橋梁加固中溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪性能試驗(yàn)研究

姜海波，方　鑫，郭文華

(1.廣東工業(yè)大學(xué)　土木與交通工程學(xué)院，廣東　廣州　510006；2.廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東　廣州　510507)

橋梁加固中溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪性能試驗(yàn)研究

姜海波1，方鑫1，郭文華2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東廣州510507)

摘要：本文針對溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。該界面處理方式已在佛開高速多座舊橋加固中采用。以界面處理方式、溝槽尺寸、配筋率作為試驗(yàn)參數(shù)，研究了該界面的開裂荷載、抗剪承載力、剪切滑移、剪脹、破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明試件抗剪承載力隨溝槽寬度、植筋率的增加而增加，設(shè)置溝槽的試件抗剪能力相比鑿毛粗糙處理有所提高，試件的延性隨植筋率的增加而增加。通過與美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范中植筋新舊混凝土界面抗剪承載力公式計(jì)算值的對比，認(rèn)為美國ACI規(guī)范可以用于計(jì)算溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪承載力，并給出了建議取值摩擦系數(shù)μ=1.0。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；溝槽植筋；試驗(yàn)研究；新舊混凝土；抗剪性能

0引言

新增預(yù)應(yīng)力和增大截面法[1-4]加固混凝土橋梁時(shí)，新舊混凝土界面抗剪性能是影響加固效果的關(guān)鍵因素。在佛開高速張槎立交等加固工程中，采用溝槽植筋方法[5-11]處理新舊混凝土界面。該橋的加固設(shè)計(jì)草圖見圖1，首先在舊混凝土上開60 mm寬、深30 mm的槽，槽間距200 mm，然后植12 mm的鋼筋，界面處理見圖2。

圖1　新增預(yù)應(yīng)力加固圖(單位：mm)Fig.1　Sketch of rehabilitation by new additional prestressing(unit：mm)

圖2　界面處理圖Fig.2　Interface disposing

溝槽法是鄭州大學(xué)張雷順教授提出的一種新型新舊混凝土加固黏結(jié)方法[12]，以此來達(dá)到提高新舊混凝土之間機(jī)械咬合力的作用，但該文的槽深僅為2～3 mm。溝槽植筋是一種新的界面處理方式，國內(nèi)外研究較少，我國還沒有相應(yīng)的規(guī)范，該界面的抗剪性能有待深入研究。

本文對14個(gè)新舊混凝土試件進(jìn)行靜力試驗(yàn)研究，探討界面處理方式、溝槽寬度、植筋率對新舊混凝土界面抗剪性能的影響，并將試驗(yàn)值與美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范中植筋新舊混凝土界面抗剪承載力公式計(jì)算值進(jìn)行對比。

1界面抗剪機(jī)理

混凝土界面抗剪承載力主要來源于界面的骨料咬合力，或稱之為“剪-摩擦”(shear-friction)。該理論由Birkeland and brikeland (1966)[13]最早提出。如圖3所示，當(dāng)界面發(fā)生剪切滑移“Δ”時(shí)，由于粗糙表面的影響，將在垂直滑移面發(fā)生剪脹“w”，進(jìn)而在橫向鋼筋中產(chǎn)生約束力Avffy。界面抗剪承載力Vni與橫向鋼筋中約束力Avffy存在比例關(guān)系，比例系數(shù)μ被稱為摩擦系數(shù)，它是由鋸齒傾角所決定的。Birkeland and brikeland (1966)提出界面抗剪承載力：

對于整體混凝土，tanφ=1.7；對于人工鑿毛混凝土，tanφ=1.4；對于常規(guī)混凝土接縫，tanφ=1.0。

圖3　剪-摩擦理論Fig.3　Theory of shear-friction

美國ACI建筑規(guī)范 (318-11)[14]認(rèn)為新舊混凝土間設(shè)置抗剪鋼筋，當(dāng)植入鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，新舊混凝土界面的抗剪承載力達(dá)到了極限抗剪承載力。美國AASHTO LRFD規(guī)范 (2012)[15]在美國ACI規(guī)范公式的基礎(chǔ)上添加了界面黏結(jié)力，該公式認(rèn)為植筋新舊混凝土界面抗剪承載力由界面混凝土黏結(jié)力和鋼筋對混凝土的約束作用而產(chǎn)生的摩擦力提供。美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范中植筋新舊混凝土界面抗剪承載力計(jì)算公式見表1。

