姜德文，黃海林，劉光偉，張明亮，黃曙

(1. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南建工集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410004； 3.長(zhǎng)沙市人防工程質(zhì)量監(jiān)督定額管理站，長(zhǎng)沙 410013)

隨著時(shí)代的發(fā)展和時(shí)間的推移，有相當(dāng)一部分建筑物會(huì)因?yàn)槭褂霉δ芨淖儭⒉牧闲阅芰踊?、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷造成房屋結(jié)構(gòu)性能下降，因此，混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固技術(shù)變得越來(lái)越重要。外粘金屬、復(fù)合材料板材或者片材增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件是目前常見(jiàn)的加固方法[1-5]。同時(shí)，鋼材和FRP是使用最廣泛的兩種加固材料，鋼材強(qiáng)度高、延展性好，但耐腐蝕性差；FRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但延展性差，明顯呈脆性材料特征[6-9]；鋁合金材料耐腐蝕性好、延展性好，克服了鋼材和FRP的材料缺點(diǎn)，是工程結(jié)構(gòu)加固材料領(lǐng)域很有前景的材料。學(xué)者圍繞鋁合金加固混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能做了大量研究[10-11]，文獻(xiàn)[12]采用外部粘貼鋁合金條帶的方式來(lái)增強(qiáng)混凝土梁的抗剪能力，提出了外粘鋁合金條帶混凝土梁的抗剪加固計(jì)算公式；文獻(xiàn)[13]提出了鋁-混凝土組合梁承載力和剛度的數(shù)值分析模型；文獻(xiàn)[14]為了研究鋁合金和碳-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的粘結(jié)界面行為，使用有限元方法模擬了界面粘結(jié)破壞過(guò)程，結(jié)果表明，界面粘結(jié)強(qiáng)度和失效模式很大程度上取決于粘結(jié)劑。文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)單剪試驗(yàn)研究了混凝土強(qiáng)度、鋁合金板寬度和厚度、粘結(jié)長(zhǎng)度等因素對(duì)鋁合金板與混凝土界面性能的影響，得到了鋁合金板與混凝土的有效粘結(jié)長(zhǎng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的理論計(jì)算公式。鋁合金板與混凝土界面性能的影響因素較多，由物理與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程共同控制，因此，有關(guān)界面粘結(jié)滑移行為尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[17]。筆者通過(guò)不同參數(shù)下的雙剪試驗(yàn)，研究鋁合金板-混凝土界面的粘結(jié)破壞機(jī)理、界面的應(yīng)力傳遞、界面粘結(jié)-滑移規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

試件設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋁合金板表面粗糙度、鋁合金板粘結(jié)長(zhǎng)度和粘結(jié)寬度對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，具體參數(shù)見(jiàn)表1。每個(gè)試件由混凝土試塊、結(jié)構(gòu)膠、鋁合金板材3部分組成，混凝土試塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40，其組成成分為水、水泥、中砂及碎石。C30質(zhì)量配合比為m水泥∶m砂∶m石∶m水=1∶1.90∶3.52∶0.60，C40質(zhì)量配合比分別為m水泥∶m砂∶m石∶m水= 1∶1.36∶2.89∶0.49。試驗(yàn)時(shí)C30、C40試件實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值分別為33.4、42.2 MPa。雙剪試件具體構(gòu)造及幾何尺寸見(jiàn)圖1。

表1 試件設(shè)計(jì)Table 1 Specimen design

續(xù)表1

注：G表示溝槽表面，B表示鉆孔表面，N表示自然表面；G-75-120-C30表示溝槽表面，粘結(jié)寬度為75 mm，粘結(jié)長(zhǎng)度為120 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

圖1 雙剪試件示意圖Fig.1 Schematic diagram of twin-shear specimen

結(jié)構(gòu)膠采用廣州西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的sika-30CN雙組份、無(wú)溶劑、觸變型環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠。根據(jù)《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》(GB/T 2567—2008)采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)膠的拉伸試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)膠拉伸彈性模量為7.6 GPa，抗拉強(qiáng)度為39.9 MPa。根據(jù)《硫化橡膠與金屬粘接拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法》(GB/T 13936—1992)采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)膠-鋁合金板的粘結(jié)性能試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)膠-鋁合金板界面粘結(jié)剪切強(qiáng)度為9.8 MPa。

鋁合金板材型號(hào)為6061-T6。為了考察鋁合金板表面粗糙度對(duì)粘結(jié)性能的影響，鋁合金板表面做了兩種不同機(jī)械加工刻痕處理，并與自然光滑表面做對(duì)比。溝槽采用的構(gòu)造方式為：溝槽深度與寬度分別為1、3 mm，相鄰中心距為20 mm。鉆孔方法為：鉆孔的直徑與深度分別為3、1 mm，豎向中心距為20 mm，橫向中心距為10 mm，具體做法見(jiàn)圖2。

圖2 鋁合金不同表面處理方式Fig.2 Different surface treatment of aluminum alloy

1.2 試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

裝置由鋼立柱框架、穿心千斤頂、剛性連桿、六邊形連接件、鋼套筒、螺帽、萬(wàn)向轉(zhuǎn)鉸、拉力傳感器、鋁合金板上下夾具、加勁肋支撐鋼板等組成，見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)時(shí)，上、下夾具固定上下兩塊混凝土試塊，通過(guò)頂升穿心千斤頂對(duì)試件施加拉力，完成雙剪試驗(yàn)。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置，鋁合金板的上、下兩部分按非對(duì)稱(chēng)布置粘貼，以保證界面粘結(jié)失效破壞始于試件上半部分。其中，試件下半部為非試驗(yàn)區(qū)，粘結(jié)長(zhǎng)度為250 mm；試件上半部分為試驗(yàn)區(qū)，布置位移計(jì)與應(yīng)變片，粘結(jié)長(zhǎng)度分別為120、170、220 mm。為了防止試驗(yàn)過(guò)程中加載端混凝土發(fā)生局部三角形拉裂破壞，在混凝土端部留有20 mm的非粘結(jié)區(qū)。通過(guò)設(shè)置上下兩個(gè)球鉸，可在最大程度減少偏心的影響，保證鋁合金板與混凝土界面處于純剪受力狀態(tài)。試驗(yàn)加載前首先進(jìn)行預(yù)加載，加載速率控制在2 kN/min，預(yù)加載至8 kN結(jié)束。正式加載速率控制在2 kN/min，直至試件破壞。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置拉力傳感器來(lái)測(cè)量拉力大小；為測(cè)量鋁合金板沿粘結(jié)長(zhǎng)度的應(yīng)變變化規(guī)律，在試驗(yàn)區(qū)鋁合金板中部以20 mm間距均勻布置應(yīng)變片，同時(shí)，為了測(cè)量鋁合金板懸空段的拉力水平，在懸空段鋁合金板中部也粘貼了一個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。為測(cè)量鋁合金板與混凝土的相對(duì)滑移大小，分別在加載端與自由端布置一個(gè)位移計(jì)。

圖3 雙剪試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Double shear test loading device

圖4 鋁合金板上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Diagram of strain measurement points on aluminum alloy

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程與破壞形態(tài)

試驗(yàn)加載初期，鋁合金板應(yīng)變隨著荷載的增加而逐漸增大，但只有靠近加載端的應(yīng)變片有明顯變化，隨著荷載的進(jìn)一步增大，加載端附近的鋁合金板開(kāi)始出現(xiàn)滑移，可以聽(tīng)到輕微的鋁合金板從混凝土表面剝離的聲音，界面應(yīng)力開(kāi)始由加載端向自由端逐漸傳遞；隨著荷載的繼續(xù)增大，鋁合金板與混凝土在加載端的相對(duì)滑移增大比較明顯；當(dāng)荷載增加到接近極限荷載時(shí)，此時(shí)鋁合金板加載端附近出現(xiàn)端部的局部剝離，鋁合金板與混凝土界面產(chǎn)生裂縫，相對(duì)滑移明顯增加；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，滑移急劇增大，伴隨著一聲巨響，鋁合金板從混凝土表面完全剝離，試件破壞無(wú)法繼續(xù)承載。

