吳二軍,劉 謙,胡雨晴

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 杭州 310012)

研究表明,混凝土強(qiáng)度存在顯著的尺寸效應(yīng),表現(xiàn)為:尺寸越大,平均強(qiáng)度越小。工程設(shè)計(jì)中,特別是大尺度構(gòu)件,所取材料力學(xué)性能參數(shù)如果不考慮尺寸效應(yīng),無(wú)疑將高估結(jié)構(gòu)的承載能力,帶來(lái)安全隱患。過(guò)去幾十年中,尺寸效應(yīng)機(jī)理及其定量評(píng)估得到國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者關(guān)注并開(kāi)展了研究。Kani[1]對(duì)截面高度在150～1 220 mm之間的幾何相似的無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁進(jìn)行受剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁在梁高方向(剪力作用方向)尺寸效應(yīng)顯著,但強(qiáng)度變化與寬度無(wú)相關(guān)性。Chana[2]完成了36根截面高度在150～750 mm之間的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受剪試驗(yàn),得出相似結(jié)論。Shioya等[3]開(kāi)展了最大截面有效高度為3 000 mm的無(wú)腹筋簡(jiǎn)支梁受剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其受剪強(qiáng)度隨截面高度的增加而明顯減小。于磊等[4-5]對(duì)截面尺寸為600 mm×1 200 mm的無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁進(jìn)行受剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大尺寸無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁的受剪承載力存在明顯的尺寸效應(yīng)。Weibull[6]基于最弱鏈假定提出統(tǒng)計(jì)尺寸效應(yīng)理論。Bazant[7]基于裂縫帶模型提出了尺寸效應(yīng)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]基于邊界效應(yīng)模型提出邊界尺寸效應(yīng)理論,認(rèn)為不同尺寸裂縫會(huì)對(duì)斷裂失效的混凝土試件名義強(qiáng)度造成影響。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[10]也規(guī)定了一般板類受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮尺寸效應(yīng),并分別建議了形式基本相同的考慮截面高度的尺寸效應(yīng)系數(shù)。

隨著既有建筑物加固改造工程的日益增加和預(yù)制裝配式建筑的興起,新舊混凝土界面受力性能成為土木工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。由于界面影響因素眾多,以及問(wèn)題的復(fù)雜性,自20世紀(jì)60年代至今,眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,但至今仍未成熟。研究?jī)?nèi)容涉及界面處理方式、界面粘結(jié)方式的參數(shù)影響規(guī)律、界面粘結(jié)機(jī)理與界面受剪強(qiáng)度的計(jì)算公式等方面[11-17],然而至今鮮見(jiàn)涉及新舊混凝土界面受剪性能尺寸效應(yīng)的相關(guān)研究。毋庸置疑的是,實(shí)際工程中的新舊混凝土界面尺度通常遠(yuǎn)大于試件界面尺度,采用小尺度試件得到的界面強(qiáng)度用于大尺度試件的設(shè)計(jì),顯然增大了結(jié)構(gòu)的失效概率。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文選取了操作簡(jiǎn)單、最接近實(shí)際工程中界面工作狀態(tài)的雙面直剪試驗(yàn)開(kāi)展研究,試件形狀和尺寸如圖1所示。共設(shè)計(jì)制作2組6個(gè)整澆試件和8組33種44個(gè)新舊混凝土雙面直剪試件,變量除了界面尺度外,界面切鑿方式、橫向約束、混凝土強(qiáng)度也作為影響參量進(jìn)行分析。所有試件以平均凹凸深度10 mm作為鑿毛控制目標(biāo),試件的界面處理方式有機(jī)械鑿毛、人工鑿毛和規(guī)則齒槽三種,界面處理效果如圖2所示。試件編號(hào)和參數(shù)參見(jiàn)表1。

圖1 雙面直剪試件形狀示意圖(單位:mm)

圖2 雙面直剪試件形狀示意圖

表1 新舊混凝土界面雙面直剪受剪性能尺寸效應(yīng)試驗(yàn)試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

