程海根，劉宇根，胡 晨，姜 勇，胡鈞劍

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌，330013；2.華東交通大學(xué)土木工程國家實驗教學(xué)示范中心，江西 南昌，330013)

利用鋼板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，常選用建筑結(jié)構(gòu)膠或環(huán)氧樹脂膠將鋼板與混凝土粘貼，結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后，其承載力主要取決于鋼板-混凝土界面的黏結(jié)性能[1]。目前，針對鋼板-混凝土界面黏結(jié)性能的研究大多基于黏結(jié)強度和黏結(jié)滑移這2種模型[2]，但根據(jù)黏結(jié)強度模型僅能確定結(jié)構(gòu)的極限破壞承載力[3]，不能反映局部黏結(jié)界面的剝離破壞過程，而利用黏結(jié)滑移模型則能推導(dǎo)出整個界面剝離過程中的黏結(jié)應(yīng)力與滑移量[4-8]。因此，黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系不僅是有關(guān)鋼板-混凝土界面研究的核心問題，也是建立相應(yīng)有限元模型的基礎(chǔ)。

石英砂是一種重要的工業(yè)礦物原料，作為礦物摻和料摻入后能在一定程度上提高基體材料的性能[9-12]。有鑒于此，本文將石英砂摻入結(jié)構(gòu)膠中制備黏鋼加固混凝土試件，借助雙面剪切試驗研究了鋼板-混凝土界面的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對已有黏結(jié)滑移模型進行修正。

1 試驗

1.1 試驗材料

混凝土設(shè)計強度等級為C40，實測其抗壓強度為42.3 MPa；鋼板為Q235熱軋鋼板，其抗拉強度為210 MPa、彈性模量為206 GPa、泊松比為0.25；黏結(jié)劑為杭州固安科技有限公司生產(chǎn)的JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，其力學(xué)性能參數(shù)見表1；石英砂由新沂市宏潤石英硅微粉有限公司提供，其粒度為45 μm、密度為2.65 g/cm3，主要化學(xué)成分見表2。

表1 JGN結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能參數(shù)

表2 石英砂的化學(xué)成分(wB/%)

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)計7組鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)的試件，每組試件均包含2塊150 mm×150 mm×300 mm的混凝土和2塊900 mm×80 mm×4 mm的鋼板，鋼板、混凝土間的膠結(jié)層由JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠摻入不同量的石英砂均勻混合而成，7組試件膠結(jié)層的厚度以及其中石英砂與結(jié)構(gòu)膠的體積比α列于表3。利用液壓千斤頂及變形傳感裝置對試件的鋼板-混凝土界面進行雙剪切試驗[13-14]，試件加載裝置示意圖及測試現(xiàn)場照片如圖1所示。由圖1可見，1組鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)試件中存在4個黏結(jié)面即剪切面，借助變形傳感器測量2塊混凝土間的相對滑移，以鋼板加載端為起始位置，在中線沿加載方向距加載端5、25、45、75、115、165 mm處依次使用3 mm×2 mm規(guī)格的紙基電阻式應(yīng)變片(電阻值為120±0.1 Ω)布置測點以記錄黏結(jié)界面上鋼板的應(yīng)變分布，測點布置方案見圖2。

(a)試件加載裝置示意圖

(b)現(xiàn)場照片

Fig.1 Schematic diagram of specimen loading device and test site photo

圖2 測點布置方案(單位:mm)

2 試驗結(jié)果

2.1 試件的破壞形式

經(jīng)雙剪切試驗后，各組試件破壞情況及其破壞極限荷載見表4，部分試件遭破壞后發(fā)生完全剝離的黏結(jié)面照片如圖3所示。從圖3(a)可見，SJ1試件中發(fā)生完全剝離的黏結(jié)面表現(xiàn)為鋼板與膠結(jié)層剝離破壞，鋼板剝離后膠結(jié)層仍然完整地黏貼在混凝土表面上，而SJ4試件是因混凝土從內(nèi)部剝離而形成完全剝離的黏結(jié)面(圖3(b))，至于SJ5試件發(fā)生完全剝離的黏結(jié)面，膠結(jié)層與鋼板、混凝土間均發(fā)生剝離，部分與混凝土剝離但仍黏貼鋼板的膠結(jié)層上還殘留一些被其帶離的表層混凝土(圖3(c))。分析所有試件的破壞形式表明，大部分試件主要發(fā)生了鋼板與膠結(jié)層的剝離，并且破壞部位表現(xiàn)為脆性破壞，這應(yīng)歸因于鋼板表面過于光滑，對鋼板進行鑿毛處理后再黏貼混凝土即可避免這種脆性破壞；同時，少部分試件還存在混凝土內(nèi)部剝離破壞。

