2017, Vol. 45
新旧混凝土结合面(以下简称“结合面”)在混凝土结构中较为常见，且易形成剪切薄弱面，比如现浇结构的施工缝、装配式结构的接缝和加固结构中后浇构件的界面等.高强混凝土相比普通混凝土具有更好的结构性能和技术经济效益，值得在我国推广应用[1-2].国内外学者对结合面抗剪性能的试验研究主要针对的是普通混凝土，但对高强混凝土结合面抗剪性能的研究相对较少.其中，国外结合面抗剪试验中的混凝土圆柱体抗压强度达到98.5 MPa[3-5]，而国内试验的混凝土强度等级标号均未超过C60[6-9].另外，国内外研究及相关标准对混凝土强度如何影响结合面受剪承载力的认识也并不一致.其中，文献[3]认为，提高混凝土强度可提高结合面受剪承载力；文献[4-5]则指出，结合面配筋强度较小时，混凝土强度对受剪承载力影响不明显；美国《混凝土结构设计规范:ACI 318-14》[10](以下简称规范ACI 318) 在计算结合面受剪承载力时，未考虑混凝土强度的影响，而我国《装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1—2014》[11](以下简称规程JGJ 1)、欧洲《混凝土结构设计规范:EN 1992-1-1》[12](以下简称规范EN 1992) 和国际结构混凝土协会的《模式规范:MC 2010》[13](以下简称规范MC 2010) 均认为，结合面受剪承载力与混凝土强度正相关.因此，有必要对高强新旧混凝土结合面抗剪性能展开研究.本文在推剪试验的基础上，研究直剪作用下高强混凝土新旧结合面的破坏形态以及抗剪机理，分析结合面受剪承载力的影响参数，并与相关标准的计算值进行对比.
1 试验概况 1.1 试件设计共设计了15个Z形试件，其中11个试件的混凝土强度等级标号为C80，编号为试件D1~D11；4个试件的混凝土强度等级标号为C40，编号为试件B1~B4.试件键槽面尺寸、几何尺寸、试件配筋及结合面抗剪钢筋如图 1和图 2所示.其中，结合面尺寸为250 mm×450 mm，Ass为结合面抗剪钢筋，其锚固长度均为325 mm.试件的主要参数见表 1.表中, fcu为与试件同等条件养护的混凝土立方体抗压强度实测值，fc为混凝土轴心抗压强度(根据fcu按《混凝土结构设计规范:GB 50010—2010》换算得到)，fy为钢筋屈服强度实测值，ρ为结合面抗剪钢筋配筋率，ρfy为结合面配筋强度.试件的粗糙面采用露骨料的方法处理而成，试验前，采用灌砂法对结合面粗糙度进行测量，达到规范MC 2010“粗糙”的要求.
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图 1 试件尺寸与配筋(单位:mm) Fig.1 Dimensions and reinforcement of specimens(unit: mm) |
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图 2 结合面抗剪钢筋布置(单位:mm) Fig.2 Arrangement of interface shear resistant rebar (unit: mm) |
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下载CSV 表 1 试件的主要参数 Tab.1 Main parameters of specimens |
试验采用单调加载，加载装置如图 3所示，其中后浇部分位于上部.固定于右侧反力架上的MAS-2000D/500型伺服作动器施加水平力，在试件左侧放置一个圆形钢棒，作动器中心、结合面和钢棒在同一平面上，通过加载端的铰接装置保证作动器仅施加水平剪力于结合面处.为保证试件牛腿部分的承载力，通过预应力螺杆对其施加了预压力.
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图 3 试验加载装置及结合面滑移测点布置示意 Fig.3 Test setup and layout of interface slide measuring-points |
正式加载前，先施加约50 kN的水平力，对整个系统进行调试后卸载.之后进行分级加载，采用荷载-位移双控制加载.荷载控制时，加载速率为10 kN ·min-1.结合面达到第一峰值荷载时滑移量较小，且之后荷载会突降，为防止试件突然破坏，当钢筋应变达到1.5×10－3或结合面裂缝贯通后，改为位移控制加载.位移控制时，加载速率为1 mm·min-1，直至结合面两侧相对滑移量达到25 mm或荷载降为第一峰值荷载的30%时，认为试件破坏，加载终止.
1.4 量测内容每个试件中安装有3个位移计，用以测量结合面的相对滑移量(见图 3).每个试件上选取2~3根抗剪钢筋，并在结合面上、下各25 mm处布置钢筋应变测点.试验过程中，还采用裂缝电子读数仪测量结合面的裂缝宽度.
2 试验结果与分析 2.1 破坏过程当荷载达到250 kN左右时，C80试件结合面开裂，而当加载到350 kN左右时，C40试件结合面方开裂.高强混凝土由于使用了更多的高标号水泥，水化放热更高，早期自收缩加大，可能在试件内部产生微裂缝，从而导致C80试件的开裂荷载低于C40试件.
加载到第一峰值荷载时，所有试件的结合面裂缝贯通(见图 4a)，键槽结合面试件D7、D8和B4出现沿键槽表面发展的斜裂缝(见图 4b)，C80和C40试件的结合面平均裂缝宽度分别达到0.4 mm和0.5 mm.
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图 4 达到第一峰值荷载时典型的结合面裂缝形态 Fig.4 Typical crack patterns at the first peak load |
加载至试件破坏时，结合面出现较大的滑移，出现了两种破坏方式.其中, 试件D3、D4、B2和B3发生结合面剪切破坏，试件结合面附近混凝土有少量剥落(见图 5a、b)；其余发生混凝土冲切破坏，试件D1、D2和B1发生正面混凝土冲切破坏，试件正面的混凝土大面积脱落(见图 5c)，试件D5、D6、D8和B4发生侧面混凝土冲切破坏，试件角部出现斜裂缝，大块混凝土被整体剥离(见图 5d).
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图 5 典型的试件破坏形态 Fig.5 Typical failure patterns of specimens |
典型的试件结合面剪力-滑移(V-s)曲线如图 6所示.试件开裂前，结合面无相对滑移；结合面开裂后，荷载随结合面滑移量的增加而迅速增大，达到第一峰值荷载时，所有试件的结合面滑移量均未超过0.6 mm；之后，试件的荷载随滑移量的增加而降低；最后，试件出现了两种破坏情况，其中，配置直径25 mm钢筋的试件，由于混凝土保护层厚度较小，在钢筋的局部压力作用下而发生冲切破坏，荷载迅速降低，而其他试件的荷载随滑移量的增加而缓慢增大，直至达到第二峰值荷载，之后荷载迅速降低.
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图 6 典型的试件V-s曲线 Fig.6 Typical V-s curves of specimens |
由图 6可以看出，结合面的V-s曲线大致呈4折线[14]，其4个特征点分别代表试件开裂、第一峰值荷载、荷载下降拐点和第二峰值荷载，如图 7所示.图中, V1和s1为结合面开裂荷载和滑移量，V2和s2为第一峰值荷载和相应的结合面滑移量，V3和s3为第一个荷载下降段达到的最小荷载和相应的结合面滑移量，V4和s4为第二峰值荷载及相应的结合面滑移量.各试件特征点对应的剪力和相对滑移量如表 2所示.由表 2可知，达到第一峰值荷载时，结合面滑移量很小，多数不超过0.5 mm，主要由混凝土的黏锁作用和剪摩擦作用共同提供结合面受剪承载力，钢筋销栓作用的影响相对较小.之后，由于结合面混凝土粗骨料被剪坏，混凝土黏锁作用和剪摩擦作用突降，导致荷载突降.但随着结合面滑移量增大，钢筋销栓作用增大，荷载缓慢回升并出现第二个峰值荷载.但达到第二峰值荷载时，结合面滑移量较大且开裂严重，不适合作为承载力指标.另外，文献[15]认为，在地震设计工况下，框架梁端、柱端的施工缝结合面可能出现较大的滑移量，为此提出了采用基于滑移量的结合面受剪承载力计算方法，并建议取结合面相对滑移量为2.0 mm时对应的剪力V2.0作为结合面受剪承载力.由于国内外相关试验数据仍较少，基于滑移量的结合面受剪承载力计算方法尚有待进一步研究.故本文将第一峰值荷载定义为结合面的受剪承载力Vu.
