不同初始应力下自密实混凝土加固柱的抗剪承载力研究

范 炜

（福建江夏学院工程学院，福建福州，350108）

工程技术

不同初始应力下自密实混凝土加固柱的抗剪承载力研究

范 炜

（福建江夏学院工程学院，福建福州，350108）

在自密实混凝土加固柱的拟静力试验基础上，研究初始轴向应力水平对增大截面加固柱抗剪承载力的影响规律。同时，基于剪切粘结破坏和弯曲型破坏的的抗剪机理，分别提出抗剪承载力计算的理论公式。将理论值与试验值进行对比，验证文中提出公式的有效性。

初始应力水平；加固；自密实混凝土；剪切破环；抗剪承载力

自密实混凝土由于其优异的性能，被广泛应用于增大截面加固钢筋混凝土结构工程。增大截面加固柱的承载力与新旧材料的应力应变差直接相关，因此，在加固设计中，初始轴向应力水平是影响框架柱延性和抗剪承载力的一个主要因素。在地震荷载作用下，加固柱由于轴向及横向力的共同作用，通常会发生因斜截面抗剪承载力不足的剪切破坏，国内外的多次地震已证实这种破坏现象。［1］本文以自密实混凝土加固柱的拟静力试验为基础，分析初始轴向应力水平、自密实混凝土强度等因素对加固柱抗剪承载能力的影响。基于剪切粘结破坏和弯曲型破坏的的抗剪机理，分别提出抗剪承载力计算的理论公式。

一、试验方案与试验结果

本试验进行3组加固柱的拟静力试验，各试件的参数情况与初始应力水平见表1。加固柱水平荷载采用MTS液压伺服加载系统进行低周反复加载，初始应力施加装置、二次加载装置及加载制度如图1所示：

表1 Wald检验

图1 加载示意图

试验加载过程中，初始轴向应力水平为0.35的试件。加载初期，裂缝率先出现在加固混凝土表面，随后逐渐向新老混凝土粘结界面发展。当加载到荷载曲线峰值后，裂缝开始向核心构件延伸。水平位移达到5～7倍屈服位移时，主裂缝贯通，跨中混凝土压碎区域扩大。伴随水平位移值进一步增加，斜裂缝不断发展，构件承载力逐渐下降。构件失去承载力时，加固构件的新旧混凝土粘结界面没有开裂。该加载试验说明新老混凝土能够协同工作。

初始轴向应力水平为0.5的试件。循环加载初期，裂缝开展现象基本与JGZ-s1相似，在位移加载幅值为3倍屈服位移的循环过程中，加固混凝土与老混凝土的粘结界面有裂缝开展现象。加固柱失去承载力后，新老混凝土粘结界面基本未出现相对滑移现象。该加载试验说明新老混凝土能够协同工作。

随着初始轴向应力的增加，构件的抗剪承载力不断增大。当初始应力水平为0.75时，柱底弯曲裂缝出现得较晚。当水平荷载幅值超过加固柱的峰值荷载后，新老混凝土界面发生明显的粘结滑移。随着控制位移幅值的增加，加固混凝土的斜裂缝与粘结界面的水平裂缝贯通，新老混凝土发生粘结破坏，试件迅速破坏。破坏过程同时出现斜压和小偏压的破坏特征，属于典型的压剪破坏。

二、自密实混凝土加固柱抗剪机理分析

图2为自密实混凝土加固柱在不同初始应力水平下的骨架曲线。

图2 初始应力对抗剪承载力的影响

可以看出，在加载初期，随着初始轴应力水平的增加，老混凝土的受压区高度不断增大，抗剪承载力也逐渐增加。因此，加固柱的初始轴向应力水平与其抗剪承载力成正比关系。当初始轴应力达到一定水平，老混凝土会产生较大的初始应变，二次受力后，加固混凝土与原有构件的应变不协调，由新旧混凝土界面的应变差引起的粘结破坏将会使加固失效，构件迅速破坏。

对于普通混凝土框架柱，在较小的初始应力水平和反复水平荷载作用下，破坏形态一般为弯剪破坏。［2］当柱中间截面的纵向受拉钢筋开始屈服后，受压区截面高度逐渐减小；应力水平达到混凝土的破坏强度时，同时出现剪切破坏和弯曲破坏的特征。纵筋屈服决定了柱的抗剪承载力和柱的侧向变形能力，具有一定的延性。

对于自密实混凝土加固柱，由试验分析可知，在压、弯、剪共同作用下，自密实混凝土加固柱会出现两种不同的破坏形式，即较小初始应力状态下的弯剪破坏以及较大初始应力下的剪切粘结破坏。在往复荷载作用下，对于初始应力水平较高的构件，在加载初期可认为剪切应力在粘结界面的传递是连续的，新老混凝土可以作为整体协同工作。随着荷载的往复循环和增加，加固层的应变明显滞后于老混凝土构件，二者之间发生相对滑移。当主拉应力超过混凝土抗拉强度后，粘结界面开裂，且与加固层的主裂缝贯通，导致加固层的混凝土逐渐退出工作，进而发生破坏。

三、自密实混凝土加固柱抗剪承载力计算

（一）加固柱发生弯剪破坏的承载力计算

发生弯剪破坏的加固柱的受力机理类似于偏压柱，偏压构件与压弯构件的不同在于，前者定义初始偏心距e0为常数，轴力N为变量；而压弯构件定义轴力N不变，水平力P为变量，其水平方向承载力取决于加固柱的正截面抗弯承载力。可采用正截面计算原理进行压弯构件承载能力计算。［3，4］根据试验结果，在考虑应变滞后的基础上对压弯构件承载能力计算成果进行的相应的调整。

已知材料本构关系和构件截面变形，在重复加载情况下，对增大截面加固钢筋混凝土压弯构件进行非线性分析时，采用修正的平截面假定，即新旧两部分的应变增量近似地符合平截面假定。与整浇构件不同，二次受力下，增大截面加固构件的新老混凝土会产生应变滞后，截面应变不再符合平截面假定。计算时，假设一个修正平截面，认为新老混凝土的应变协调。修正平截面的选择应保证混凝土受压区高度不变，直线连接中和轴与新混凝土的极限压应变，此截面即为修正后的平截面，如图3所示。从试验结果来看，当初始应力水平小于0.5时，自密实混凝土加固层与老混凝土表面粘结良好，没有发生界面错动或粘结剥离现象。

图3 修正后的平均应变

进行加固柱的承载力计算时，根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2002取混凝土极限压应变值采用混凝土的等效矩形应力图计算，等效矩形应力图的折算高度x与中和轴高度x0的比值β、折算强度fcm可由极限压应力图和极限压应变推导得出。当混凝土强度等级≤C50时，等于混凝土最大应力。［5］

根据以上假定，对于以正截面破坏控制的构件，可通过下列公式计算截面承载力：

1.界限破坏的相对受压区高度

根据修正平截面可得：

则混凝土的界限受压区高度为：

界限相对受压区高度为：

2.承载力计算公式：

对图示截面，分别建立水平向平衡方程和对截面形心点取矩的力矩平衡方程，得：

式中：xb为混凝土界面受压区高度；fc、fcm分别为混凝土抗压强度值和自密实混凝土抗压强度值；fs、fsm分别为原有钢筋和加固钢筋的强度等级；、分别为自密实混凝土和加固钢筋强度利用系数，取t为一侧加固层的厚度。

3.计算值与试验值的比较分析

按式（4）、式（5）计算出加固柱的正截面承载力后，根据式（6）将得到的极限弯矩换算成剪力，可得到本试验的水平承载力：

将计算得到的水平抗剪承载力与试验结果进行对比，见表2所示：

表2 弯剪破坏承载力计算值与试验值比较

根据计算结果可知，在初始轴向应力水平小于0.5的情况下，试验值与计算值之比的均值为1.06，误差控制在5%以内。可见，该计算方法只适用于发生弯剪破坏情况，不适用于较高轴压比。