2試驗(yàn)概況

2.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7種不同類型Z型試件，每種試件制作兩個(gè)，包括整體試件、鑿毛植筋試件、溝槽植筋試件。試件的尺寸為340 mm×100 mm×540 mm。 在試件外側(cè)布置2φ16 HRB400受拉鋼筋來防止外側(cè)混凝土發(fā)生彎曲破壞，在試件中部布置2φ16 HRB400受壓鋼筋斜向來防止內(nèi)側(cè)拐角處混凝土發(fā)生壓碎破壞。植筋采用φ14 HRB400鋼筋，試件具體參數(shù)見表2， 具體尺寸見圖4。 試件命名以AB-CD-EF的形式，A代表界面處理方式(M代表整體試件，R代表鑿毛植筋試件，G代表溝槽植筋試件)，B代表混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(4代表C40混凝土)，C代表植筋的根數(shù)，D代表植筋的直徑，E代表溝槽深度，F(xiàn)代表溝槽寬度，其中，E、F的單位為cm，在F后加a、b用以區(qū)分同一類型的2個(gè)試件，N表示未設(shè)置。例如R4-314-N表示鑿毛植筋試件，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C40，界面植入3根φ14鋼筋，沒有設(shè)置溝槽。

表2　試件參數(shù)表

圖4　試件尺寸圖(單位：mm)Fig.4　Specimen dimensions(unit：mm)

2.2試件材料

舊混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C40，每立方米混凝土中水∶水泥∶沙∶石子的質(zhì)量比為220∶500∶588∶1 142，由6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體、6個(gè)150 mm×150 mm×300 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊在28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下測得其平均抗壓強(qiáng)度分別為74.7,58.3 MPa。新混凝土部分澆注與舊混凝土相隔1個(gè)月，強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級、所用骨料與舊混凝土相同，由6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體、6個(gè)150 mm×150 mm×300 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊在28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下測得其平均抗壓強(qiáng)度分別為54.1 , 42.0 MPa。新混凝土澆注前對新舊混凝土界面進(jìn)行人工鑿毛、植筋處理。

2.3試驗(yàn)加載及測試內(nèi)容

試驗(yàn)加載采用位移控制，正式加載之前進(jìn)行預(yù)加載，加載總量取預(yù)估最大荷載的15%，恒載15 min 后再慢慢卸載。正式加載時(shí)每級取0.05 mm，每一級恒載5 min后采集數(shù)據(jù)，直至試件破壞或豎向剪切滑移達(dá)4 mm后停止加載。

荷載值由電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)自帶的壓力傳感器測得，豎向剪切滑移由2只位移計(jì)測得，水平剪脹由1只位移計(jì)測得，并用北京智博聯(lián)ZBL-F101裂縫觀測儀觀測裂縫。具體加載裝置如圖5所示。

3試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果匯總

試件的抗剪試驗(yàn)結(jié)果匯總見表3。

圖5　試驗(yàn)裝置圖Fig.5　Experimental setup

3.2試驗(yàn)現(xiàn)象

對整體試件M4-N-Na進(jìn)行加載，試件從開始加載到破壞前，沒有明顯的破壞征兆，破壞時(shí)立即被剪成兩半。

表3　試驗(yàn)結(jié)果

鑿毛植筋試件R4-314-Na加載初始階段，新舊混凝土界面并未發(fā)現(xiàn)裂縫。當(dāng)荷載增加到67.2 kN時(shí)，混凝土沿著新舊混凝土界面產(chǎn)生貫穿裂縫，此時(shí)剪切荷載隨著位移的增加依然在增大，剪力上升至峰值146.2 kN后又開始平穩(wěn)下降，剪切滑移、剪脹繼續(xù)增加，當(dāng)剪切滑移達(dá)到4.06 mm時(shí)，剪力仍有69.2 kN左右。從試驗(yàn)過程可以看出，相對于整體試件破壞形態(tài)，鑿毛植筋試件破壞具有良好的延性，同時(shí)由于植入鋼筋的影響，破壞時(shí)無法分離且整體性較好，破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6　R4-314-Na破壞形態(tài)Fig.6　Failure mode of R4-314-Na

溝槽植筋試件G4-214-34a加載至80.0 kN時(shí)，槽底部開始出現(xiàn)微小裂縫，此時(shí)剪切滑移為0.17 mm。隨著荷載增加，裂縫由下向上發(fā)展至槽被剪斷。槽被剪斷時(shí)，剪切荷載突然下降，之后剪力慢慢減小，剪切滑移、剪脹繼續(xù)增加，當(dāng)剪切滑移達(dá)到4.08 mm時(shí)，剪力仍有60.2 kN。從試驗(yàn)過程可以看出，溝槽植筋試件破壞形態(tài)類似于鑿毛植筋試件R4-314-Na，破壞形態(tài)如圖7所示。其他溝槽植筋試件試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)與G4-214-34a類似。

