新旧混凝土界面双面直剪性能尺寸效应试验研究

吴二军,刘 谦,胡雨晴

(1.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098;2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江 杭州 310012)

研究表明,混凝土强度存在显著的尺寸效应,表现为:尺寸越大,平均强度越小。工程设计中,特别是大尺度构件,所取材料力学性能参数如果不考虑尺寸效应,无疑将高估结构的承载能力,带来安全隐患。过去几十年中,尺寸效应机理及其定量评估得到国内外多位学者关注并开展了研究。Kani[1]对截面高度在150～1 220 mm之间的几何相似的无腹筋钢筋混凝土梁进行受剪试验,发现钢筋混凝土简支梁在梁高方向(剪力作用方向)尺寸效应显著,但强度变化与宽度无相关性。Chana[2]完成了36根截面高度在150～750 mm之间的钢筋混凝土简支梁受剪试验,得出相似结论。Shioya等[3]开展了最大截面有效高度为3 000 mm的无腹筋简支梁受剪试验,发现其受剪强度随截面高度的增加而明显减小。于磊等[4-5]对截面尺寸为600 mm×1 200 mm的无腹筋钢筋混凝土梁进行受剪试验,发现大尺寸无腹筋钢筋混凝土梁的受剪承载力存在明显的尺寸效应。Weibull[6]基于最弱链假定提出统计尺寸效应理论。Bazant[7]基于裂缝带模型提出了尺寸效应律公式。Carpinteri等[8]基于分形自相似的概念,提出了多重分形尺度律公式。Hu等[9]基于边界效应模型提出边界尺寸效应理论,认为不同尺寸裂缝会对断裂失效的混凝土试件名义强度造成影响。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[10]也规定了一般板类受弯构件斜截面受剪承载力计算时,应考虑尺寸效应,并分别建议了形式基本相同的考虑截面高度的尺寸效应系数。

随着既有建筑物加固改造工程的日益增加和预制装配式建筑的兴起,新旧混凝土界面受力性能成为土木工程领域研究热点问题之一。由于界面影响因素众多,以及问题的复杂性,自20世纪60年代至今,众多学者进行了大量研究,但至今仍未成熟。研究内容涉及界面处理方式、界面粘结方式的参数影响规律、界面粘结机理与界面受剪强度的计算公式等方面[11-17],然而至今鲜见涉及新旧混凝土界面受剪性能尺寸效应的相关研究。毋庸置疑的是,实际工程中的新旧混凝土界面尺度通常远大于试件界面尺度,采用小尺度试件得到的界面强度用于大尺度试件的设计,显然增大了结构的失效概率。

1 试验方案

1.1 试件设计

本文选取了操作简单、最接近实际工程中界面工作状态的双面直剪试验开展研究,试件形状和尺寸如图1所示。共设计制作2组6个整浇试件和8组33种44个新旧混凝土双面直剪试件,变量除了界面尺度外,界面切凿方式、横向约束、混凝土强度也作为影响参量进行分析。所有试件以平均凹凸深度10 mm作为凿毛控制目标,试件的界面处理方式有机械凿毛、人工凿毛和规则齿槽三种,界面处理效果如图2所示。试件编号和参数参见表1。

图1 双面直剪试件形状示意图(单位:mm)

图2 双面直剪试件形状示意图

表1 新旧混凝土界面双面直剪受剪性能尺寸效应试验试件参数

1.2 试验装置

双面直剪试验装置如图3所示,为了对界面施加横向约束和预压力,设置了简单的约束装置,包括:四个水平螺杆、两端的约束钢板和螺母。其中,右侧的约束钢板为双钢板,之间安装一个力传感器。通过依次多轮旋紧螺母,可得到比较均匀准确的界面压力。

注:1—反力架;2—上压板;3—下压板;4—油缸;5—对拉螺杆;6—四角带22 mm螺栓孔钢板;7—位移计;8—测点触板;9—分配钢板;10—上垫块;11—下垫块;12—辅助垫块;13—荷载传感器。

