混凝土叠合结构叠合面抗剪性能影响因素研究

刘成才

(郑州工程技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450044)

1 概述

推行预制装配式混凝土结构体系，是解决现浇混凝土结构环境污染大、噪声严重、工人劳动强度大、工程质量波动大等问题的重要举措，其中叠合楼盖是提高装配式建筑预制率和装配率的重要措施。有关受弯叠合构件抗弯、斜截面抗剪结构性能研究已经相当成熟，但混凝土叠合面的抗剪性能研究相对较少，跨度大于4200mm以上的叠合板，不配置抗剪箍筋的自然粗糙叠合面可能发生剪切破坏[1-4]。混凝土叠合结构叠合面抗剪性能影响着叠合结构的安全性，需要进一步研究。

2 叠合面抗剪性能研究

2.1 叠合面抗剪破坏特征

叠合结构叠合面混凝土存在明显的界面区，是抗剪的薄弱环节。在主拉应力作用下，叠合结构下边缘受拉区混凝土首先开裂，继续延伸到穿过叠合面发生弯曲破坏或剪压破坏，或者延伸到叠合面水平发展形成剪切破坏。叠合面剪应力计算方法主要有截面平均剪应力、叠合面某一点最大剪应力、叠合面剪切试验数据分析计算应力，而叠合面允许剪应力限值多有叠合面抗剪试验数据分析而得[5-7]。

2.2 叠合面抗剪性能影响因素

叠合结构的斜裂缝发展到叠合面时,叠合面的受力状态可以用桁架模型模拟(图1)。上部受压区混凝土受压，下部纵筋受拉，裂缝间混凝土承受压，箍筋承担竖向拉力，裂缝间混凝土的黏结力、咬合力以及箍筋承担水平剪力。通过对叠合结构叠合面抗剪桁架结构模型分析可以得到，叠合面抗剪承载力主要由混凝土的黏结力、叠合面粗糙度引起的咬合力、混凝土滑移趋势下的静摩擦或动摩擦力(叠合面上荷载产生的压应力、箍筋拉应力垂直叠合面的分量产生的摩擦力)、箍筋的销栓抗剪作用力等组成。混凝土叠合面抗剪影响因素主要包括叠合面粗糙程度、配箍率、混凝土强度、叠合面压应力、叠合面主拉应力等。

图1 叠合面抗剪模型

2.3 叠合面剪应力计算

2.3.1 叠合面平均剪应力

对于混凝土叠合受弯构件，弯矩极值点两侧的剪力反号，说明弯矩极值点两侧的剪切变形趋势相反，考虑到叠合受弯构件叠合面破坏时混凝土已经进入到塑性状态，隔离体选取长度应以支座、绝对最大弯矩点和零弯矩点为界限，划分成若干剪跨区段(图2)。

图2 叠合受弯构件剪跨的划分

叠合面抗剪计算隔离体取每一剪跨叠合面以上的现浇区域(图3)。由于弯矩为零的截面处，混凝土受压区压应力为零，可以通过剪跨区内|Mmax|处叠合面以上的混凝土受压区总轴力来求得叠合面的总剪力。叠合面抗剪承载力的设计目标应该是该破坏模式不应先于其他破坏模式出现，所以，极限破坏状态时，混凝土的压应力σ可用混凝土抗压强度设计值fc替代。又因为水平受弯构件中，受压混凝土的压应力合力加上受压钢筋的压应力的合力与受拉区钢筋拉应力合力相等。利用水平投影平衡条件建立下式：

(1)

图3 叠合面剪力计算隔离体

表1 叠合面平均剪应力分析

注：AP—试件的配筋面积；fptk—试件配筋的抗拉强度标准值。

2.3.2 叠合面最大剪应力的计算

叠合结构在线弹性阶段，变形符合平截面假定，根据剪力互等定理，叠合面处剪应力等于与叠合面垂直相交处横截面的剪应力。叠合面剪应力公式仍是：

τ=QS/bI

(2)

叠合结构开裂后，横截面上的正应力并非线性分布，受压区混凝土进入塑性状态，通常假定受压区混凝土均匀受压，受拉区仅钢筋承受拉力;根据剪应力是计算截面以上正应力的积分这个原则，可绘出横截面应力分布如图4。利用截面剪力的大小等于剪应力图形面积的原则可知:

τmax=Q/bz

(3)

式中：z—受弯截面的力臂;b—受弯构件的宽度。

由于混凝土受压区范围内剪应力分布为线性，利用几何相似性可知，叠合面处剪应力可按下式计算:

τmax=βQ/bz

(4)

式中：β—叠合面至受压边缘的混凝土受压面积与混凝土总受压面积的比值。

图4 混凝土受弯构件的应力分布

3 叠合面抗剪试验设计

叠合面抗剪强度影响因素实验试件的设计主要考虑叠合面处理方式、混凝土强度、配箍率、叠合面压应力等因素。试件由预制底层、现浇叠合层组成，预制底层、现浇叠合层尺寸均为150mm×150mm×75mm。混凝土设计强度预制底层为C40，叠合层为C20、C30、C40。叠合面处理方式为自然粗糙、4mm、6mm、8mm纵横双向压痕四种。叠合面抗剪箍筋分为不配箍筋(ρsv=0%)、2φ6(ρsv=0.2512%)、4φ6(ρsv=0.5024%)、6φ6(ρsv=0.7536%)四种，其中ρsv为叠合面配箍率。叠合面压应力为0MPa、0.007MPa、0.012MPa三种。不同条件试件每组各制作6块，共432块。抗剪试验在郑州工程技术学院结构试验室1000kN电液伺服万能试验机上进行。

4 叠合面抗剪影响因素分析

4.1 混凝土强度

为了研究叠合面抗剪强度随叠合层混凝土强度的变化规律，将不同叠合层混凝土强度叠合面抗剪强度试验结果列于表2。由表2可以看出，叠合面的抗剪强度基本上随后浇层混凝土强度的增加而增加。叠合面在没有抗剪箍筋及压应力作用时，抗剪承载力跟混凝土抗拉强度相关，即：

τu=βft

(5)

式中：β—叠合层混凝土强度影响系数。

表2 叠合面抗剪强度及β分析

各组试件实验结果基本符合正态分布，计算出β平均值列于表2。当底层混凝土强度一定时，β值随叠合层混凝土强度的提高而减小，但减小的趋势随混凝土强度提高有变缓的趋势。具体变化规律需要增加实验数据分析。文献[1]试验中，所有构件都是在跨中底板处先出现裂缝。叠合面破坏是由斜裂缝延伸到叠合面处，再沿叠合面开裂造成的，所以底板混凝土的强度等级对叠合面的抗剪强度起着重要作用。

4.2 叠合面处理方式

叠合结构的叠合面处理方法主要有自然粗糙和压痕等。由表2可知，在一定的压痕深度范围内(≤8mm)，叠合面抗剪强度跟叠合面压痕深度近似成正比例关系，但压痕深度一般不宜超过10mm，过深将影响预制构件的强度和刚度。

4.3 箍筋特性

从不同配箍率试件的实验结果可以得出，随着叠合面配箍率的提高，叠合面抗剪强度均逐渐增大。实验中箍筋与叠合面垂直，叠合面抗剪承载力由箍筋引起的增量计算公式为：

Δτus=μAsfy/Ach

(5)

式中：μ—箍筋对抗剪强度的影响系数。

依据式(5)计算出配箍率抗剪强度的影响系数μ列于表3。

表3 配箍率对叠合面抗剪强度的影响分析(单位：N/mm2)