2.2 鋼板表面應(yīng)變分布分析

基于雙剪切試驗所測數(shù)據(jù)，獲取各試件在不同荷載作用下其黏結(jié)面處鋼板表面的應(yīng)變分布情況。因為同一組試件的4個黏結(jié)面在發(fā)生剝離破壞前鋼板表面應(yīng)變分布趨勢相似，故僅需考察試件發(fā)生完全剝離的黏結(jié)面，在此以膠結(jié)層中石英砂與結(jié)構(gòu)膠體積比α分別為0.17、0.33的SJ2試件和SJ4試件為例進行分析，其中SJ2試件完全剝離黏結(jié)面上膠結(jié)層與鋼板、混凝土間均發(fā)生剝離，而SJ4試件相應(yīng)位置上則為膠結(jié)層與混凝土之間發(fā)生剝離，SJ2、SJ4試件黏結(jié)面處鋼板應(yīng)變分布曲線如圖4所示。從圖4(a)中可見，當(dāng)荷載達到19.0 kN時，在SJ2試件鋼板上距加載端25 mm處的應(yīng)變值已超過距加載端5 mm處的相應(yīng)值，表明該試件黏結(jié)面在此位置附近開始發(fā)生剝離；當(dāng)荷載增至21.0 kN時，剝離位置轉(zhuǎn)移到距加載端45 mm處；當(dāng)荷載為24.0 kN時，黏結(jié)面已經(jīng)剝離到距加載端75 mm處，而此時鋼板加載端附近的應(yīng)變也明顯增大，這是因為鋼板與膠結(jié)層幾乎完全剝離，荷載主要由鋼板承受所致；當(dāng)荷載增至28.0 kN時，黏結(jié)面發(fā)生完全剝離破壞。對比不含石英砂的 SJ1試件(極限荷載為31.0 kN)，石英砂的少量摻入雖降低了SJ2試件中黏結(jié)面剝離的極限荷載，但同時也增大了鋼板與膠結(jié)層之間的摩擦，有效延長了黏結(jié)面剝離的趨勢，避免了黏結(jié)面在剝離開始初期就迅速發(fā)生完全剝離破壞。由圖4(b)可知，SJ4試件黏結(jié)面在荷載為22.0 kN時開始發(fā)生剝離，此時鋼板上距加載端25 mm處的應(yīng)變值明顯高于距加載端5 mm處的相應(yīng)值，并且后者相較低荷載時急劇下降且為負值，此外，當(dāng)荷載增大到24.0 kN時，鋼板上距加載端45 mm處的應(yīng)變也為負值，這可能是因為鋼板本身有部分彎曲，彎曲部位與混凝土粘貼后存在初始應(yīng)變，當(dāng)黏結(jié)面發(fā)生剝離時該應(yīng)變得到釋放，從而導(dǎo)致鋼板相關(guān)位置應(yīng)變值突降為負值；隨著荷載的不斷增大，鋼板上不同測點處的應(yīng)變呈現(xiàn)階段性突變趨勢，表明試件黏結(jié)面沿著加載方向從加載端向自由端持續(xù)剝離。7組試件中，SJ4試件的極限荷載值最高，其黏結(jié)面的剝離形態(tài)為膠結(jié)層與混凝土間的剝離破壞且剝離持續(xù)過程較長，表明該試件膠結(jié)層摻入的石英砂含量適中，能明顯增強鋼板-混凝土界面的抗破壞能力。