圖7　G4-214-34a破壞形態(tài)Fig.7　Failure mode of G4-214-34a

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)開裂荷載

由表3中的數(shù)據(jù)可知，與整體試件M4-N-N相比，鑿毛植筋試件和溝槽植筋試件的開裂荷載有明顯降低。溝槽植筋試件G4-214-34, G4-214-36,G4-214-39的開裂荷載平均值分別為86.8, 91.8, 95.6 kN, 這表明溝槽寬度可以增加抗剪。溝槽植筋試件G4-114-36，G4-214-36，G4-314-36的開裂荷載平均值分別為87.0，91.8，102.3 kN。鑿毛植筋試件R4-314-N的開裂荷載平均值為88.6 kN。界面比試件R4-314-N多設(shè)置30 mm 深、90 mm寬溝槽的溝槽植筋試件G4-314-39的開裂荷載平均值為102.3 kN。這說明增加試件溝槽寬度、植筋率和設(shè)置溝槽都能延遲裂縫的產(chǎn)生。

(2)極限荷載

由表3中的數(shù)據(jù)和表4中試件抗剪強(qiáng)度與整體試件的比值可知，試件抗剪承載能力隨植筋率、溝槽寬度的增加而提高；設(shè)置溝槽試件抗剪能力相比鑿毛粗糙處理試件有所提高；溝槽植筋法能明顯地提高新舊混凝土抗剪能力，其中溝槽植筋試件G4-314-36抗剪強(qiáng)度達(dá)到了整體試件M4-N-N抗剪強(qiáng)度的98.2%。

表4　試件抗剪承載能力比值

(3)荷載-剪切滑移關(guān)系

本次試驗(yàn)對每種試件都測試了兩個(gè)，每種試件取其平均值得到的荷載-剪切滑移曲線如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)代表試件新混凝土和舊混凝土部分之間的豎向剪切滑移，縱坐標(biāo)代表試驗(yàn)機(jī)記錄的剪切荷載。

圖8　試件的剪切荷載-豎向剪切滑移曲線Fig.8　Curves of shear load vs. vertical shear slip of specimen

從圖8中可知，試件在破壞之前，剪切荷載與剪切滑移近似于線性增加。整體試件M4-N-N具有明顯的脆性破壞特征，破壞前的最大剪切滑移為0.26 mm；鑿毛植筋試件R4-314-N極限剪切時(shí)剪切滑移平均值達(dá)0.79 mm，且剪切荷載和剪切滑移沒有明顯的突變過程，具有良好的延性；溝槽植筋試件極限剪切時(shí)剪切滑移平均值在0.52～1.00 mm之間，相對于整體試件具有較好的延性，但剪力到峰值后都會(huì)出現(xiàn)一次驟降，之后剪切荷載隨剪切滑移的增大而慢慢減小。

(4)荷載-剪脹關(guān)系

試驗(yàn)測試的荷載-剪脹曲線如圖9所示。圖中橫坐標(biāo)代表試件新混凝土和部分舊混凝土之間的水平剪脹，縱坐標(biāo)代表試驗(yàn)機(jī)記錄的剪切荷載。

圖9　試件的剪切荷載-水平剪脹曲線Fig.9　Curves of shear load vs. horizontal shear dilation

由表3中的數(shù)據(jù)和圖9可知，試件在破壞之前，剪切荷載與剪脹近似于線性增加。破壞時(shí)溝槽植筋試件G4-114-36, G4-214-36, G4-314-36剪脹平均值分別為0.35, 0.28, 0.14 mm，剪脹隨植筋率的增大而減小，增大植筋率能提高試件的延性，使試件保持較好的完整性。破壞時(shí)溝槽植筋試件G4-214-34, G4-214-36, G4-214-39剪脹平均值在0.27～0.32 mm之間，溝槽寬度對試件的延性影響不大。植筋試件G4-314-36、R4-314-N極限剪切時(shí)剪脹平均值分別為0.14, 0.23 mm，在一定植筋率的前提下，溝槽植筋試件的延性比鑿毛植筋試件好。

4新舊混凝土界面承載能力計(jì)算分析

美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范未提及溝槽植筋試件的抗剪承載力計(jì)算公式，只給出了整體植筋試件、鑿毛植筋試件以及無鑿毛植筋試件的計(jì)算公式。從本次試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，溝槽植筋試件的粗糙度應(yīng)該在其他鑿毛植筋試件到整體植筋試件之間，故摩擦系數(shù)μ的取值應(yīng)在1.0～1.4之間，粗糙度系數(shù)c應(yīng)在1.68～2.8之間。假設(shè)μ=1.0，c=1.68計(jì)算美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范中植筋新舊混凝土界面抗剪承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果見表5。其中，新舊混凝土黏結(jié)面面積為20 000 mm2，植筋面積分別為153.9, 307.7, 461.6 mm2，植筋屈服強(qiáng)度fy=400 MPa，無水平約束應(yīng)力。

由表5中試件計(jì)算值與試驗(yàn)值比值可知，美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的平均值分別為0.91,1.16，美國ACI規(guī)范計(jì)算值較美國AASHTO LRFD規(guī)范更接近于試驗(yàn)值，且美國ACI規(guī)范較美國AASHTO LRFD規(guī)范更加偏于安全，建議采用美國ACI規(guī)范計(jì)算溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪承載力及摩擦系數(shù)μ=1.0。

5結(jié)論

溝槽植筋是新舊混凝土界面處理的新形式，已在橋梁加固中得到成功應(yīng)用。通過溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪性能的試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度隨植筋率的增加而增加，溝槽植筋試件G4-114-36, G4-214-36, G4-314-36抗剪強(qiáng)度分別為整體試件M4-N-N的65.1%, 77.1%,98.2%。增大植筋率還能延遲裂縫的產(chǎn)生及提高試件的延性，溝槽植筋試件G4-114-36, G4-214-36,G4-314-36開裂荷載平均值分別為87.0, 91.8,102.3 kN，極限剪切時(shí)剪脹平均值分別為0.35, 0.28, 0.14 mm。植筋試件極限剪切時(shí)剪脹平均值都在0.14～0.35 mm之間，即使在剪脹達(dá)1.5 mm的情況下仍有較強(qiáng)的抗剪性能和較好的整體性，界面破壞具有明顯的延性特征。

表5　試件計(jì)算結(jié)果

(2)新舊混凝土界面抗剪強(qiáng)度隨溝槽寬度的增加而增加，溝槽植筋試件G4-214-34,G4-214-36,G4-214-39抗剪強(qiáng)度分別為整體試件M4-N-N 的70.0%, 77.1%, 81.2%。增加溝槽寬度還能延遲裂縫的產(chǎn)生，溝槽植筋試件G4-214-34, G4-214-36, G4-214-39開裂荷載平均值分別為86.8, 91.8, 95.6 kN。與鑿毛植筋試件R4-314-N相比，多設(shè)置30 mm深、60 mm寬溝槽的溝槽植筋試件G4-314-36抗剪強(qiáng)度提高了29.6%。界面設(shè)置溝槽不僅提高了抗剪強(qiáng)度，而且能延遲裂縫的產(chǎn)生。溝槽植筋試件G4-314-36開裂荷載平均值也比鑿毛植筋試件R4-314-N大13.7 kN。

(3)對美國ACI、AASHTO LRFD規(guī)范中植筋新舊混凝土界面抗剪承載力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析，美國ACI規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，且美國ACI規(guī)范較美國AASHTO LRFD規(guī)范更加偏于安全，認(rèn)為美國ACI規(guī)范可以用于計(jì)算溝槽植筋新舊混凝土界面抗剪承載力，并給出了建議取值摩擦系數(shù)μ=1.0。

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Experimental Sudy on Shear Behavior of Grooved Interface between Newly Poured and Existing Concrete with Reinforcement in Bridge Rehabilitation

JIANG Hai-bo1, FANG Xin1, GUO Wen-hua2

(1.School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China;2. Guangdong Provincial Highway Planning and Design Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510507, China)

Abstract：The shear behavior of grooved interface with reinforcement between existing concrete and newly poured concrete is experimentally researched, which has been adopted in the rehabilitation project of several old bridges in Foshan-Kaiping expressway. Taking interface type, groove size and reinforcement ratio as the testing parameters, the cracking load, shear capacity, shear slippage, shear dilation, and failure modes in the specimens of the interface are investigated. The test result shows that (1) the shear capacity of specimens increases with the increasing of the width of the groove and reinforcement ratio; (2) the grooves cut on the concrete surface can improve the shear capacity comparing with the roughened surface; (3) the ductility of specimens enhances with the increasing of reinforcement ratio. The test result is compared with the calculated interface shear strength between newly poured and existing concrete with transverse reinforcement by provisions of ACI and AASHTO LRFD. It is thought that The ACI specification can be used to estimate the interface shear strength between newly poured and existing concrete, and the friction coefficient μ is suggested to be 1.0.

Key words：bridge engineering; grooved interface with reinforcement; experimental research; new and old concrete; shear-bearing capacity

收稿日期：2015-05-22

基金項(xiàng)目：廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2011-02-46);廣東省教育廳特色創(chuàng)新項(xiàng)目(2014KTSCX060)；深圳市科技研發(fā)資金項(xiàng)目(JCY20130329142338934)

作者簡介：姜海波(1970-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授.(hbjiang@gdut.edu.cn)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.011

中圖分類號(hào)：TU375.102

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0068-08