（二）加固柱剪切粘结破坏承载力计算

根据新老混凝土粘结机理分析，结合有关设计规范，对新老混凝土界面的剪切强度设计值进行研究，给出新老混凝土界面剪力作用设计值计算公式，该成果可为类似构件设计提供参考。本次试验表明，发生剪切粘结破坏时，主要是由于加固混凝土与老混凝土之间粘结作用丧失而导致加固层混凝土的剥离，因而此时加固柱的抗剪承载力认为由界面处抗剪承载力与通过粘结面的箍筋的抗剪作用相叠加，即：

1.粘结界面的抗剪承载力

从试验结果看，粘结界面劈裂首先出现在靠近柱端处，为便于计算，从柱中取出一微段进行分析，如图4所示：

图4 粘结界面破坏时的微段受力

试验过程中出现粘结破坏现象的构件，破坏时箍筋应变均未达到极限应变，在此取其应力为屈服应力的倍，即，因此有：

图5 单元的受力状态

有：

上式是针对单调加载时的情况。对于循环加载，根据本试验结果，可在上式基础上引入粘结应力退化系数，即：

2.箍筋的抗剪承载力计算

加固柱的箍筋抗剪承载力可按以下计算：

综上所述，发生粘结剪切破坏的承载力计算式为：

3.计算结果与试验结果对比

分析表明，加固试件发生剪切粘结破坏的承载力试验值与计算值的误差在2%以内。因此，在进行抗震加固设计时，为了保证新老混凝土粘结界面在结构使用过程中不发生剪切粘结破坏，在较高初始应力情况下，需要对加固结构进行验算，以保证荷载作用下界面剪力作用设计值小于新老混凝土界面粘结抗剪力。

四、结论

本文根据自密实混凝土加固柱的试验结果，分析初始轴向应力水平对加固柱抗剪承载力的影响，并对压弯剪构件的抗剪机理进行研究。基于剪切粘结破坏和弯曲型破坏的的抗剪机理，分别提出抗剪承载力计算的理论公式。对比理论值与试验值，验证了文中提出公式的有效性。可作为自密实混凝土增大截面加固柱的设计计算的参考。

［1］ 钟善桐.高层建筑中钢管混凝土柱的轴压比［J］.哈尔滨建筑大学学报，1996，29（3）：18-21.

［2］ 于清，陶忠.FRP约束混凝土压弯构件力学性能的理论分析［J］.工业建筑，2001，31（4）：9-11.

［3］ 樊华，顾瑞南，宋启根.喷射混凝土加固小偏心受压柱的二次受力研究［J］.工业建筑，1997，27（10）：10-14.

［4］ 肖建庄，朱伯龙.钢筋混凝土框架柱轴压比限值试验研究［J］.建筑结构学报，1998，19（5）：2-7.

［5］ 郑建岚，范炜.自密实混凝土加固柱的抗震性能试验研究［J］.工程力学，2013，35（5）：164-168.

［6］ 陈峰，郑建岚.自密实混凝土与老混凝土粘结强度的直剪试验研究［J］.建筑结构学报，2007，28（1）：59-63.

（责任编辑 王 珑）

The Shear Capacity Analysis of the Columns Strengthened by Self-compacting Concrete under Different Initial Stress

FAN Wei
（College of Engineering，Fujian Jiangxia University，Fuzhou，350108，China）

Based on the quasi-static test of the columns strengthened by self-compacting concrete（scc），The effect rule on RC column strengthened by SCC under different initial stress was analyzed.the shear capacity of RC column strengthened by SCC under twice-loading is simulated and analyzed，The calculation formula of shear capacity under shear adhesive failure and flexural mode failure was put forward.The calculation results coincide well with the test results.

different initial stress；strengthen；self-compacting concrete；shear behavior；shear capacity

TU528

A

2095-2082（2016）04-0106-07

2015-12-11

福建省科技厅项目（2016J0101）；福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JA13359）

范 炜（1971—），女，河南焦作人，福建江夏学院工程学院讲师，博士研究生。