雙面直剪試驗(yàn)裝置如圖3所示,為了對(duì)界面施加橫向約束和預(yù)壓力,設(shè)置了簡(jiǎn)單的約束裝置,包括:四個(gè)水平螺桿、兩端的約束鋼板和螺母。其中,右側(cè)的約束鋼板為雙鋼板,之間安裝一個(gè)力傳感器。通過(guò)依次多輪旋緊螺母,可得到比較均勻準(zhǔn)確的界面壓力。

注:1—反力架;2—上壓板;3—下壓板;4—油缸;5—對(duì)拉螺桿;6—四角帶22 mm螺栓孔鋼板;7—位移計(jì);8—測(cè)點(diǎn)觸板;9—分配鋼板;10—上墊塊;11—下墊塊;12—輔助墊塊;13—荷載傳感器。

豎向荷載采用2 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)加載,首先采用位移-時(shí)間控制,以0.1 mm/s勻速上升至預(yù)壓荷載5 kN,消除試驗(yàn)裝置縫隙。正式加載階段,采用力-時(shí)間控制,加載速度為0.2 kN/s。

1.3 觀測(cè)內(nèi)容及方法

觀測(cè)內(nèi)容包括:受力過(guò)程與破壞形態(tài)、時(shí)間-滑移關(guān)系曲線、時(shí)間-荷載關(guān)系曲線。時(shí)間-荷載數(shù)據(jù)通過(guò)電液萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的配套控制系統(tǒng)采集,時(shí)間-滑移數(shù)據(jù)通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和電子位移計(jì)采集。數(shù)據(jù)測(cè)得后,對(duì)時(shí)間-荷載曲線和時(shí)間-滑移曲線進(jìn)行二次處理,得到剪力-滑移曲線;基于剪力-滑移曲線,得到試件開(kāi)裂、裂通和破壞三個(gè)特征狀態(tài)時(shí)的滑移、荷載和應(yīng)力;換算得出剪應(yīng)力-滑移曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件表現(xiàn)為兩類破壞形式:雙面破壞和單面破壞,如圖4所示。前者現(xiàn)象為:左右界面下部先后出現(xiàn)豎向貫穿裂縫,最后在同一級(jí)荷載突然破壞;后者現(xiàn)象為:一側(cè)界面先出現(xiàn)豎向貫穿裂縫后脫開(kāi),另一側(cè)始終粘結(jié)良好。這種現(xiàn)象顯然是由于兩側(cè)受力或界面強(qiáng)度的不對(duì)稱性造成的。

圖4 試件典型破壞形態(tài)

設(shè)置橫向約束可顯著降低界面不對(duì)稱影響,并提高界面受剪破壞時(shí)的延性。試驗(yàn)中,75%的無(wú)側(cè)向約束試件的破壞形態(tài)是單側(cè)開(kāi)裂;而施加有橫向約束的試件中,81.25%發(fā)生雙側(cè)開(kāi)裂。抗剪界面尺寸小的試件,受不對(duì)稱荷載時(shí)的敏感性越高,越容易發(fā)生單側(cè)開(kāi)裂破壞。

從界面的最終破壞形態(tài)來(lái)看,無(wú)約束雙剪構(gòu)件的界面表現(xiàn)為粘結(jié)失效脫開(kāi)。而有約束試件隨著約束應(yīng)力的增加,摩擦咬合作用增強(qiáng),表面可看到剪切引起的碎屑脫落。整澆試件則表現(xiàn)為明顯的斜壓破壞特征。