表4 試驗結(jié)果

(a) SJ1 (b) SJ4

(c) SJ5

圖3 部分試件破壞圖

Fig.3 Failure of some specimens

(b)SJ4

3 鋼板-混凝土界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

3.1 剪應(yīng)力與滑移量

在鋼板-混凝土界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系中，黏結(jié)界面上任意一點的剪應(yīng)力及對應(yīng)的滑移量是兩個重要參數(shù)。基于差分法原理，剪應(yīng)力與相應(yīng)剪應(yīng)變的關(guān)系式為

(1)

式中，τ為微段平均剪應(yīng)力，MPa；tb為鋼板的厚度，mm；dσ為微段應(yīng)力差，MPa；dx為微段長度，mm；Eb為鋼板的彈性模量，MPa；dε為微段應(yīng)變差。假設(shè)鋼板自由端處不產(chǎn)生滑移，則相應(yīng)的局部滑移量表達式為

(2)

式中，s為測點所對應(yīng)的滑移量，mm；xi為測點與自由端處水平距離，mm；εf表示測點與自由端之間任意位置的應(yīng)變值。

3.2 界面黏結(jié)滑移曲線分析與模型修正

根據(jù)雙剪切試驗所測數(shù)據(jù)，利用公式(1)、(2)分別計算出在一定荷載作用下試件黏結(jié)面附近任意一點的剪應(yīng)力及滑移量，進而繪制該點的黏結(jié)滑移曲線。以SJ4試件中加載端發(fā)生剝離的黏結(jié)面為例，該處鋼板上靠近加載端附近的3個測點的黏結(jié)滑移曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，3個測點的黏結(jié)滑移曲線具有類拋物線特征，在加載初期，測點剪應(yīng)力隨滑移量增大而近似線性增加；隨著荷載的不斷增大，這種增加趨勢變緩直至剪應(yīng)力達到最大值τmax，此時對應(yīng)的滑移量為s0；當(dāng)剪應(yīng)力達到最大值τmax時黏結(jié)界面將出現(xiàn)損傷，之后剪應(yīng)力開始下降而滑移量持續(xù)增大直至黏結(jié)界面發(fā)生剝離，此時滑移量達到極限值su。此外，通過比較3個測點的黏結(jié)滑移曲線可以看出，距離鋼板加載端最近處(5 mm)測點的黏結(jié)滑移曲線能夠更精確地反映整個加載過程中鋼板-混凝土黏結(jié)界面的剝離過程，同時，該曲線與圖6所示Nakaba模型[15]的黏結(jié)滑移曲線形式相似，且均以剪應(yīng)力峰值τmax、剪應(yīng)力峰值所對應(yīng)的滑移量s0以及極限滑移量su作為界面黏結(jié)滑移關(guān)系的關(guān)鍵控制參數(shù)，因此可采用此處測量數(shù)據(jù)來分析相關(guān)界面的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。

圖5 SJ4試件的黏結(jié)滑移曲線

圖6 Nakaba模型的黏結(jié)滑移曲線

為了使Nakaba黏結(jié)滑移模型更適合膠結(jié)層含石英砂的鋼板-混凝土界面，利用試驗數(shù)據(jù)對該模型參數(shù)進行檢驗和修正，Nakaba模型方程為

(3)

式中n為回歸系數(shù)。在Nakaba模型中，τmax與混凝土抗拉強度有關(guān)，s0取為固定值，而在Neubauer模型[16]、Monti模型[17]及陸新征等提出的模型[18]中，τmax不僅與混凝土抗壓強度有關(guān)，還與外貼板材、混凝土構(gòu)件寬度比有關(guān)。再則，混合黏結(jié)膠層在混凝土層表面固化產(chǎn)生的化學(xué)膠結(jié)力以及二者之間的摩擦力都有助于增強界面黏結(jié)性能，而這些因素又受膠結(jié)層中石英砂含量影響，故修正模型時需綜合考慮上述因素。另外需要指出的是，雖然7組試件大多為膠結(jié)層剝離破壞，黏結(jié)面極限承載力和極限滑移量su偏小，但試件加載前期的最大剪應(yīng)力τmax及其對應(yīng)的滑移量s0與之關(guān)系不大，所以不會對修正模型造成明顯影響。對Nakaba模型進行修正的過程為：首先，由試件中鋼板與混凝土塊的寬度bp和bc求得寬度影響系數(shù)βw，計算公式為