竖向荷载采用2 000 kN压力试验机自动加载,首先采用位移-时间控制,以0.1 mm/s匀速上升至预压荷载5 kN,消除试验装置缝隙。正式加载阶段,采用力-时间控制,加载速度为0.2 kN/s。

1.3 观测内容及方法

观测内容包括:受力过程与破坏形态、时间-滑移关系曲线、时间-荷载关系曲线。时间-荷载数据通过电液万能试验机的配套控制系统采集,时间-滑移数据通过静态数据采集仪和电子位移计采集。数据测得后,对时间-荷载曲线和时间-滑移曲线进行二次处理,得到剪力-滑移曲线;基于剪力-滑移曲线,得到试件开裂、裂通和破坏三个特征状态时的滑移、荷载和应力;换算得出剪应力-滑移曲线。

2 试验结果

2.1 试验现象

试件表现为两类破坏形式:双面破坏和单面破坏,如图4所示。前者现象为:左右界面下部先后出现竖向贯穿裂缝,最后在同一级荷载突然破坏;后者现象为:一侧界面先出现竖向贯穿裂缝后脱开,另一侧始终粘结良好。这种现象显然是由于两侧受力或界面强度的不对称性造成的。

图4 试件典型破坏形态

设置横向约束可显著降低界面不对称影响,并提高界面受剪破坏时的延性。试验中,75%的无侧向约束试件的破坏形态是单侧开裂;而施加有横向约束的试件中,81.25%发生双侧开裂。抗剪界面尺寸小的试件,受不对称荷载时的敏感性越高,越容易发生单侧开裂破坏。

从界面的最终破坏形态来看,无约束双剪构件的界面表现为粘结失效脱开。而有约束试件随着约束应力的增加,摩擦咬合作用增强,表面可看到剪切引起的碎屑脱落。整浇试件则表现为明显的斜压破坏特征。

2.2 剪应力-滑移(-s)曲线

图5 各组试件的-s曲线

对于有约束试件,曲线类型则较为复杂,可分为四种类型。第一种:图5(e)为单调增长曲线,单面破坏时测得。如进行界面滑移刚度分析,这些构件可纳入统计范围,但如果进行强度分析,显然低估了界面的受剪能力,建议舍去。第二种:图5(f)的曲线出现在界面上预加压力条件下,界面开裂滑动时,突然应力释放,荷载降低;随后,形成新的界面凹凸咬合并逐渐挤紧,刚度增加,强度提高。第三种:图5(g)(i)为较低强度时发生几次锯齿形震荡后,抗剪强度增加,这种情况发生在无预应力界面约束条件下,是界面开始局部滑脱的典型表现。第四种:图5(h)曲线发生在规则齿槽界面,表现为破坏前高应力震荡,随后破坏。这种破坏开始于齿槽的先后剪断开始。

2.3 界面特征点应力和滑移

从图5曲线中提取各转折特征点应力和位移,得到图6和图7所示的曲线。其中同一种编号有多个试件时,取平均值。

图6 无横向约束组特征点应力

图7 不同界面处理方式下有横向约束试件的特征点应力和滑移

由图6可以看出:无横向约束时,机械凿毛试件在剪力作用方向上各性能参数存在明显的尺寸效应,随界面高度增大,特征点应力减小,极限应力增大1.6倍,滑移值也随界面高度的增加而增加,在宽度方向则影响不明显。分析认为,这种现象表明了界面剪应力分布的显著不均匀性,界面不同位置开裂、破坏不同时发生,界面高度越大,完全破坏时相对滑移值越大,平均应力越低。

由图6可以看出:无约束人工凿毛试件中界面高度为400 mm试件极限应力明显偏高,检查破坏面后发现凿毛粗糙度略大。其他各性能参数的尺寸效应并不明显,分析认为是试验系统的离散性远远大于尺寸效应干扰所致。对于有横向约束试件,除个别数据异常外,其特征点应力均呈现随界面高度增大而减小的尺寸效应现象,极限剪应力增幅高达1.6倍,但特征点滑移则不明显,参见图7。

3 抗剪强度的参数影响规律

3.1 界面抗剪强度折减系数

研究表明,新旧混凝土界面强度显著低于整浇试件的直剪强度。以与新旧混凝土界面中较低强度混凝土整浇试件的抗剪强度为基准,定义新旧混凝土界面抗剪强度与整浇试件直剪强度的比值为界面抗剪强度折减系数,图8为各组试件的强度折减系数分布情况。

图8 各组试件的强度折减系数

3.2 参数影响分析

3.2.1 界面处理方式影响

从图8可以看出,界面无约束时,人工凿毛试件的抗剪强度的强度折减系数随尺寸增大变化不大,范围为0.347～0.364,显著高于机械凿毛试件的界面抗剪强度,其范围在0.1～0.22之间;界面存在预应力约束时,规则齿槽界面的性能明显优于凿毛试件,人工凿毛和机械凿毛相差不大。

3.2.2 施加约束和预应力的影响

对比无约束试件,有约束试件的强度折减系数增大了2～2.5倍以上;对比有无预应力的两组带界面约束试件,发现施加预应力对强度折减系数影响并不明显,这表明本试验中各组试件破坏时,界面凹凸咬合效应远远大于摩擦效应。对比两组试件的开裂应力,发现预应力施加能显著提高开裂荷载。

3.2.3 混凝土强度的影响

JL(A)、JL(B)两组试件的试验结果表明,随着混凝土强度的提高,界面抗剪强度提高,但其强度折减系数是下降的。

3.2.4 界面宽度的影响

试验结果表明,界面宽度的增加对抗剪强度的影响很小,可以忽略其影响。

4 界面抗剪强度尺寸效应系数和界面承载力计算

以界面高度为200 mm双剪试件的抗剪强度为基准,定义各试件界面抗剪强度换算系数为尺寸效应系数,参见表2。

表2 新旧混凝土界面双面直剪抗剪强度尺寸效应系数

新旧混凝土界面双面直剪抗剪强度可表达为

τ≤βwβhft

(1)

(2)

式中,βw为新旧界面处理方式影响系数;βh为尺寸效应系数,φ1为尺寸效应敏感性系数;ft为旧混凝土轴心抗拉强度实测值,本试验中旧混凝土强度为C30时,实测ft=2.65 MPa。

根据试验结果拟合曲线如图9所示,拟合得到的βw列入表3中,不同组φ1差别很小,约为0.45。受剪承载力试验值、计算值及误差见表4。

图9 双剪试件受剪承载力拟合曲线

表3 拟合公式参数取值

表4 抗剪强度试验值、拟合值结果对比

最终得到的新旧混凝土双剪试件受剪承载力计算推荐公式:

(3)

(4)

(5)

5 结论

本文主要介绍了新旧混凝土尺寸效应双面直剪试验现象,并对试件破坏形态,荷载-滑移曲线以及试件各项特征值进行汇总并分类介绍,对试件极限应力的尺寸效应及其受横向约束形式、凿毛形式、新旧混凝土强度组合的影响进行了详细分析,主要结论如下:

1)试验中出现2类典型的受剪破坏形态,单侧破坏和双侧破坏。单侧破坏由两侧受力或界面强度的不对称所致,设置横向约束可降低界面不对称影响。

2)界面宽度一定时,界面高度增加,双剪试件极限应力逐渐减小,存在明显的高度方向上的尺寸效应现象,开裂应力、裂通应力以及滑移的尺寸效应规律不明显;界面宽度的增加对抗剪强度的影响很小,可忽略其影响。

3)定义新旧混凝土界面抗剪强度与整浇试件直剪强度的比值为界面抗剪强度折减系数,无横向约束条件下,人工凿毛试件强度折减系数随尺寸增大变化不大且显著高于机械凿毛试件;有横向约束条件下,规则齿槽界面性能明显优于凿毛试件,人工凿毛和机械凿毛相差不大。

4)施加横向约束可提升界面强度。施加预应力对强度折减系数影响并不明显,但可显著提高开裂荷载,这可能是预应力施加较小造成的。

5)采用高一级新、旧混凝土组合可增加试件裂通应力和极限应力,但提升有限。

6)对于机械凿毛目标凿毛深度10 mm的新旧混凝土双剪试件,受剪承载力按下面式子计算: