包柱式构件与现有柱之间连接界面受剪性能研究

周伟斌，黄小许 （广州华特建筑结构设计事务所，广东 广州 510640）

0 概述

考虑到改造工程中的新旧混凝土界面不一定是纯剪界面，国内研究人员对梁柱连接界面及包柱式构件连接界面的抗剪性能进行了试验研究，在试件设计时考虑混凝土强度、界面抗剪钢筋、剪跨比等因素，取得了虽不够系统但却非常宝贵的试验数据。其中同济大学王伟和屈文俊、天津大学王俊杰、哈尔滨工业大学张沛等人共完成了27个梁柱连接界面试件的试验工作，但绝大部分试件未发生界面破坏，真正能用于新旧结构连接界面承载力统计分析的有效数据很少。黄小许、张正先、王琼、岳庆霞等人完成了63个包柱式托换构件连接界面试件的试验工作，在这些试验中，共有36个基面凿毛处理，并且发生界面剪切滑移破坏的试件，其中31个试件具有比较齐全有效的试验数据，也据此提出了新旧混凝土界面抗剪极限承载力的计算公式，可为本文对新旧混凝土连接界面的抗剪性能和受剪承载力的计算分析提供依据。

但该公式未考虑界面抗剪钢筋、托换梁剪跨比等因素的影响。在广州地铁一号线的楼房桩基托换工程中，托换梁和被托换柱之间的界面承载力按上述公式取下包线并按可靠指标要求进行设计，鉴于缺乏完善的设计公式，设计时按比受弯要求配置了稍多的纵向钢筋，同时在柱侧设置了横向拉结钢筋，以加强对界面的拉结、抑制界面的分离。包柱式构件的试验数据虽比较多，但需要进一步了解界面抗剪钢筋、剪跨比这些因素与界面抗剪性能的相关关系，并根据现有试验数据提出比较完善的连接界面受剪承载力计算公式。

1 试验概况

为了研究包柱式构件与现有柱之间新旧混凝土界面的滑移变形性能、界面的破坏形态，研究主要参数对梁柱混凝土连接界面抗剪承载力的影响，为四面包柱式的连接界面抗剪设计提供依据而进行本试验。这部分试验数据引用自黄小许、李国雄、张正先等人共同完成的试验结果，试验是在上世纪九十年代为满足广州地铁楼房桩基托换工程和建筑物断柱顶升纠偏技术研究的需要而完成的。

制作试件时，先浇筑混凝土柱，然后对混凝土基面进行凿毛处理，最后再浇筑包柱式混凝土构件（托换梁或顶升平台），从而形成现有柱和包柱式构件之间的混凝土连接界面。完成混凝土养护后，对新旧混凝土连接界面进行静载试验。

1.1 试件设计

根据当时托换工程和研究工作的需要，试件设计时考虑了界面混凝土强度、梁内纵向纵筋、剪跨比等试件参数。试件分为两批，第一批12组25个试件，第二批2组6个试件，合计31个试件，试件尺寸图如图1所示，试件参数如表1所示。在试件的所有新旧混凝土交接面处，凿毛原混凝土基面，深度为6mm，在交接面范围内全表面露新鲜混凝土，形成凹凸均匀的粗糙基面并用清水和钢丝刷把混凝土凿毛面粉尘清洗干净。在浇筑新混凝土前，应淋水养护凿毛面不少于12小时，并在新浇筑混凝土前半小时内涂刷水灰比为0.5的水泥浆，采用32.5R复合硅酸盐水泥。

图1 包柱式试件尺寸图

包柱式试件参数表 表1

梁内纵向钢筋均采用II级钢，钢筋在柱侧贯通，横向箍筋采用I级钢。柱混凝土强度比托换构件（托换梁）高2个等级。在界面两侧安装位移计，用于观测连接界面的滑移变形。试验时观测、记录试件破坏形态、界面初裂荷载、试件破坏荷载、裂缝分布和裂缝宽度、界面剪切滑移变形、界面处受拉纵筋应变。

