新旧混凝土结合面抗剪计算方法研究

瞿慎俊 （大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116011）

0 引言

随着国家建设的推进，我国已经建成并留存了大量的建筑，在这些建筑中，钢筋混凝土结构建筑占据相当大的比重。为贯彻落实城乡建筑的可持续发展理念，推动建筑业高质量发展，保护环境，对既有混凝土结构进行改造再利用有着十分重要的意义。同时，伴随着现代工程技术的不断革新，新材料和新工艺的研究及应用，结构加固的方法越来越多，结构加固也受到相关部门和社会大众的广泛关注。

在实际加固工程设计及施工过程中，因混凝土不同时期浇筑，导致新旧混凝土结合面形成了一个抗剪的薄弱面，此抗剪薄弱面的剪力传递性能直接关系到改造结构的安全，也越来越受到结构工程师的关注。但在结构加固时，由于影响界面抗剪承载力的因素颇多，破坏形态复杂多样，导致对既有混凝土结构构件与改造的混凝土构件或新增混凝土构件的连接界面的剪切破坏机理认识不足，国内外的规范标准、设计计算手册中的抗剪计算方法、公式也不尽相同。要使加固后的新旧混凝土构件发挥足够的强度，就必须保证剪力在此交接面上能够可靠地传递，因此了解界面抗剪的传递机理和对其合理设计显得特别重要。

1 界面抗剪机理分析

新旧混凝土构件连接界面的抗剪力构成比较复杂，目前国内外的研究学者普遍认为主要由以下几部分组成：新混凝土浇筑时与原混凝土之间因水泥水化反应产生的粘结力、新旧混凝土之间产生裂缝后的接触摩擦力、因植筋（纵向受力钢筋、侧面构造钢筋、界面抗剪钢筋、界面分布钢筋等）产生的销栓作用力。

根据国外Mast和Birkeland学者的研究：新旧混凝土连接时，因外荷载、混凝土自身的收缩及施工等因素，在承受剪力之前，新旧混凝土界面之间就形成了微裂缝，故不考虑新旧混凝土之间的粘结作用，提出了摩擦抗剪模型。该模型认为当承受剪力时，因裂缝面之间的凹凸不平和不规则性，沿裂缝滑移时会伴随着裂缝面的分开。在极限情况下，这种分开的位移量足以使通过裂缝的钢筋屈服，钢筋会提供通过裂缝面的拉应力σ。而随着裂缝面的滑移会在混凝土上产生相应的压应力σ，从而产生了摩擦抗剪强度V=μ·σ。于是外加的剪力由裂缝面之间的摩擦、由裂缝面上突出部分的受剪和由通过裂缝的钢筋销栓作用承受。在界面钢筋具有足够锚固长度和配筋适量的情况下，当界面钢筋中的拉应力达到钢筋的屈服强度时，认为新旧混凝土界面发生抗剪破坏。

影响摩擦抗剪承载力的因素较多，主要包括：剪切平面的粗糙度、界面连接钢筋的特性、外荷加载方式等。

1.1 剪切平面的粗糙度

剪切平面的粗糙度对新旧混凝土界面的抗剪承载力影响显著，剪切表面越粗糙、抗剪强度越大，试验表明，其界面的抗剪承载力与现浇构件的承载力几乎一样。因为剪切面越粗糙，其摩擦系数也就越大，相应的摩擦抗剪承载力也就越高。

1.2 界面连接钢筋的特性

界面连接钢筋的数量、强度、间距会显著影响新旧混凝土界面的抗剪承载力。从摩擦抗剪模型可知，钢筋的销栓作用是组成界面抗剪力的组成部分。另外，在其他条件适宜的情况下，界面钢筋的屈服是直接控制抗剪破坏的主要因素。故提高界面连接钢筋的配筋率和强度会显著改善界面的抗剪承载力，但是根据Mattock等的试验结果显示：在保持界面连接钢筋的配筋率和强度不变的条件下，随着钢筋直径的增加剪力传递强度有所下降。在粗糙剪切面中，界面钢筋主要承受拉力。增加剪力传递钢筋的直径会使得钢筋表面与混凝土之间的粘结力增加，从而增大两者之间的相对滑移和剪切面的裂缝宽度，使得裂缝面两侧凹凸不平的骨料之间的机械咬合作用减弱，从而使得界面的剪力传递强度有所下降。

