新老混凝土结合面抗剪性能试验研究与分析

2018-03-27薛倩倩卢永飞施洪康

四川水泥 2018年3期

薛倩倩卢永飞施洪康

（西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州 730124）

为克服铁路运能和运量的矛盾，中国铁路经过 6次大规模提速，早期的提速试验结果表明铁路中小跨度桥梁普遍存在横向振动过大的问题[1]，其一个重要的原因是桥墩横向刚度不足，针对此问题常常采用钢筋混凝土套箍加固技术，该技术能够增大桥墩的刚度和强度。钢筋混凝土套箍加固技术主要是通过沿原有桥墩的环向增设新的钢筋混凝土套箍层，这样不可避免地要涉及到新老混凝土结合面处理的问题，其结合面是最薄弱部位，影响甚至决定加固结构的承载力。而结合面的抗剪性是检验新结构承载性的最重要指标[2]。因此研究结合面的抗剪性能对结构有重要意义。孙昊比较了加固结合面的两种方式--植筋和开槽得出植筋的抗剪性能要高于开槽[3]，且对结合面植筋满足现行加固规范和不满足规范的植筋深度以及开槽进行研究[4]，王振领等也对是否满足现行加固规范的植筋深度以及结合面界面剂进行研究[5]，但实际工程加固的植筋深度都满足规范要求，因此有必要研究均满足规范要求下的不同植筋深度对结合面抗剪性能的影响。此外在设计中，往往涉及钢筋直径的选择和植筋间距的选择。因此有必要开展以上三方面的研究，为实际设计提供良好的解决方案。

1 试验设计

1.1 试件制作

为了新混凝土和老混凝土形成对比，应使新老混凝土的配合比一致，从而使新老混凝土的强度基本一致，采用新老混凝土强度为C50，其配合比如表1。采用如图1所示的Z字形试件进行新老混凝土结合面抗剪性能的试验，在标准养护室养护28天。采用如图2所示的加载方式，使新老混凝土结合面的受力状况接近实际截面的受剪力的受力状况。

表1 新老混凝土配合比

本实验共采用6个试件。采用的钢筋直径为10mm和12mm，考虑到GB50367－2013第 15.3.1[6]条对于植筋的基本锚固深度要求，采取的最小植筋深度不小于120mm，故选择120mm、140mm、160mm、180mm四种植筋深度。试件具体尺寸及相关参数如表2，处理示例如图3。

图1 Z字形构件图

图2 加载装置

1.2 试验方法

本次试验在万能压力机上进行，实验过程中密切关注位移、裂缝、荷载和应变的关系。首先对试件进行预加载，正式加载采用逐步分级加载，每级加载完成后稳定5min，然后再进行下一级加载，具体加载过程如图4。

表2 新老混凝土结合面抗剪试验试件设计参数

组别钢筋直径/mm 钢筋间距/mm 植筋深度/mm 2-1 φ12 150 160 2-2 φ10 150 160 3-1 φ12 150 140 3-2 φ12 200 140

图3 试块1-1新老混凝土结合面植筋处理

图4 试件加载图

2 结合面抗剪性能的试验分析

2.1 结合面抗剪分析

不植筋的新老混凝土结合面往往是抗剪的薄弱环节，其全部抗剪性能均由混凝土本身的粘结和机械咬合力提供，一旦达到其破坏荷载，即开裂荷载，混凝土因开裂导致结合面面积减小，应力进一步增大，最终导致结构破坏，从开裂到破坏过程短，无明显征兆，属于脆性破坏。

针对新老混凝土植筋结合面，欧洲规范[7]对混凝土结合面抗剪设计考虑四方面的抗剪机制，即粘结及骨料咬合、库伦摩擦、钢筋销栓效应和钢筋夹压效应。其中粘结及骨料咬合由混凝土自身提供，后三项均与钢筋有关。因此，植筋有助于新老混凝土结合面抗剪。

2.2 试验结果

新老混凝土结合面不同植筋情况的实验结果见表3。

表3 新老混凝土结合面试验结果

2.3 新老混凝土植筋结合面破坏特征

2.3.1 破坏特征

阶段一：混凝土未开裂，结合面全截面抗剪阶段。加载初期，由于荷载较小，结合面抗剪能力完全由混凝土的粘结及骨料咬合提供。

阶段二：混凝土开裂，裂缝开展阶段。当荷载达到开裂荷载时，结合面出现微小的竖向裂缝。随着荷载增大，混凝土逐渐退出工作，但由于钢筋的存在，大大减缓了裂缝的开展以及新老混凝土块之间的位移。随着荷载的进一步增大，裂缝也随之增大，随后试块发生了相对的位移，同时在结合面周围产生许多的斜裂缝。

第三阶段：破坏阶段。加载至破坏荷载时，结合面混凝土碎裂，结合面破坏，新老混凝土块之间的位移进一步增大，但由于植筋的缘故，新老混凝土块未完全分离（图5）。

2.3.2 裂缝开展过程

结合试验破坏过程和荷载-裂缝图（图6），在达到开裂荷载之前，结合面全截面抗剪，混凝土未开裂。随着荷载增大到开裂荷载，混凝土出现竖向裂缝，一开裂混凝土裂缝宽度迅速开展，这是由于原先由混凝土粘结及骨料咬合承受的力卸载给钢筋承受，使得钢筋在短时间内发生较大的变形，混凝土块发生较大的错动，裂缝开展到一定宽度，试件达到新的平衡。进入裂缝开展阶段，随着荷载的增大，裂缝发展较缓慢，混凝土块之间逐渐脱空、发生相对位移，试件表面出现斜裂缝。当荷载达到开裂荷载时，试件裂缝迅速开展，并且发生明显的位移，试块被破坏，但是新老混凝土没有发生脱离，钢筋发生明显的变形但没有被拔出，破坏过程明显，试块发生延性破坏。

图5 最终破坏图

图6 试块2-2荷载-裂缝

2.4 不同植筋情况对结合面抗剪的影响分析

2.4.1 不同植筋深度的影响

植筋对于结合面抗剪性能有显著的影响。从图7可看出,随着植筋深度的增加，破坏荷载先增大后减小，植筋深度140mm（11.7d）的抗剪强度是植筋深度120mm（10d）的1.18倍，植筋深度160mm（13.3d）的抗剪强度是植筋深度140mm（11.7d）的1.05倍，而植筋深度180mm（15d）的抗剪强度接近植筋深度120mm（10d）。因此，在加固设计中不能一味地追求增大植筋深度来提高抗剪性能，较大的植筋深度反而会降低抗剪性能，这既不能达到增强抗剪性能的目的，也造成了材料的浪费和经济的损失。

2.4.2 不同钢筋直径的影响

从实验数据可以看出，钢筋直径与抗剪强度呈负相关，钢筋植筋越大，试件抗剪强度越低，直径为10mm的钢筋的抗剪强度为植筋为12mm的1.3倍。显然，在结合面抗剪方面，钢筋的直径效应明显不同于梁的抗弯和柱的抗压等，因此为获得更大的抗剪强度和更好地延性，应选偏小的直径。

2.4.3 不同直径间距的影响

直径间距直接决定钢筋的数量，对结合面抗剪有显著地影响。植筋间距为150mm的抗剪强度是植筋间距间距为200mm的1.23倍，随着直径间距的减小，相应的植筋率也增大，结合面抗剪能力有显著地提高。因此在设计时，应增大植筋率。