慮了界面混凝土強度、梁內縱向縱筋、剪跨比等試件參數。試件分為兩批，第一批12組25個試件，第二批2組6個試件，合計31個試件，試件尺寸圖如圖1所示，試件參數如表1所示。在試件的所有新舊混凝土交接面處，鑿毛原混凝土基面，深度為6mm，在交接面范圍內全表面露新鮮混凝土，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，采用32.5R復合硅酸鹽水泥。

圖1 包柱式試件尺寸圖

包柱式試件參數表 表1

梁內縱向鋼筋均采用II級鋼，鋼筋在柱側貫通，橫向箍筋采用I級鋼。柱混凝土強度比托換構件（托換梁）高2個等級。在界面兩側安裝位移計，用于觀測連接界面的滑移變形。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。

2 試驗結果及分析

試件的開裂始于混凝土托換梁的彎剪裂縫，隨后界面開裂、滑移變形增大，破壞時的界面滑移變形實測值為1.05～4.50mm，柱的四周界面基本上同步滑移，最后均發生新舊混凝土界面的剪切滑移破壞。界面開裂荷載與極限荷載之比為0.37～0.75，大部分試件開裂較早，界面帶裂縫工作。試驗結果表明，界面上植入短鋼筋后的銷栓作用不明顯，縱筋上焊接水平角鋼有一定作用。

在界面開裂以致界面達到破壞荷載后，由于縱向鋼筋和橫向箍筋的圍箍作用，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。試驗結果如表2所示。

包柱式界面剪切破壞試驗結果 表2

3 連接界面剪切機理

試驗結果符合界面的剪切摩擦模型，該模型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。抗剪鋼筋屈服或界面混凝土摩擦破壞，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。

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。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。

4 受剪承載力計算

根據界面剪切機理和各種因素對包柱式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對受剪承載力的影響。在包柱式連接界面的試件中，有兩個面垂直于梁軸線、受力條件與普通梁柱的連接界面類似，不同之處在于界面抗剪鋼筋布置于柱的兩側梁內，而不是直接穿過界面內。另有兩個面平行于梁軸線，類似于純剪界面，但在梁的彎矩作用下，部分界面上受拉應力作用，不利于界面抗剪；布置于柱兩側梁內有效范圍內的橫向鋼筋作為界面抗剪鋼筋使用，而不是直接穿過界面，會影響界面抗剪鋼筋作用的發揮。

A1～A4共8個試件采取了額外的界面連接措施，雖也是發生了界面剪切破壞，但與通常的鑿毛處理界面相比，試驗數據受這些額外措施的干擾，故不參與統計。參與回歸統計的試件數量為23個。

此外，采用本文提出的界面抗剪承載力設計值計算公式，對國內其他同類試件的試驗結果值進行了計算和對比驗證。

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：

式中：

V

為連接界面的受剪承載力極限值；

V

、

V

分別為X、Y計算截面上每個計算截面提供的受剪承載力極限值，X計算截面對應于垂直于梁軸線的兩個界面，Y計算截面對應于另兩個界面；為X計算截面上位于梁內受拉區的縱向鋼筋的截面面積；為Y計算截面上的梁內有效寬度范圍內的橫向鋼筋的截面面積，有效寬度取梁邊線與柱邊線之間的距離；

f

為界面抗剪鋼筋的抗拉屈服強度值；

f

為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；

λ

為連接界面處的名義剪跨比，按梁取

λ

=

M

/(

Vh

)，M為連接界面處與剪力值V對應的彎矩值；

A

為Y計算截面上的梁內有效寬度范圍內的橫向鋼筋的截面面積，有效寬度取梁邊線與柱邊線之間的距離；

b

、

b

分別為X、Y計算截面上連接界面的計算寬度，取計算截面所在的柱截面邊長；

h

為計算截面上連接界面的計算高度，取包柱式梁的截面高度。

按公式（1）計算試件的界面受剪承載力極限值，試驗值與計算值之比如表3所示。回歸統計全部23個試件的受剪承載力試驗值與計算值之比，平均值為μ=1.00，標準差 σ=0.113，變異系數 δ=0.112，說明回歸公式計算值與試驗結果吻合良好。

受剪承載力試驗值與計算值的比較 表3

4.2 受剪承載力設計值計算公式及回歸統計分析

連接界面的受剪承載力設計值計算公式為：

V

為連接界面的受剪承載力設計值；

V

、

V

分別為X、Y計算截面上每個計算截面提供的受剪承載力設計值；

f

為界面抗剪鋼筋的抗拉強度設計值；

f

為混凝土的軸心抗壓強度設計值，取新、舊混凝土軸心抗壓強度的較低值。考慮到包柱式梁界面試驗的試件相對較少，推算設計公式時試驗值與設計值之比取值稍高，以提高設計界面的可靠度。按設計公式計算時，試驗值與計算值之比列于表4。全部23個試件的試驗值與計算值之比平均值為2.25，標準差為0.262，變異系數δ=0.117。將4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

Z

=

R

/

S

-1，計算得到功能函數Z的平均值

μ

=1.25，標準差

σ

=0.262，可靠指標計算值β=4.76。23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為1.65—2.92，計算可靠指標為4.76，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，設計公式具有較好的相關性和較高的安全儲備。

國內其他受剪承載力試驗值與計算值的比較 表4

界面開裂荷載試驗值與抗剪承載力設計值之比為 1.15～2.34，全部都大于1.0，說明在設計荷載作用下，界面不開裂。

4.3 設計值計算公式與國內其他試驗結果的對比驗證

在國內完成的包柱式連接界面試驗中，天津大學王瓊等人完成的試驗內有10個試件采用鑿毛界面、發生界面剪切滑移破壞，并且數據資料比較齊全，可供界面受剪承載力的對比驗證。采用本文提出的包柱式界面抗剪承載力的設計值計算公式，按試驗參數計算，試驗值與計算值的對比數據如表4所示。從對比數據看，受剪承載力的試驗值與計算值為1.70～2.87，平均值為2.28，均方差為0.366，變異系數為 0.160，說明計算公式的計算值與試驗值之比較高，且離散性不是太大，計算公式是適用的。

5 結論

對于新舊混凝土結構連接界面的受剪承載力，得出以下結論：

①對于包柱式構件的連接界面，界面抗剪鋼筋布置于界面兩側時抗剪性能較弱；

②在梁軸平行的柱側界面中，包柱式梁的剪跨比與界面抗剪承載力負相關。

③包柱式構件對混凝土柱具有四面圍箍作用，有利于提高界面混凝土的抗剪強度。

④包柱式構件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公式（3.2.1a）、（3.2.1b）、（3.2.1c）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。