1.3 外荷载的加载方式

加载方式对界面抗剪承载力也有十分明显的影响，Walraven等通过试验得出：采用重复加载或持续加载对连接界面的抗剪能力的影响都不明显。但是Mattock和 Tsoukantas等通过试验得出：单调循环反复荷载会降低连接界面的抗剪能力，而且初始缝宽越大、循环加载次数越多、外荷载越大，其界面抗剪承载力降低也就越多，这主要是因为循环反复荷载降低了界面连接钢筋和混凝土的粘结强度，削弱了裂缝面的粗糙度，从而导致骨料的咬合程度和摩擦力降低，最终抗剪承载力下降。

2 界面抗剪承载力的设计方法介绍

2.1 广东规范DBJ/T 15-182-2020（备案号J15080-2020）

广东规范DBJ/T 15-182-2020（备案号 J15080-2020）第 6.2.3规定，当混凝土连接界面仅受剪力作用时，混凝土连接界面应按下列规定验算受剪承载力：

广东规范DBJ/T 15-182-2020结合地区的工程经验，根据剪切摩擦模型和试验数据，通过回归分析提出了新旧混凝土连接界面的受剪承载力计算公式。公式中对于钢筋强度采用不大于三级钢的数值，主要是因为缺乏相关高强钢筋的试验数据。在计算连接面的受剪承载力时偏安全的只考虑了连接界面的抗剪钢筋的作用，和美国规范的抗剪公式较为接近。

2.2 美国规范ACI318-19

美国规范ACI318-19第22.9条规定：根据摩擦抗剪理论，对于存在的裂缝面或可能出现的裂缝面，或不同材料的界面，或不同浇筑时期的混凝土交接面上，应按照第22.9.3～4条规定，计算混凝土连接界面的极限抗剪承载力：

美国规范ACI318-19根据摩擦抗剪机理，以抗剪钢筋屈服后的拉力对界面产生的压力摩擦作用估计抗剪承载力，计算公式比较简单，便于设计使用。

2.3 欧盟规范PrEN-1992-1-1(July 2002)

欧盟规范PrEN-1992-1-1第6.2.5条规定：根据摩擦抗剪理论，对于不同浇筑时期的混凝土交接面上，综合考虑摩擦抗剪作用和钢筋的销栓作用，混凝土连接界面的极限抗剪承载力应满足下式：

欧盟规范PrEN-1992-1-1根据修正的摩擦抗剪模型，其计算公式中考虑了钢筋和混凝土的综合抗剪作用，同时又考虑了轴向力对抗剪性能的影响，属于考虑因素较全面的表达式。

3 设计方法比较

截至目前，各国学者对新旧混凝土界面抗剪机理进行了比较多的试验和研究，但由于在试验及研究中所采用的试验手段、计算假定及分析模式不尽相同，导致最后提出的抗剪承载力的计算模型也有差异。

以矩形梁300×700，混凝土采用C35，箍筋采用φ8@200（2），抗剪侧面钢筋采用6φ14，暂不考虑纵向受力钢筋的有利作用，则采用上述三种方法计算的结果如上表（本算例钢筋均为三级钢）。

新旧连接界面抗剪承载力计算对比

通过对比可知：广东规范计算的新旧界面抗剪承载力最小，美国规范计算值次之，欧盟规范最大。分析可知广东规范、美国规范只考虑了摩擦抗剪的机理，以抗剪钢筋屈服后的拉力对界面产生的压力摩擦作用估计抗剪承载力；相比欧盟规范考虑因素全面，采用修正的摩擦抗剪模型，综合考虑了摩擦抗剪和钢筋的销栓作用。

4 结论及建议

本文通过对部分国家规范中新旧混凝土结合面的抗剪承载力计算方法的比较，得出以下结论及建议：

①因各国及各个行业所采用的抗剪界面承载力计算公式不同，得出的计算结果也会差异较大；

②界面抗剪承载力计算公式应能综合考虑裂缝间的接触摩擦力，钢筋的销栓作用力；

③建议加强轴向压力对抗剪承载力有利作用的研究，探究其机理，提出相应的计算公式；

④对往复荷载（比如地震作用）下，界面的抗剪机理也应投入相应的研究，提出相应的计算公式。