表2列出了各試件的極限承載力、粘結(jié)強(qiáng)度、加載端滑移試驗(yàn)結(jié)果。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)鋁合金板被拉斷的現(xiàn)象，其試驗(yàn)有兩種破壞模式：1)鋁合金板與混凝土界面的剝離；2)結(jié)構(gòu)膠與鋁合金板的分層破壞。試件B-75-170-C40-a為鋁合金板與結(jié)構(gòu)膠層的分層破壞形式，其鋁合金板表面沒(méi)有粘附混凝土，出現(xiàn)這種分層破壞的原因是結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)作用不足或者結(jié)構(gòu)膠層太厚。試件G-100-220-C40-a為混凝土層剝離破壞，剝離下來(lái)的混凝土面積大于鋁合金的面積，并發(fā)現(xiàn)混凝土界面有一連串十分細(xì)小的懸臂柱。少部分試件鋁合金板剝離時(shí)在混凝土端部15 mm×15 mm的三角柱狀混凝土被拉扯下來(lái)。試件的典型破壞形態(tài)見(jiàn)圖5。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results

圖5 試件典型破壞形態(tài)Fig.5 Typical failure mode of specimens

2.2 荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)在鋁合金板表面中心線(xiàn)上連續(xù)布置應(yīng)變片，可精確測(cè)量出沿長(zhǎng)度方向的鋁合金板應(yīng)變分布規(guī)律。應(yīng)變片編號(hào)規(guī)則為：自由端附近為1#截面，至鋁合金板懸空段中部依次增大。

圖6給出了4種不同參數(shù)下的鋁合金板荷載-應(yīng)變分布曲線(xiàn)。盡管由于應(yīng)變測(cè)試誤差導(dǎo)致試件G-75-120-C40-a的6#截面應(yīng)力大于7#截面應(yīng)力，但總體上看，試件基本呈現(xiàn)出相同的應(yīng)變變化規(guī)律：在初始加載階段，只有加載端附近的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)讀數(shù)有明顯變化，此時(shí)鋁合金板、膠粘劑和混凝土共同參與工作，荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)呈線(xiàn)性變化；隨著荷載的增加，鋁合金板與混凝土之間開(kāi)始產(chǎn)生滑移，界面剛度減弱，荷載-應(yīng)變變化規(guī)律呈現(xiàn)出非線(xiàn)性；在整個(gè)加載過(guò)程中，粘結(jié)長(zhǎng)度不同的試件自由端附近應(yīng)變讀數(shù)都很小，可見(jiàn)這部分區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)有效應(yīng)力傳遞現(xiàn)象，說(shuō)明各試件都存在一個(gè)有效應(yīng)力傳遞的粘結(jié)長(zhǎng)度，超過(guò)這個(gè)有效粘結(jié)長(zhǎng)度，應(yīng)力將不再傳遞，從不同參數(shù)影響下的應(yīng)變傳遞區(qū)域來(lái)看，可以得到有效粘結(jié)長(zhǎng)度在80～120 mm。并且從表2和圖6可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及鋁合金板粘結(jié)寬度的增加，剝離承載力也有所增加，而鋁合金表面的粗糙度對(duì)界面粘結(jié)性能的影響不大。在荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性階段，從加載端至自由端的曲線(xiàn)斜率依次降低，說(shuō)明應(yīng)力從加載端逐步向自由端傳遞；在達(dá)到極限荷載時(shí)，鋁合金板都有一個(gè)應(yīng)變突變急劇增大的過(guò)程，最終鋁合金板從混凝土表面剝離導(dǎo)致試件破壞。