2.2 剪應(yīng)力-滑移(-s)曲線

圖5 各組試件的-s曲線

對(duì)于有約束試件,曲線類型則較為復(fù)雜,可分為四種類型。第一種:圖5(e)為單調(diào)增長(zhǎng)曲線,單面破壞時(shí)測(cè)得。如進(jìn)行界面滑移剛度分析,這些構(gòu)件可納入統(tǒng)計(jì)范圍,但如果進(jìn)行強(qiáng)度分析,顯然低估了界面的受剪能力,建議舍去。第二種:圖5(f)的曲線出現(xiàn)在界面上預(yù)加壓力條件下,界面開(kāi)裂滑動(dòng)時(shí),突然應(yīng)力釋放,荷載降低;隨后,形成新的界面凹凸咬合并逐漸擠緊,剛度增加,強(qiáng)度提高。第三種:圖5(g)(i)為較低強(qiáng)度時(shí)發(fā)生幾次鋸齒形震蕩后,抗剪強(qiáng)度增加,這種情況發(fā)生在無(wú)預(yù)應(yīng)力界面約束條件下,是界面開(kāi)始局部滑脫的典型表現(xiàn)。第四種:圖5(h)曲線發(fā)生在規(guī)則齒槽界面,表現(xiàn)為破壞前高應(yīng)力震蕩,隨后破壞。這種破壞開(kāi)始于齒槽的先后剪斷開(kāi)始。

2.3 界面特征點(diǎn)應(yīng)力和滑移

從圖5曲線中提取各轉(zhuǎn)折特征點(diǎn)應(yīng)力和位移,得到圖6和圖7所示的曲線。其中同一種編號(hào)有多個(gè)試件時(shí),取平均值。

圖6 無(wú)橫向約束組特征點(diǎn)應(yīng)力

圖7 不同界面處理方式下有橫向約束試件的特征點(diǎn)應(yīng)力和滑移

由圖6可以看出:無(wú)橫向約束時(shí),機(jī)械鑿毛試件在剪力作用方向上各性能參數(shù)存在明顯的尺寸效應(yīng),隨界面高度增大,特征點(diǎn)應(yīng)力減小,極限應(yīng)力增大1.6倍,滑移值也隨界面高度的增加而增加,在寬度方向則影響不明顯。分析認(rèn)為,這種現(xiàn)象表明了界面剪應(yīng)力分布的顯著不均勻性,界面不同位置開(kāi)裂、破壞不同時(shí)發(fā)生,界面高度越大,完全破壞時(shí)相對(duì)滑移值越大,平均應(yīng)力越低。

由圖6可以看出:無(wú)約束人工鑿毛試件中界面高度為400 mm試件極限應(yīng)力明顯偏高,檢查破壞面后發(fā)現(xiàn)鑿毛粗糙度略大。其他各性能參數(shù)的尺寸效應(yīng)并不明顯,分析認(rèn)為是試驗(yàn)系統(tǒng)的離散性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于尺寸效應(yīng)干擾所致。對(duì)于有橫向約束試件,除個(gè)別數(shù)據(jù)異常外,其特征點(diǎn)應(yīng)力均呈現(xiàn)隨界面高度增大而減小的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,極限剪應(yīng)力增幅高達(dá)1.6倍,但特征點(diǎn)滑移則不明顯,參見(jiàn)圖7。

3 抗剪強(qiáng)度的參數(shù)影響規(guī)律

3.1 界面抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)

研究表明,新舊混凝土界面強(qiáng)度顯著低于整澆試件的直剪強(qiáng)度。以與新舊混凝土界面中較低強(qiáng)度混凝土整澆試件的抗剪強(qiáng)度為基準(zhǔn),定義新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度與整澆試件直剪強(qiáng)度的比值為界面抗剪強(qiáng)度折減系數(shù),圖8為各組試件的強(qiáng)度折減系數(shù)分布情況。

圖8 各組試件的強(qiáng)度折減系數(shù)

3.2 參數(shù)影響分析

3.2.1 界面處理方式影響

從圖8可以看出,界面無(wú)約束時(shí),人工鑿毛試件的抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)度折減系數(shù)隨尺寸增大變化不大,范圍為0.347～0.364,顯著高于機(jī)械鑿毛試件的界面抗剪強(qiáng)度,其范圍在0.1～0.22之間;界面存在預(yù)應(yīng)力約束時(shí),規(guī)則齒槽界面的性能明顯優(yōu)于鑿毛試件,人工鑿毛和機(jī)械鑿毛相差不大。