由表3可知，配箍相同时，μ值随叠合层混凝土强度的提高而提高，说明采用高强度混凝土对配箍叠合面抗剪是有利的。随着配箍率的提高，叠合面抗剪强度提高，配箍率抗剪强度的影响系数μ呈现出减小的趋势，说明叠合面抗剪箍筋也存在最小配箍率和最大配箍率。文献[5]研究表明配箍率抗剪强度的影响系数μ应该接近1左右，本文实验中，叠合面配置抗剪钢筋2φ6(ρsv=0.2512%)时，箍率对叠合面抗剪强度的影响系数μ平均值为1.143，比较符合适筋破坏的特征；箍筋配置4φ6(ρsv=0.5024%)时，箍率对叠合面抗剪强度的影响系数μ平均值为0.792，箍筋强度没有得到充分利用；箍筋配置6φ6(ρsv=0.7536%)时，箍率对叠合面抗剪强度的影响系数μ平均值为0.570，破坏时混凝土被压碎，箍筋没有屈服属超筋破坏。根据配箍筋2φ6和4φ6时的叠合面抗剪强度的影响系数，插值计算箍率对叠合面抗剪强度的影响系数μ为1时的配箍率为ρsv=0.3535%。所以，受弯叠合结构配箍率在0.15%～0.35%应该比较合适，但需要进一步补充实验数据验证。

4.4 叠合面的压应力

垂直于叠合面的压应力一般包括抗剪箍筋垂直于叠合面的分量、底板和叠合层之间的黏结力和垂直于叠合面的荷载产生的压应力。前二者在各国规范中已经考虑，但对于垂直于叠合面的荷载产生的压应力具有一定的随机性，工程应用时建议按最不利的状态考虑。混凝土强度、叠合面粗糙度相同时(表4)，随着叠合面压应力的增加，叠合面抗剪强度均逐渐增大。主要原因是叠合面压应力提高，摩擦力逐渐增大。

表4 叠合面压应力对叠合面抗剪承载力的影响

4.5 动荷载

叠合结构在动荷载的作用下,会产生双向裂缝，使箍筋与混凝土之间的黏结力发生疲劳破坏。因此动荷载的作用会使叠合面抗剪承载力降低，具体影响程度需要进一步做叠合结构的动载试验研究。

4.6 叠合面位置

叠合面剪切破坏主要由于主拉应力超过了叠合面抗拉强度造成的。在设计预制构件和叠合层高度时，尽量使叠合面位于受压区或中和轴附近，可以减少混凝土叠合面的拉应力，提高叠合面的抗剪性能。叠合面的位置可以用预制截面高度h1与叠合后截面总高度h之比αh=h1/h来表示,当αh≥0.6时叠合面抗剪较有利[5]。

4.7 跨高比

为了分析跨高比对叠合结构叠合面抗剪性能的影响，将文献[1、2]试验结构列于表5进行对比分析。10个试件混凝土强度等级、叠合面处理方式、叠合面位置基本相同，主要是跨度和跨高比不同。试验中除文献[1]中YDB-B4800、YDB-B5400、YDB-B6000发生了沿叠合面剪切破坏，其他试件都是发生弯曲破坏。10个试件的跨高比变化幅度为18.9～31.2，随着跨高比增大，除试件YDB-B5400由于叠合面提前发生剪切破坏挠度没有得到充分发展外，试件挠度逐渐增大，变化幅度为14.6mm～122mm，挠跨比也逐渐增大，变化幅度为1/210～1/39；叠合面剪应力值逐渐变小，变化幅度为0.88N/mm2～0.52N/mm2，但都大于等于0.4N/mm2。随着跨高比的增大，试件挠度增大，叠合面抗剪性能降低，不配箍筋叠合板当跨度大于4200mm时有可能发生叠合面剪切破坏。

表5 跨高比对叠合面抗剪性能的影响

5 结论及建议

5.1 混凝土叠合面的抗剪强度基本上随后浇混凝土强度的提高而增加，β值随叠合层混凝土强度的提高而减小。

5.2 叠合面抗剪强度跟叠合面压痕深度近似成正比例关系，但压痕深度一般不宜超过10mm，过深将影响预制构件的强度和刚度。

5.3 在适当的配箍率范围内，随着配箍率的提高，叠合面抗剪强度提高。本项目研究得出配箍率在0.15%～0.35%比较合适，仍需要进一步补充实验数据验证。

5.4 随着跨高比的增大，试件挠度增大，叠合面抗剪性能降低，不配箍筋叠合板当跨度大于4200mm时有可能发生叠合面剪切破坏。