崔 濤, 何浩 錢增志, 周大興

(1.北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100124; 2.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088; 3.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司, 北京 100040)

高延性水泥基復(fù)合材料(engineering cementitious composites,ECC)是一種具有較高強(qiáng)度及韌性的新型建筑材料.其受拉變形性能極好,具有應(yīng)變硬化特征,且內(nèi)部亂向分布的纖維具有顯著的阻裂作用,可避免構(gòu)件有害裂縫在外力及環(huán)境作用下產(chǎn)生和發(fā)展[1-2].ECC適用于結(jié)構(gòu)加固工程,可同時(shí)保證加固結(jié)構(gòu)的耐久性及承載能力.近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)ECC在加固結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用開展了廣泛研究.如Kojima等[3-4]研究了ECC在大壩和引水槽等水利設(shè)施加固工程中的可行性;鄧明科等[5-6]研究了ECC加固砌體結(jié)構(gòu)承重墻體和既有混凝土梁柱等的力學(xué)性能.然而,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：半數(shù)以上的加固工程在正常使用期間,既有混凝土與加固材料之間會(huì)產(chǎn)生界面裂縫,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能及耐久性下降,造成加固失效[7].因此,針對(duì)ECC與既有混凝土之間的黏結(jié)性能展開研究,具有重要理論及工程意義.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了一系列研究,如Tayeh等[8-9]開展了既有混凝土表面不同連接方式對(duì)ECC-既有混凝土界面破壞形態(tài)及承載能力的研究;Sarkar[10]研究了表面粗糙度對(duì)ECC與既有混凝土界面黏結(jié)性能的影響;王楠等[11]分析了新老混凝土基體強(qiáng)度、界面黏結(jié)劑種類和加固方法等因素對(duì)界面抗剪效果的影響,并給出經(jīng)驗(yàn)公式;余江滔等[12]通過楔入劈拉試驗(yàn)研究了界面粗糙度對(duì)破壞模式及斷裂韌度等的影響.以上研究對(duì)ECC與混凝土結(jié)合面及影響因素研究較多,但普遍未考慮鋼筋對(duì)剪切作用的影響,且對(duì)結(jié)合面剪切荷載的組成機(jī)理也缺乏系統(tǒng)研究.

鑒于此,本文設(shè)計(jì)了3組帶結(jié)合面的Z形剪切試件和1組整澆混凝土對(duì)比試件,進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn),研究了剪切界面處理形式、抗剪鋼筋直徑等因素對(duì)ECC-既有混凝土結(jié)合面抗剪能力及剪切作用下荷載-滑移曲線的影響,提出了適用于ECC-既有混凝土結(jié)合面的承載力計(jì)算公式,并詳盡分析了剪切承載力的組成及作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)剪切界面處理方式,共設(shè)計(jì)3組16個(gè)帶結(jié)合面的剪切試件(結(jié)合面無處理EC0組,結(jié)合面鑿毛處理EC1、CC1組,結(jié)合面鍵槽連接處理EC2、CC2組),以及1組2個(gè)用于對(duì)比的整澆混凝土剪切試件XJ1和XJ2.試件設(shè)計(jì)及基本參數(shù)見表1.其中編號(hào)EC表示ECC與既有混凝土相結(jié)合,CC表示普通混凝土與既有混凝土相結(jié)合;fc、fy分別表示混凝土的軸心受壓強(qiáng)度、鋼筋的屈服強(qiáng)度;ρ表示試件配筋率.

表1 試件設(shè)計(jì)及基本參數(shù)Table 1 Specimen design and essential parameters

為保證試件的2個(gè)剪切單元不早于剪切面發(fā)生破壞,在剪切單元內(nèi)布置鋼筋.試件的幾何尺寸及配筋如圖1所示.其中結(jié)合面尺寸為100mm×180mm,結(jié)合面中的貫穿鋼筋在新舊混凝土中的錨固長度均為80mm.

圖1 試件設(shè)計(jì)及配筋Fig.1 Specimen design and reinforcement layout(size:mm)

1.2 加載與測量方案

加載裝置為MTS-300M型電液伺服壓力機(jī),其底部為球鉸支座.為更精確測量試件所受荷載及兩部分的相對(duì)位移,在試件底部布置量程為200kN的高精度力傳感器,在試件左右兩側(cè)布置位移傳感器，在結(jié)合面左右約8mm處的抗剪鋼筋上布置鋼筋應(yīng)變片,在結(jié)合面兩側(cè)的剪切單元分別布置豎向混凝土應(yīng)變片.加載全程采用位移加載,速率為0.2mm/min.直至結(jié)合面兩側(cè)相對(duì)滑移量達(dá)到15mm或荷載降為峰值荷載30%時(shí)終止加載.加載與采集裝置見圖2.

圖2 加載及采集裝置Fig.2 Loading and acquisition equipment

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過程

EC0組試件在裂縫產(chǎn)生后迅速貫通,荷載即刻達(dá)到峰值,此后,剪切承載力快速降低.此時(shí)無抗剪鋼筋的試件(EC01)已經(jīng)破壞,無法再承受荷載;而配置抗剪鋼筋的試件(EC02)在其界面遭到破壞后,由于鋼筋的銷栓作用及結(jié)合面間的摩擦咬合力,尚有一定的抗剪承載力,直到抗剪鋼筋破壞或基體發(fā)生沖切破壞時(shí),試件才最終破壞.圖3為部分試件破壞時(shí)的裂縫形態(tài).由圖3可見：當(dāng)配筋率ρ<1.71%時(shí),試件破壞是由抗剪鋼筋喪失承載力所造成的;當(dāng)ρ≥1.71%，且達(dá)到峰值承載力時(shí),除剪切面存在豎向主裂縫外,試件受剪基體還存在沖切破壞裂縫.

2.2 試件的承載力及滑移

各試件主要試驗(yàn)結(jié)果見表2.其中Vcr為試件的開裂載荷;Vp和sp分別為試件的峰值荷載和相應(yīng)的相對(duì)滑移;Vu和su分別為試件的抗剪承載力和相應(yīng)的相對(duì)滑移;Vd為試件在滑移量s=2.0mm時(shí)的荷載.需要說明的是，未配置抗剪鋼筋的試件由于到達(dá)荷載峰值即破壞,因此認(rèn)為其極限狀態(tài)與峰值狀態(tài)相一致.由表2可見：當(dāng)配筋率相同時(shí),EC2組試件的峰值荷載及抗剪承載力均高于EC1組試件,且二者均低于整澆試件.另外,在地震作用下,結(jié)合面處可能發(fā)生較大滑移,可將Vd作為結(jié)合面抗剪承載力設(shè)計(jì)值[13].據(jù)此計(jì)算,EC1及EC2組試件的Vd/Vp均大于0.70.可見采用該方法能較好地估算ECC與既有混凝土結(jié)合面的抗剪承載力,且有一定的安全儲(chǔ)備.

2.3 荷載-滑移曲線

配筋試件結(jié)合面的荷載-滑移(V-s)全過程曲線如圖4所示.由圖4可見：各試件的V-s曲線大致呈4折線形態(tài).其中第1拐點(diǎn)為開裂點(diǎn),此時(shí)結(jié)合面相對(duì)滑移量接近零；第2拐點(diǎn)為峰值點(diǎn),此時(shí)試件開裂但結(jié)合面滑移量較小,隨后荷載隨滑移量急劇下降,直至達(dá)到第3拐點(diǎn)；此后,隨著滑移量的增加，承載力比較穩(wěn)定,形成平臺(tái)段,然后抗剪鋼筋破壞,試件抗剪承載力急劇降低.除試件EC15、EC25外,其余試件均存在平臺(tái)段.這是因?yàn)槌鼸C15、EC25外,其余試件均是抗剪鋼筋強(qiáng)化后突然喪失承載力的,而EC15、EC25是受剪基體沖切破壞引發(fā)的試件破壞,因而,其V-s曲線持續(xù)下降.

圖3 部分試件破壞現(xiàn)象Fig.3 Failure phenomenon of part specimens

表2 各試件主要試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of specimens

圖4 試件荷載-滑移曲線Fig.4 Loading-displacement curves of specimens

3 結(jié)合面抗剪承載力分析

為研究ECC與既有混凝土結(jié)合面抗剪承載力的計(jì)算方法,本文將國內(nèi)外規(guī)范中混凝土結(jié)合面抗剪承載力的計(jì)算式列于表3,并根據(jù)各式對(duì)試件的抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算.以試件EC02、EC12、EC22為例,試件抗剪承載力計(jì)算結(jié)果見圖5.由圖5(a)可看出：采用既有規(guī)范計(jì)算混凝土結(jié)合面間的抗剪承載力大多偏于保守；ECC與既有混凝土間的抗剪承載力強(qiáng)于普通混凝土.鑒于以上兩點(diǎn),本文結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)JGJ1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的公式進(jìn)行修正,將抗剪承載力的兩項(xiàng)系數(shù)采用線性擬合方法進(jìn)行調(diào)整.當(dāng)試件結(jié)合面采用鍵槽連接時(shí),其抗剪承載力Vu計(jì)算式為：

(1)

式中：Ak為鍵槽根部面積之和;Avf為抗剪鋼筋截面積.

當(dāng)試件結(jié)合面采用鑿毛粗糙面連接時(shí),其抗剪承載力Vu計(jì)算式為：

(2)

式中：AE為鑿毛粗糙面面積.

采用式(1)、(2)計(jì)算所得計(jì)算結(jié)果也列入圖5.由圖5可見,式(1)、(2)可較好地反應(yīng)ECC與既有混凝土間的抗剪承載力,且具有一定的安全性.

表3 國內(nèi)外規(guī)范中剪切結(jié)合面承載力計(jì)算公式Table 3 Formula for calculating bearing capacity in domestic and foreign codes

圖5 采用不同計(jì)算式得到的試件抗剪承載力對(duì)比Fig.5 Comparison of shear bearing capacity calculated by different methods

4 結(jié)合面抗剪承載力全過程機(jī)理研究

上文提出的抗剪承載力計(jì)算公式旨在給出結(jié)合面的最大承載力估算值.然而,結(jié)合面抗剪承載力實(shí)際上是一個(gè)隨滑移量動(dòng)態(tài)變化的物理量.文獻(xiàn)[14-15]雖然對(duì)結(jié)合面的抗剪承載力來源進(jìn)行了研究,但只是區(qū)分了峰值點(diǎn)處的承載力,對(duì)于結(jié)合面抗剪全過程承載力的作用機(jī)理和動(dòng)態(tài)變化尚缺乏研究.因此,為能夠更深入地了解抗剪承載力的作用機(jī)理，本文對(duì)結(jié)合面受剪全過程抗剪承載力的組成和演變趨勢進(jìn)行了研究并給出相關(guān)計(jì)算式.

根據(jù)傳統(tǒng)的剪切-摩擦理論可知,結(jié)合面的剪切荷載與滑移量s相關(guān),可表示為V(s),其由界面黏結(jié)力Vad(s)、摩擦咬合力Vsf(s)和抗剪鋼筋的銷栓作用Vsr(s)組成,即：

V(s)=Vad(s)+Vsf(s)+Vsr(s)

(3)

Vad(s)由加固材料與既有混凝土間的化學(xué)作用產(chǎn)生,當(dāng)結(jié)合面開裂時(shí),Vad(s)開始失效;荷載通過Vsf(s)進(jìn)行傳遞,若有鍵槽連接,還提供鍵槽抗力;結(jié)合面的相對(duì)滑移使得鋼筋受剪,受剪鋼筋抵抗結(jié)合面相對(duì)滑移會(huì)產(chǎn)生銷栓力Vsr(s).

(1)摩擦咬合力Vsf(s).抗剪鋼筋存在時(shí),結(jié)合面開裂后抗剪鋼筋阻止其繼續(xù)脫離,骨料間摩擦咬合力仍存在,其計(jì)算表達(dá)式為：

Vsf(s)=μFr=μσsAvf

(4)

式中：μ為摩擦系數(shù),取為0.8;Fr為鋼筋受拉所產(chǎn)生的法向荷載;σs為鋼筋應(yīng)力.

(2)抗剪鋼筋的銷栓作用Vsr(s).國內(nèi)外研究表明,銷栓作用所承擔(dān)荷載的大小與混凝土強(qiáng)度,受剪鋼筋直徑、強(qiáng)度,鋼筋與加固材料的黏結(jié)效果等有關(guān)[16].Dulacska等[17]提出混凝土中鋼筋銷栓作用計(jì)算表達(dá)式為：

(5)

式中：d為鋼筋直徑;fco為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度;β為抗剪鋼筋與結(jié)合面的夾角.

(3)界面黏結(jié)力Vad(s).因界面黏結(jié)力Vad(s)難于實(shí)測,其作用機(jī)理不同于界面摩擦力,且在結(jié)合面受剪過程中是客觀存在的,本文采用實(shí)測V(s)減去Vsr(s)和Vsf(s),得到Vad(s);同時(shí),本文采用微分方程來推導(dǎo)Vad(s).取出1段ECC微元作為隔離體,進(jìn)行受力分析.界面黏結(jié)力分析模型見圖6.由圖6可得：

τadldx=AEdσE

(6)

式中：τad為界面黏結(jié)應(yīng)力;l為試件寬度;AE為ECC截面面積；σE為ECC應(yīng)力.

設(shè)ECC彈性模量EE與既有混凝土彈性模量EC之比為η,則εC=-ηεE,其中εC為既有混凝土應(yīng)變，εE為ECC應(yīng)變.由變形協(xié)調(diào)方程可得相對(duì)滑移s為：

(7)

圖6 界面黏結(jié)力分析模型Fig.6 Analysis model of interface bonding strenth

將式(7)兩側(cè)同時(shí)乘以EE,變換后求微分，再代入式(5),即可求得與位置x相關(guān)的滑移-剪切應(yīng)力表達(dá)式：

(8)

式中：t為剪切單元的寬度.

在式(8)中代入邊界條件：(1)σE(0)=σE0、σE(180)=0;(2)τad(0)=0、τad(180)=0;(3)s(0)=0、s(180)=st,即可得到微分方程的特解,其中，σE0為ECC初始應(yīng)力；st為ECC的初始位移.式(8)的特解不宜在工程中直接使用,根據(jù)文獻(xiàn)[18]的結(jié)果,將τad簡化為s的四次函數(shù)形式,既可保證求解的精度,又便于在工程中應(yīng)用.本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,提出采用下式來表征τad(s)：

τad(s)=αs4-(1.6α+0.64)s3-2.2s2+5.5s

(9)

式中：α為常數(shù).試件整澆時(shí),α=-0.12;結(jié)合面無處理時(shí),α=0.49;結(jié)合面為鑿主粗糙面時(shí),α=1.53;結(jié)合面為鍵槽連接時(shí),α=1.66.

值得指出的是,式(9)僅在界面黏結(jié)力消失之前適用.采用式(9)計(jì)算的結(jié)果可較好地反應(yīng)加載全過程剪切承載力各部分的變化趨勢,并可用于計(jì)算特定滑移下抗剪承載力及組成.

以配筋率相同的試件XJ2、EC02、EC12、EC22為例,其抗剪承載力實(shí)測及計(jì)算結(jié)果見圖7.其中Vad，c(s)、Vad，e(s)分別為界面黏結(jié)力的計(jì)算值及試驗(yàn)值，Vsf，c(s)、Vsf，e(s)分別為摩擦咬合力的計(jì)算值及試驗(yàn)值，Vsr，c(s)、Vsr，e(s)分別為鋼筋銷栓力的計(jì)算值及試驗(yàn)值. 由圖7可知：試件開裂前,界面黏結(jié)力Vad(s)占剪切承載力的絕大部分,開裂后快速下降,結(jié)合面未處理或僅采用粗糙面時(shí),Vad(s)在開裂后退化更加迅速；開裂后界面摩擦力Vsf(s)及鋼筋銷栓力Vsr(s) 提高,無法向荷載時(shí),采用鍵槽連接比粗糙面能提供更大的界面黏結(jié)力,延緩鋼筋屈服破壞.

5 結(jié)論

(1)當(dāng)抗剪鋼筋配筋率低于1.71%時(shí),ECC與既有混凝土結(jié)合面發(fā)生受剪破壞,鋼筋屈服但基體未發(fā)生破壞;當(dāng)抗剪鋼筋配筋率高于1.71%時(shí),既有混凝土側(cè)發(fā)生沖切破壞,基體破壞早于鋼筋屈服,鋼筋強(qiáng)度未得到充分利用,試件延性較差.

(2)配置抗剪鋼筋試件V-s全曲線呈4段形態(tài),ECC與既有混凝土結(jié)合面的抗剪承載力高于普通混凝土;鍵槽連接較粗糙面連接具有更大的剪切荷載;采用國內(nèi)外規(guī)范提供的公式計(jì)算ECC與既有混凝土間的剪切承載力偏于保守,本文在JGJ1—2014基礎(chǔ)上提出了承載力修正公式,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好,可在實(shí)際工程中參考使用.

(3)采用本文提出的計(jì)算方法可較好反映試件在受力全過程中一定滑移量下結(jié)合面抗剪承載力組成及演化規(guī)律：開裂前抗剪承載力主要由界面黏結(jié)力承擔(dān),界面摩擦力及鋼筋銷栓力在開裂后迅速提高.