3.2.2 施加約束和預(yù)應(yīng)力的影響

對(duì)比無(wú)約束試件,有約束試件的強(qiáng)度折減系數(shù)增大了2～2.5倍以上;對(duì)比有無(wú)預(yù)應(yīng)力的兩組帶界面約束試件,發(fā)現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度折減系數(shù)影響并不明顯,這表明本試驗(yàn)中各組試件破壞時(shí),界面凹凸咬合效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦效應(yīng)。對(duì)比兩組試件的開(kāi)裂應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施加能顯著提高開(kāi)裂荷載。

3.2.3 混凝土強(qiáng)度的影響

JL(A)、JL(B)兩組試件的試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,界面抗剪強(qiáng)度提高,但其強(qiáng)度折減系數(shù)是下降的。

3.2.4 界面寬度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明,界面寬度的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響很小,可以忽略其影響。

4 界面抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)和界面承載力計(jì)算

以界面高度為200 mm雙剪試件的抗剪強(qiáng)度為基準(zhǔn),定義各試件界面抗剪強(qiáng)度換算系數(shù)為尺寸效應(yīng)系數(shù),參見(jiàn)表2。

表2 新舊混凝土界面雙面直剪抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)

新舊混凝土界面雙面直剪抗剪強(qiáng)度可表達(dá)為

τ≤βwβhft

(1)

(2)

式中,βw為新舊界面處理方式影響系數(shù);βh為尺寸效應(yīng)系數(shù),φ1為尺寸效應(yīng)敏感性系數(shù);ft為舊混凝土軸心抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值,本試驗(yàn)中舊混凝土強(qiáng)度為C30時(shí),實(shí)測(cè)ft=2.65 MPa。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線如圖9所示,擬合得到的βw列入表3中,不同組φ1差別很小,約為0.45。受剪承載力試驗(yàn)值、計(jì)算值及誤差見(jiàn)表4。

圖9 雙剪試件受剪承載力擬合曲線

表3 擬合公式參數(shù)取值

表4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值、擬合值結(jié)果對(duì)比

最終得到的新舊混凝土雙剪試件受剪承載力計(jì)算推薦公式:

(3)

(4)

(5)

5 結(jié)論

本文主要介紹了新舊混凝土尺寸效應(yīng)雙面直剪試驗(yàn)現(xiàn)象,并對(duì)試件破壞形態(tài),荷載-滑移曲線以及試件各項(xiàng)特征值進(jìn)行匯總并分類介紹,對(duì)試件極限應(yīng)力的尺寸效應(yīng)及其受橫向約束形式、鑿毛形式、新舊混凝土強(qiáng)度組合的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析,主要結(jié)論如下:

1)試驗(yàn)中出現(xiàn)2類典型的受剪破壞形態(tài),單側(cè)破壞和雙側(cè)破壞。單側(cè)破壞由兩側(cè)受力或界面強(qiáng)度的不對(duì)稱所致,設(shè)置橫向約束可降低界面不對(duì)稱影響。

2)界面寬度一定時(shí),界面高度增加,雙剪試件極限應(yīng)力逐漸減小,存在明顯的高度方向上的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,開(kāi)裂應(yīng)力、裂通應(yīng)力以及滑移的尺寸效應(yīng)規(guī)律不明顯;界面寬度的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響很小,可忽略其影響。

3)定義新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度與整澆試件直剪強(qiáng)度的比值為界面抗剪強(qiáng)度折減系數(shù),無(wú)橫向約束條件下,人工鑿毛試件強(qiáng)度折減系數(shù)隨尺寸增大變化不大且顯著高于機(jī)械鑿毛試件;有橫向約束條件下,規(guī)則齒槽界面性能明顯優(yōu)于鑿毛試件,人工鑿毛和機(jī)械鑿毛相差不大。

4)施加橫向約束可提升界面強(qiáng)度。施加預(yù)應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度折減系數(shù)影響并不明顯,但可顯著提高開(kāi)裂荷載,這可能是預(yù)應(yīng)力施加較小造成的。

5)采用高一級(jí)新、舊混凝土組合可增加試件裂通應(yīng)力和極限應(yīng)力,但提升有限。

6)對(duì)于機(jī)械鑿毛目標(biāo)鑿毛深度10 mm的新舊混凝土雙剪試件,受剪承載力按下面式子計(jì)算: