新旧混凝土界面双面直剪性能尺寸效应试验研究

2024-03-09吴二军胡雨晴

河北工程大学学报(自然科学版) 2024年1期

吴二军,刘谦,胡雨晴

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江杭州 310012)

研究表明,混凝土强度存在显著的尺寸效应,表现为:尺寸越大,平均强度越小。工程设计中,特别是大尺度构件,所取材料力学性能参数如果不考虑尺寸效应,无疑将高估结构的承载能力,带来安全隐患。过去几十年中,尺寸效应机理及其定量评估得到国内外多位学者关注并开展了研究。Kani[1]对截面高度在150～1 220 mm之间的几何相似的无腹筋钢筋混凝土梁进行受剪试验,发现钢筋混凝土简支梁在梁高方向(剪力作用方向)尺寸效应显著,但强度变化与宽度无相关性。Chana[2]完成了36根截面高度在150～750 mm之间的钢筋混凝土简支梁受剪试验,得出相似结论。Shioya等[3]开展了最大截面有效高度为3 000 mm的无腹筋简支梁受剪试验,发现其受剪强度随截面高度的增加而明显减小。于磊等[4-5]对截面尺寸为600 mm×1 200 mm的无腹筋钢筋混凝土梁进行受剪试验,发现大尺寸无腹筋钢筋混凝土梁的受剪承载力存在明显的尺寸效应。Weibull[6]基于最弱链假定提出统计尺寸效应理论。Bazant[7]基于裂缝带模型提出了尺寸效应律公式。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]基于边界效应模型提出边界尺寸效应理论,认为不同尺寸裂缝会对断裂失效的混凝土试件名义强度造成影响。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[10]也规定了一般板类受弯构件斜截面受剪承载力计算时,应考虑尺寸效应,并分别建议了形式基本相同的考虑截面高度的尺寸效应系数。

随着既有建筑物加固改造工程的日益增加和预制装配式建筑的兴起,新旧混凝土界面受力性能成为土木工程领域研究热点问题之一。由于界面影响因素众多,以及问题的复杂性,自20世纪60年代至今,众多学者进行了大量研究,但至今仍未成熟。研究内容涉及界面处理方式、界面粘结方式的参数影响规律、界面粘结机理与界面受剪强度的计算公式等方面[11-17],然而至今鲜见涉及新旧混凝土界面受剪性能尺寸效应的相关研究。毋庸置疑的是,实际工程中的新旧混凝土界面尺度通常远大于试件界面尺度,采用小尺度试件得到的界面强度用于大尺度试件的设计,显然增大了结构的失效概率。

1 试验方案

1.1 试件设计

本文选取了操作简单、最接近实际工程中界面工作状态的双面直剪试验开展研究,试件形状和尺寸如图1所示。共设计制作2组6个整浇试件和8组33种44个新旧混凝土双面直剪试件,变量除了界面尺度外,界面切凿方式、横向约束、混凝土强度也作为影响参量进行分析。所有试件以平均凹凸深度10 mm作为凿毛控制目标,试件的界面处理方式有机械凿毛、人工凿毛和规则齿槽三种,界面处理效果如图2所示。试件编号和参数参见表1。

图1 双面直剪试件形状示意图(单位:mm)

图2 双面直剪试件形状示意图

表1 新旧混凝土界面双面直剪受剪性能尺寸效应试验试件参数

1.2 试验装置

双面直剪试验装置如图3所示,为了对界面施加横向约束和预压力,设置了简单的约束装置,包括:四个水平螺杆、两端的约束钢板和螺母。其中,右侧的约束钢板为双钢板,之间安装一个力传感器。通过依次多轮旋紧螺母,可得到比较均匀准确的界面压力。

注:1—反力架;2—上压板;3—下压板;4—油缸;5—对拉螺杆;6—四角带22 mm螺栓孔钢板;7—位移计;8—测点触板;9—分配钢板;10—上垫块;11—下垫块;12—辅助垫块;13—荷载传感器。

竖向荷载采用2 000 kN压力试验机自动加载,首先采用位移-时间控制,以0.1 mm/s匀速上升至预压荷载5 kN,消除试验装置缝隙。正式加载阶段,采用力-时间控制,加载速度为0.2 kN/s。

1.3 观测内容及方法

观测内容包括:受力过程与破坏形态、时间-滑移关系曲线、时间-荷载关系曲线。时间-荷载数据通过电液万能试验机的配套控制系统采集,时间-滑移数据通过静态数据采集仪和电子位移计采集。数据测得后,对时间-荷载曲线和时间-滑移曲线进行二次处理,得到剪力-滑移曲线;基于剪力-滑移曲线,得到试件开裂、裂通和破坏三个特征状态时的滑移、荷载和应力;换算得出剪应力-滑移曲线。

2 试验结果

2.1 试验现象

试件表现为两类破坏形式:双面破坏和单面破坏,如图4所示。前者现象为:左右界面下部先后出现竖向贯穿裂缝,最后在同一级荷载突然破坏;后者现象为:一侧界面先出现竖向贯穿裂缝后脱开,另一侧始终粘结良好。这种现象显然是由于两侧受力或界面强度的不对称性造成的。

图4 试件典型破坏形态

设置横向约束可显著降低界面不对称影响,并提高界面受剪破坏时的延性。试验中,75%的无侧向约束试件的破坏形态是单侧开裂;而施加有横向约束的试件中,81.25%发生双侧开裂。抗剪界面尺寸小的试件,受不对称荷载时的敏感性越高,越容易发生单侧开裂破坏。

从界面的最终破坏形态来看,无约束双剪构件的界面表现为粘结失效脱开。而有约束试件随着约束应力的增加,摩擦咬合作用增强,表面可看到剪切引起的碎屑脱落。整浇试件则表现为明显的斜压破坏特征。

2.2 剪应力-滑移(-s)曲线

图5 各组试件的-s曲线

对于有约束试件,曲线类型则较为复杂,可分为四种类型。第一种:图5(e)为单调增长曲线,单面破坏时测得。如进行界面滑移刚度分析,这些构件可纳入统计范围,但如果进行强度分析,显然低估了界面的受剪能力,建议舍去。第二种:图5(f)的曲线出现在界面上预加压力条件下,界面开裂滑动时,突然应力释放,荷载降低;随后,形成新的界面凹凸咬合并逐渐挤紧,刚度增加,强度提高。第三种:图5(g)(i)为较低强度时发生几次锯齿形震荡后,抗剪强度增加,这种情况发生在无预应力界面约束条件下,是界面开始局部滑脱的典型表现。第四种:图5(h)曲线发生在规则齿槽界面,表现为破坏前高应力震荡,随后破坏。这种破坏开始于齿槽的先后剪断开始。

2.3 界面特征点应力和滑移

从图5曲线中提取各转折特征点应力和位移,得到图6和图7所示的曲线。其中同一种编号有多个试件时,取平均值。

图6 无横向约束组特征点应力

图7 不同界面处理方式下有横向约束试件的特征点应力和滑移

由图6可以看出:无横向约束时,机械凿毛试件在剪力作用方向上各性能参数存在明显的尺寸效应,随界面高度增大,特征点应力减小,极限应力增大1.6倍,滑移值也随界面高度的增加而增加,在宽度方向则影响不明显。分析认为,这种现象表明了界面剪应力分布的显著不均匀性,界面不同位置开裂、破坏不同时发生,界面高度越大,完全破坏时相对滑移值越大,平均应力越低。

由图6可以看出:无约束人工凿毛试件中界面高度为400 mm试件极限应力明显偏高,检查破坏面后发现凿毛粗糙度略大。其他各性能参数的尺寸效应并不明显,分析认为是试验系统的离散性远远大于尺寸效应干扰所致。对于有横向约束试件,除个别数据异常外,其特征点应力均呈现随界面高度增大而减小的尺寸效应现象,极限剪应力增幅高达1.6倍,但特征点滑移则不明显,参见图7。