2 试验结果及分析

试件的开裂始于混凝土托换梁的弯剪裂缝，随后界面开裂、滑移变形增大，破坏时的界面滑移变形实测值为1.05～4.50mm，柱的四周界面基本上同步滑移，最后均发生新旧混凝土界面的剪切滑移破坏。界面开裂荷载与极限荷载之比为0.37～0.75，大部分试件开裂较早，界面带裂缝工作。试验结果表明，界面上植入短钢筋后的销栓作用不明显，纵筋上焊接水平角钢有一定作用。

在界面开裂以致界面达到破坏荷载后，由于纵向钢筋和横向箍筋的围箍作用，界面滑移变形继续缓慢发展，界面剪切破坏虽属于脆性破坏，但还是具有一定的延性。试验结果如表2所示。

包柱式界面剪切破坏试验结果 表2

3 连接界面剪切机理

试验结果符合界面的剪切摩擦模型，该模型假设界面形成滑移裂缝，剪力作用促使界面两侧混凝土相对滑动，滑移使两侧混凝土产生分离趋势、纵筋受拉直至屈服，钢筋拉力反过来约束混凝土的分离趋势、混凝土在界面上产生压应力，两侧混凝土在剪力作用下形成静摩擦，提供摩擦力，从而阻止界面继续滑移。在界面凿毛的条件下，界面两侧混凝土还具有咬合摩擦力，与静摩擦力共同发挥作用。抗剪钢筋屈服或界面混凝土摩擦破坏，都会导致界面剪切破坏。因此，足够多的界面抗剪钢筋和足够大的界面面积是保证界面不发生剪切破坏的必须同时具备的两个条件。

与单纯的剪切界面不同，新旧结构之间的连接界面除符合剪切摩擦模型的受力机理外，还受到其他多种因素的附加影响。这些附加因素主要包括：弯矩的作用使界面上的正应力分布发生改变，甚至出现拉应力区，对界面抗剪不利。对于包柱式构件，一方面，由于界面抗剪钢筋布置在外侧，界面抗剪钢筋的对界面抗剪承载力的作用稍弱，而另一方面，由于托换构件对界面起四面围箍作用，混凝土界面强度对界面抗剪承载力的作用稍大。

4 受剪承载力计算

根据界面剪切机理和各种因素对包柱式连接界面受剪承载力的影响程度，在界面抗剪承载力计算公式中，采用按界面抗剪钢筋计算界面受剪承载力、按界面混凝土强度限制受剪承载力上限的表达方式，受剪承载力的计算公式中同时考虑了界面处剪跨比对受剪承载力的影响。在包柱式连接界面的试件中，有两个面垂直于梁轴线、受力条件与普通梁柱的连接界面类似，不同之处在于界面抗剪钢筋布置于柱的两侧梁内，而不是直接穿过界面内。另有两个面平行于梁轴线，类似于纯剪界面，但在梁的弯矩作用下，部分界面上受拉应力作用，不利于界面抗剪；布置于柱两侧梁内有效范围内的横向钢筋作为界面抗剪钢筋使用，而不是直接穿过界面，会影响界面抗剪钢筋作用的发挥。

A1～A4共8个试件采取了额外的界面连接措施，虽也是发生了界面剪切破坏，但与通常的凿毛处理界面相比，试验数据受这些额外措施的干扰，故不参与统计。参与回归统计的试件数量为23个。

此外，采用本文提出的界面抗剪承载力设计值计算公式，对国内其他同类试件的试验结果值进行了计算和对比验证。

4.1 受剪承载力极限值计算公式及回归统计分析

连接界面的受剪承载力极限值回归计算公式为：

式中：

V

为连接界面的受剪承载力极限值；

V

、

V

分别为X、Y计算截面上每个计算截面提供的受剪承载力极限值，X计算截面对应于垂直于梁轴线的两个界面，Y计算截面对应于另两个界面；为X计算截面上位于梁内受拉区的纵向钢筋的截面面积；为Y计算截面上的梁内有效宽度范围内的横向钢筋的截面面积，有效宽度取梁边线与柱边线之间的距离；