(4)

其次，根據(jù)試件雙剪切試驗結(jié)果，結(jié)合Nakaba模型，在引入βw、混凝土抗拉強度ft、常數(shù)因子θ(θ值為1，mm·MPa-1)的基礎(chǔ)上獲得τmax、s0等黏結(jié)滑移參數(shù)與α的關(guān)系式

τmax=βwft(-740.01α5+1678α4-1365α3+

456.79α2-49.543α+1.9354)

(5)

s0=βwftθ(-3.2418α5+6.9731α4-5.3369α3+

1.6693α2-0.1678α+0.0049)

(6)

相應(yīng)關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可見，在考慮βw、ft等因素后，隨α的不斷增加，τmax、s0均呈現(xiàn)出先減小再增大最后又減小的趨勢。最后，獲得膠結(jié)層含石英砂的鋼板-混凝土界面黏結(jié)滑移修正模型：界面剪切力與相應(yīng)滑移量的關(guān)系仍采用Nakaba模型(式(3))，但其中τmax、s0的計算方程

(a)τmax

(b) s0

Fig.7 Curves of relationship between bond-slip parameters andα

分別采用式(5)和式(6)，回歸系數(shù)n取試驗擬合平均值6.1005。

根據(jù)試驗結(jié)果對修正模型進行驗證，以膠結(jié)層中石英砂含量不同的SJ4、SJ5試件為例，其雙剪切試驗結(jié)果與相應(yīng)的黏結(jié)滑移修正模型擬合曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，在黏結(jié)界面切應(yīng)力達到最大值以前的階段，試驗結(jié)果與修正模型吻合度較高；在界面切應(yīng)力達到最大值后又開始下降的階段，發(fā)生混凝土剝離破壞的SJ4試件試驗值與修正模型依然吻合，但發(fā)生膠層剝離破壞的SJ5試件試驗值與修正模型擬合度較差，不過二者整體變化趨勢基本一致?？傮w來說，本研究在Nakaba模型基礎(chǔ)上進行修正所得模型能較好地反映膠結(jié)層含石英砂的黏鋼-混凝土界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。

(a)SJ4試件

(b)SJ5試件

4 結(jié)語

本文設(shè)計了不同石英砂摻入量的黏鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)件進行鋼板-混凝土黏結(jié)界面雙剪切試驗，結(jié)果表明，在鋼板黏結(jié)施工質(zhì)量良好的前提下，鋼板-混凝土界面的破壞形式主要為鋼板與膠結(jié)層的剝離破壞，故實際工程中對鋼板表面進行鑿毛或錨固處理很有必要。當(dāng)荷載較小未造成黏結(jié)面剝離時，隨著與加載端距離的不斷增加，鋼板表面應(yīng)變明顯降低直至接近于零。當(dāng)荷載較大造成黏結(jié)面發(fā)生剝離時，鋼板表面應(yīng)變峰值位置從加載端處沿加載方向往自由端轉(zhuǎn)移，表明加載端處界面發(fā)生了剝離并導(dǎo)致附近區(qū)域應(yīng)變下降，同時遠離加載端處應(yīng)變增大，這種剝離趨勢逐漸向自由端發(fā)展。試件黏結(jié)滑移曲線主要由上升段與下降段組成，最大黏結(jié)剪應(yīng)力τmax和其所對應(yīng)的滑移量s0均隨著膠結(jié)層中石英砂含量的增加而呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢，在本研究試驗條件下，當(dāng)石英砂與結(jié)構(gòu)膠的體積比為1∶3時，黏結(jié)加固效果最好?？紤]鋼板、混凝土構(gòu)件寬度比以及混凝土抗拉強度等因素，對Nakaba黏結(jié)滑移模型進行修正后所得模型與試驗結(jié)果吻合度較高，更適用于膠結(jié)層含石英砂的鋼板-混凝土界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系分析。