圖6 各級(jí)荷載下鋁合金板上的應(yīng)變分布Fig.6 Strain distribution of aluminum plate under various loads

2.3 粘結(jié)界面剪應(yīng)力分析

根據(jù)鋁合金板上應(yīng)變片的布置方案，可選取相鄰兩個(gè)應(yīng)變片之間的鋁合金板作為單元體，通過(guò)分析該單元體力的平衡方程，可以得到：鋁合金板拉力差由粘結(jié)界面剪應(yīng)力的合力來(lái)平衡。其中，鋁合金板粘結(jié)界面剪應(yīng)力可通過(guò)相鄰測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)以上方法，繪制不同試件界面剪應(yīng)力的演化規(guī)律如圖7所示。其中，橫坐標(biāo)表示距混凝土加載端距離，縱坐標(biāo)表示界面上的剪應(yīng)力。

圖7 各級(jí)荷載下界面剪應(yīng)力分布曲線(xiàn)Fig.7 The shear stress distribution curve of interface under various loads

加載初期，局部粘結(jié)剪應(yīng)力主要分布在加載端附近區(qū)域。剪應(yīng)力分布曲線(xiàn)大致為拋物線(xiàn)，且拋物線(xiàn)的最高點(diǎn)隨著荷載的增加，不斷向自由端轉(zhuǎn)移，說(shuō)明隨著荷載的增加，加載端界面剪應(yīng)力快速增長(zhǎng)，并不斷向自由端轉(zhuǎn)移，當(dāng)加載端附近剪應(yīng)力減少至0時(shí)，表明界面開(kāi)始剝離，直到界面完全剝離失效。在極限狀態(tài)時(shí)，最大粘結(jié)剪應(yīng)力一般情況下均出現(xiàn)在距離加載端60～80 mm的位置，其值一般約為5～10 MPa。而圖7(b)對(duì)應(yīng)的極限剝離承載力較小且峰值剪應(yīng)力值沒(méi)有傳遞過(guò)程就發(fā)生剝離破壞，這是因?yàn)樵谡{(diào)制結(jié)構(gòu)膠的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣泡和缺陷，導(dǎo)致界面出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得鋁合金提前發(fā)生剝離。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明；粘結(jié)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其峰值剪應(yīng)力越高，剪應(yīng)力開(kāi)始由加載端向自由端傳遞的速度越慢；混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，峰值剪應(yīng)力值越高，剪應(yīng)力開(kāi)始由加載端向自由端傳遞的速度越快；粘結(jié)寬度越寬，其對(duì)峰值剪應(yīng)力沒(méi)有太大影響，剪應(yīng)力開(kāi)始由加載端向自由端傳遞的速度越快；同時(shí)G、B類(lèi)試件的峰值剪應(yīng)力比N類(lèi)試件要高，分析其原因，可能是在截面削弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中，剪應(yīng)力開(kāi)始由加載端向自由端傳遞的速度要慢。

2.4 荷載-滑移關(guān)系曲線(xiàn)

試驗(yàn)通過(guò)在鋁合金板加載端與自由端設(shè)置WY系列位移傳感器的方法來(lái)測(cè)量相對(duì)滑移。相對(duì)滑移值反映了在加載過(guò)程中鋁合金板與混凝土之間的位移差值，也間接反映了界面的粘結(jié)剛度。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在整個(gè)加載過(guò)程中，各試件的鋁合金板/混凝土界面自由端相對(duì)滑移幾乎為0，可以忽略不計(jì)，因此，僅考慮鋁合金板/混凝土在加載端的相對(duì)滑移。典型試件在加載端鋁合金板與混凝土之間的荷載-滑移曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可以看出，荷載-滑移曲線(xiàn)大致呈現(xiàn)出相同的規(guī)律：1)線(xiàn)性增長(zhǎng)階段，滑移隨荷載的增長(zhǎng)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，此時(shí)界面3種材料共同工作、協(xié)同變形；2)快速增長(zhǎng)階段，滑移隨著荷載的增加出現(xiàn)非線(xiàn)性增長(zhǎng)，界面開(kāi)始出現(xiàn)損傷，界面剛度變?nèi)酰?)失穩(wěn)增長(zhǎng)階段，加載端界面開(kāi)始剝離，此時(shí)，荷載不增加但滑移會(huì)迅速增長(zhǎng)。

圖8 鋁合金板/混凝土在加載端的相對(duì)滑移曲線(xiàn)Fig.8 Relative slip curve of aluminum alloy plate/concrete at the loading end

圖9給出了4種不同參數(shù)影響下的荷載-滑移關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比圖。由圖9(a)可知，經(jīng)過(guò)表面粗糙度加工處理后的G、B類(lèi)試件相比N類(lèi)試件相對(duì)滑移還有一定程度的增加，可能是表面加工處理后試件截面剛度會(huì)降低，且界面受力時(shí)更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致剪應(yīng)力值較大的截面過(guò)早出現(xiàn)損傷軟化，因此，界面的粘結(jié)剛度會(huì)變?nèi)酢Ｓ蓤D9(b)可知，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其界面粘結(jié)剛度越大，相對(duì)滑移值越小，這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級(jí)越高，混凝土表面抗拉強(qiáng)度越大，混凝土、結(jié)構(gòu)膠與鋁合金板三者之間的共同相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致粘結(jié)界面的剛度變大，滑移值變小。由圖9(c)可知，粘結(jié)寬度越寬的試件，界面粘結(jié)剛度越大，相對(duì)滑移值越小，達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移值越大。由圖9(d)可知，粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)試件的初始粘結(jié)剛度并沒(méi)有太大影響，初始曲線(xiàn)斜率基本保持一致。在加載后期，有效粘結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，粘結(jié)長(zhǎng)度越短的試件應(yīng)力傳遞速度更快，界面損傷更快發(fā)生，界面粘結(jié)剛度下降更快，導(dǎo)致在相同荷載作用下滑移值最大。粘結(jié)長(zhǎng)度越長(zhǎng)的試件，破壞時(shí)的滑移值越大。

圖9 不同參數(shù)下鋁合金板/混凝土加載端的相對(duì) 滑移演化規(guī)律Fig.9 Relative slip evolution rule under the influence of different parameters

2.5 界面極限承載力

表2給出了各試件的極限承載力、界面平均粘結(jié)強(qiáng)度的具體試驗(yàn)結(jié)果，為了能直觀觀察出不同參數(shù)下的極限承載力規(guī)律，分別繪出不同參數(shù)下的極限承載力柱狀圖，見(jiàn)圖10。由圖10可知，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，對(duì)于N類(lèi)，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為170 mm時(shí)，試件的極限承載力較120 mm時(shí)提高了10.4%；當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為220 mm時(shí)，試件的極限承載力較170 mm時(shí)提高了22.3%。但G、B類(lèi)鋁合金板相對(duì)于N類(lèi)鋁合金板，其極限承載力并沒(méi)有提高。鋁合金板的粘結(jié)承載力會(huì)隨著粘結(jié)寬度的增加而增加，當(dāng)試件類(lèi)型為G類(lèi)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，粘結(jié)長(zhǎng)度為220 mm時(shí)，粘結(jié)寬度為75 mm的試件比粘結(jié)寬度為50 mm的試件承載力提高了69.8%，粘結(jié)寬度為100 mm的試件比粘結(jié)寬度為75 mm的試件承載力提高了25.5%。

由圖10(c)可知，當(dāng)試件類(lèi)型為G類(lèi)，鋁合金板寬為75 mm時(shí)，粘結(jié)長(zhǎng)度為120 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了35.2%，粘結(jié)長(zhǎng)度為170 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了14.1%，粘結(jié)長(zhǎng)度為220 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了5.7%，表明隨著混凝土的強(qiáng)度等級(jí)增加，鋁合金板的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)增加。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件的極限荷載會(huì)隨著鋁合金板的粘結(jié)長(zhǎng)度和寬度以及混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的增加而增加，而增加鋁合金板表面粗糙度并未達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果，沒(méi)有隨著刻痕而增加界面的極限承載力，分析原因，可能是對(duì)鋁合金板表面做的處理雖然增加了粘膠面積和化學(xué)膠結(jié)力，但截面削弱處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使應(yīng)力最大處界面過(guò)早軟化，在此處首先產(chǎn)生滑移，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低，使試件承載力降低。

圖10 試驗(yàn)基本參數(shù)對(duì)界面極限承載力及粘結(jié)強(qiáng)度影響Fig.10 Effect of basic Test parameters on Interface Ultimate bearing capacity and bonding strength

3 鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

鋁合金板-混凝土的界面粘結(jié)滑移本構(gòu)曲線(xiàn)是鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)，為了得到鋁合金-混凝土界面粘結(jié)-滑移本構(gòu)曲線(xiàn)，需要獲得鋁合金界面某點(diǎn)的剪應(yīng)力和滑移量。常用的方法是通過(guò)沿粘結(jié)長(zhǎng)度方向在鋁合金板上粘貼應(yīng)變片，根據(jù)相鄰應(yīng)變片的讀數(shù)計(jì)算出局部粘結(jié)剪應(yīng)力，再利用應(yīng)變片的讀數(shù)采用疊加的方法得到局部滑移量的大小，進(jìn)而求得界面的粘結(jié)-滑移關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)，圖11為鋁合金-混凝土界面受力示意圖。

圖11 雙剪試驗(yàn)界面受力示意Fig.11 Interface stress diagram of double shear test

局部粘結(jié)剪應(yīng)力可按照?qǐng)D11微段單元受力平衡得

σabata+τxbadx=(σa+dσa)bata

(1)

σa=Eaεa

(2)

(3)

式中：Ea為鋁合金板的彈性模量；ta為鋁合金板的計(jì)算厚度。由分析可知，鋁合金表面加工處理對(duì)試件的應(yīng)變分布、承載力幾乎沒(méi)有影響，所以，計(jì)算局部粘結(jié)剪應(yīng)力可忽略鋁合金板表面刻痕、鉆孔對(duì)鋁合金板厚度的影響。

界面i處的滑移可定義為i處鋁合金的滑移量與混凝土滑移量的差值，即

Δs=sa-sc=si

(4)

(5)

從自由端x=0開(kāi)始計(jì)算滑移量si則為

(6)

試驗(yàn)中應(yīng)變片的布置間距均為20 mm。因此，式(3)～(6)可改寫(xiě)為

(7)

式中：si為i點(diǎn)滑移量；εi為i點(diǎn)處的應(yīng)變值；εj為j點(diǎn)處的應(yīng)變；Δx為相鄰應(yīng)變片之間距離。

根據(jù)式(3)、式(7)可以得到截面i位置(加載端)處的局部剪應(yīng)力和滑移值。圖12為按上述方法得到的典型試件的粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移量散點(diǎn)圖。圖13為試驗(yàn)中鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)圖。

圖12 典型試件界面粘結(jié)滑移散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter plot of bond-slip on the interface of typical specimens

圖13 鋁合金-混凝土界面粘結(jié)滑移曲線(xiàn)模式Fig.13 Interface bond slip curve mode of aluminum alloy-concrete

根據(jù)圖13，鋁合金-混凝土界面粘結(jié)滑移模型應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下條件：

1)當(dāng)s=0,dτ/ds=k0;

2)當(dāng)s=s0,τ/τmax=1,dτ/ds=0;

3)當(dāng)s>su,τ/τmax=μ,dτ/ds→0

式中：k0為界面的初始粘結(jié)剛度；μ為界面的摩擦系數(shù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性和界面軟化行為，其中，0→τcr為直線(xiàn)上升段，此時(shí)，界面的粘結(jié)主要由結(jié)構(gòu)膠的化學(xué)膠結(jié)力提供，滑移較小，可認(rèn)為荷載產(chǎn)生的位移可恢復(fù)。τca→τmax段為曲線(xiàn)上升段，粘結(jié)界面的初始缺陷在應(yīng)力集中的作用下開(kāi)始擴(kuò)展，削弱了界面粘結(jié)剛度。τmax→τΓ段為曲線(xiàn)下降段，當(dāng)滑移值到s0、界面應(yīng)力達(dá)到峰值，曲線(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入下降段，此時(shí)，界面出現(xiàn)損傷，不能承擔(dān)粘結(jié)區(qū)段釋放的剪應(yīng)力，承載力下降，卸載后界面的粘結(jié)剛度不可恢復(fù)。τ?！薅螢槠椒€(wěn)段，此階段曲線(xiàn)接近于水平線(xiàn)，界面粘結(jié)應(yīng)力幾乎為零，此時(shí)，界面發(fā)生剝離。

4 結(jié)論

1)鋁合金板-混凝土雙剪試驗(yàn)的破壞位置主要發(fā)生在鋁合金板和混凝土之間的膠層界面，并且破壞形態(tài)分為剝離和分層兩種，破壞前構(gòu)件沒(méi)有明顯征兆，屬于脆性破壞。

2)鋁合金板-混凝土界面的受力過(guò)程是界面應(yīng)力逐步從加載端向自由端傳遞的過(guò)程，且從應(yīng)力傳遞區(qū)域來(lái)看，各試件均存在一個(gè)有效粘結(jié)長(zhǎng)度值，超過(guò)該值應(yīng)力即不再進(jìn)行傳遞。

3)不同參數(shù)條件對(duì)試件界面應(yīng)力的影響：粘結(jié)長(zhǎng)度越短、粘結(jié)寬度越小、混凝土強(qiáng)度等級(jí)越低的試件界面應(yīng)力傳遞速度越快；不同表面粗糙度的試件應(yīng)變分布曲線(xiàn)規(guī)律基本保持一致，且應(yīng)變大小也基本相同，說(shuō)明鋁合金板表面處理對(duì)試件應(yīng)變分布、承載力的提高并沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響。

4)不同參數(shù)條件對(duì)試件加載端與自由端相對(duì)滑移的影響：提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增加粘結(jié)寬度，可以增加界面粘結(jié)剛度，從而使得界面相對(duì)滑移較小；粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)界面粘結(jié)剛度沒(méi)有太大影響，但可以增加試件的延性；對(duì)于表面粗糙度不同的試件，N類(lèi)表面粘結(jié)剛度最大，G類(lèi)次之，B類(lèi)最小。

5)不同參數(shù)條件對(duì)試件剝離承載力和粘結(jié)強(qiáng)度的影響：增加粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)寬度、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)能夠提高試件剝離承載力，尤以粘結(jié)寬度影響最為顯著，而鋁合金表面處理對(duì)剝離承載力并沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響；增加粘結(jié)長(zhǎng)度，粘結(jié)強(qiáng)度有所降低，粘結(jié)寬度和鋁合金板板表面處理對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響不大，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，粘結(jié)強(qiáng)度增加。

6)通過(guò)測(cè)量鋁合金板的應(yīng)變得到了不同參數(shù)條件下鋁合金板-混凝土界面粘結(jié)滑移試驗(yàn)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)存在明顯的界面軟化特征和非線(xiàn)性行為。