f

为界面抗剪钢筋的抗拉屈服强度值；

f

为混凝土的轴心抗压强度，取新、旧混凝土轴心抗压强度的较低值；

λ

为连接界面处的名义剪跨比，按梁取

λ

=

M

/(

Vh

)，M为连接界面处与剪力值V对应的弯矩值；

A

为Y计算截面上的梁内有效宽度范围内的横向钢筋的截面面积，有效宽度取梁边线与柱边线之间的距离；

b

、

b

分别为X、Y计算截面上连接界面的计算宽度，取计算截面所在的柱截面边长；

h

为计算截面上连接界面的计算高度，取包柱式梁的截面高度。

按公式（1）计算试件的界面受剪承载力极限值，试验值与计算值之比如表3所示。回归统计全部23个试件的受剪承载力试验值与计算值之比，平均值为μ=1.00，标准差 σ=0.113，变异系数 δ=0.112，说明回归公式计算值与试验结果吻合良好。

受剪承载力试验值与计算值的比较 表3

4.2 受剪承载力设计值计算公式及回归统计分析

连接界面的受剪承载力设计值计算公式为：

V

为连接界面的受剪承载力设计值；

V

、

V

分别为X、Y计算截面上每个计算截面提供的受剪承载力设计值；

f

为界面抗剪钢筋的抗拉强度设计值；

f

为混凝土的轴心抗压强度设计值，取新、旧混凝土轴心抗压强度的较低值。考虑到包柱式梁界面试验的试件相对较少，推算设计公式时试验值与设计值之比取值稍高，以提高设计界面的可靠度。按设计公式计算时，试验值与计算值之比列于表4。全部23个试件的试验值与计算值之比平均值为2.25，标准差为0.262，变异系数δ=0.117。将4中的受剪承载力试验值（R）和设计公式计算值（S）均代入公式

Z

=

R

/

S

-1，计算得到功能函数Z的平均值

μ

=1.25，标准差

σ

=0.262，可靠指标计算值β=4.76。23个试件的界面剪切破坏荷载与界面受剪承载力设计值之比为1.65—2.92，计算可靠指标为4.76，满足现行国家标准《建筑结构可靠度设计标准》（GB50068-2001）关于安全等级二级、破坏类型为脆性破坏的结构构件承载能力极限状态的可靠β≥3.7的可靠度要求，设计公式具有较好的相关性和较高的安全储备。

国内其他受剪承载力试验值与计算值的比较 表4

界面开裂荷载试验值与抗剪承载力设计值之比为 1.15～2.34，全部都大于1.0，说明在设计荷载作用下，界面不开裂。

4.3 设计值计算公式与国内其他试验结果的对比验证

在国内完成的包柱式连接界面试验中，天津大学王琼等人完成的试验内有10个试件采用凿毛界面、发生界面剪切滑移破坏，并且数据资料比较齐全，可供界面受剪承载力的对比验证。采用本文提出的包柱式界面抗剪承载力的设计值计算公式，按试验参数计算，试验值与计算值的对比数据如表4所示。从对比数据看，受剪承载力的试验值与计算值为1.70～2.87，平均值为2.28，均方差为0.366，变异系数为 0.160，说明计算公式的计算值与试验值之比较高，且离散性不是太大，计算公式是适用的。

5 结论

对于新旧混凝土结构连接界面的受剪承载力，得出以下结论：

①对于包柱式构件的连接界面，界面抗剪钢筋布置于界面两侧时抗剪性能较弱；

②在梁轴平行的柱侧界面中，包柱式梁的剪跨比与界面抗剪承载力负相关。

③包柱式构件对混凝土柱具有四面围箍作用，有利于提高界面混凝土的抗剪强度。

④包柱式构件与现有柱之间的连接界面受剪承载力设计值可以按本文提出的公式（3.2.1a）、（3.2.1b）、（3.2.1c）计算，计算值与试验值具有良好的相关性，可靠指标满足国家规范要求。