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图 7 结合面V-s曲线示意图 Fig.7 Interface V-s curves |
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下载CSV 表 2 各试件试验特征点结果 Tab.2 Test results of specimens |
试件中部分钢筋的剪力抗剪钢筋应变(V-ε)的关系曲线如图 8所示.图中, 圆圈代表Vu.由图 8可知，达到Vu前，试件的V-ε曲线均大致呈3折线.结合面开裂前，荷载与钢筋应变呈线性关系，钢筋应变较小，均小于0.2×10－3；开裂后，钢筋应变随荷载的增长而迅速变大；达到Vu时，除试件D1、B1外，其余试件中的钢筋均屈服.
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图 8 荷载-钢筋应变关系 Fig.8 Load versus strain |
如图 9所示，通过对比配筋强度相同的粗糙面试件D2与B1、试件D3与B2、以及试件D5与B3，可以看出：粗糙面C80试件的Vu低于C40试件，其中试件D2比试件B1小53.8%，试件D3比试件B2小51.7%，试件D5比试件B3小28.3%.对于高强混凝土，当骨料强度低于水泥砂浆强度时，裂缝会穿过骨料，形成比较光滑的结合面，将会降低剪摩擦作用和混凝土的黏锁作用[16-17]，从而导致粗糙面C80试件的Vu低于C40试件.
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图 9 混凝土强度对V-s曲线的影响 Fig.9 Influences of concrete strength on V-s curves |
由图 9还可看出：达到第一峰值荷载后，C80试件受剪承载力下降幅度小于C40试件.这主要是因为，当结合面有较大滑移后，钢筋销栓作用对结合面的承载力贡献增大，对混凝土会产生局部压力，而C80混凝土具有更高的局部压力承载能力.
3.2 结合面配筋强度的影响如图 10所示，通过对比粗糙结合面试件D1、D3~D6可知：达到Vu时，荷载随配筋强度的增大而增大，且Vu与配筋参数呈近似线性关系(见图 10b).值得注意的是，试件D6的结合面滑移量比其余试件约小60%，这主要是因为其抗剪钢筋直径较大且混凝土保护层厚度较小，在销栓作用下发生了试件侧边混凝土保护层冲切破坏.
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图 10 结合面配筋强度对受剪承载力的影响 Fig.10 Influences of interface reinforcement parameter on interface shear capacity |
如图 11所示，通过对比配筋强度相同的试件D4与D7、D6与D8可知：键槽结合面试件的Vu比粗糙结合面试件大，其中试件D7比D4的大113.7%，试件D8比D6的大78.1%；达到Vu后，键槽结合面试件D7、D8承载力下降幅度明显大于设置粗糙结合面的试件D4、D6，滑移量达到4.0 mm时，键槽面试件D7、D8的承载力分别下降了39.0%、33.5%，粗糙面试件D4、D6的承载力仅下降了13.2%、6.3%(如图 12所示)，但此时键槽面试件的承载力仍高于粗糙面试件.
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图 11 结合面类型对V-s曲线的影响 Fig.11 Influences of interface technics on V-s curves |
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图 12 承载力下降幅度对比 Fig.12 Comparison of shear capacity descending range |
我国规程JGJ 1、模式规范MC 2010、美国规范ACI 318和欧盟规范EN 1992均给出了新旧混凝土结合面受剪承载力计算方法.直剪作用下，规程JGJ 1对框架梁端竖向接缝结合面，考虑了键槽的抗剪作用和抗剪钢筋的销栓作用；规范MC 2010对粗糙或非常粗糙结合面，考虑了混凝土的黏锁作用、剪摩擦作用和抗剪钢筋的销栓作用；规范ACI 318对粗糙结合面仅考虑剪摩擦作用；规范EN 1992对粗糙结合面，考虑了混凝土的黏锁作用和剪摩擦作用.各标准中的受剪承载力计算公式如下：
| $ {V_{{\rm{u, JGJ}}}} = 0.1{f_{\rm{c}}}{A_{\rm{k}}} + 1.65{A_{{\rm{sd}}}}\sqrt {{f_{\rm{c}}}{f_{\rm{y}}}} $ | (1) |
| $ \begin{align} &{{V}_{\text{u, MC}}}=0.1f{{_{\text{c}}^{\prime }}^{1/3}}{{A}_{\text{c}}}+0.5{{A}_{\text{sd}}}{{f}_{\text{y}}}+\text{ } \\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0.9{{A}_{\text{sd}}}\sqrt{{{f}_{\text{cc}}}{{f}_{\text{y}}}} \\ \end{align} $ | (2) |
| $ {{V}_{\text{u, ACI}}}=1.0{{A}_{\text{sd}}}{{f}_{\text{y}}} $ | (3) |
| $ {{V}_{\text{u, EN}}}=0.45{{f}_{\text{t}}}{{A}_{\text{c}}}+0.7{{A}_{\text{sd}}}{{f}_{\text{y}}} $ | (4) |
式(1)~(4) 中:fc为结合面两侧混凝土轴心抗压强度的较小值; ft为结合面两侧混凝土轴心抗拉强度的较小值; fcc为结合面两侧混凝土圆柱体轴心抗压强度的较小值；fy为钢筋屈服强度实测值；Ak为各键槽的根部截面面积之和；Asd为垂直贯穿结合面钢筋的面积；Ac为结合面面积. fcc计算按《普通混凝土力学性能试验方法标准:GB/T 50081—2002》测得与试件同条件养护的混凝土立方体抗压强度值[18]，根据《混凝土结构设计规范:GB 50010—2010》给出的立方体抗压强度与棱柱体抗压强度的关系，换算得到轴心抗压强度[19]，再根据欧洲标准《混凝土结构设计的一般规则和构造:EN1992-1-1》得到了相应的圆柱体轴心抗压强度.
将按式(1)~(4) 计算的结合面受剪承载力计算值和试验值进行对比，列于表 3.从表中可以看出，按规程JGJ 1计算的结合面受剪承载力明显低于试验值，Vu, JGJ/Vu在0.33~0.72之间，平均值为0.61；按规范MC 2010和规范ACI 318计算的试件受剪承载力与试验值接近，Vu, MC/Vu和Vu, ACI/Vu分别平均为0.93和0.90；而按规范EN 1992计算的粗糙面试件受剪承载力大于试验值，Vu, EN/Vu平均为1.42；键槽面试件受剪承载力均小于试验值，Vu, MC/Vu、Vu, ACI/Vu和Vu, EN/Vu平均值分别为0.53、0.57和0.89.另外，按式(1) 计算的键槽面和粗糙面试件的Vu, JGJ/Vu平均值分别为0.65和0.59，说明式(1) 低估了粗糙面的抗剪作用.
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下载CSV 表 3 受剪承载力计算值与试验值的比较 Tab.3 Comparison of shear strength between calculated values and test results |
收集整理了文献[3-5]中关于高强混凝土结合面抗剪试验数据，共32个粗糙面试件.混凝土的圆柱体抗压强度范围为70.0~123.4 MPa(相当于fcu在78.6~138.7 MPa[18])，配筋强度的范围为2.1~8.4 MPa，试件的加载方式包括单向和循环往复两种.
按式(1)~(4) 计算的结合面受剪承载力计算值和试验值与配筋强度的关系如图 13所示.由图可知：按式(1) 和式(2) 的计算值均比试验值小，其中，Vu, JGJ/Vu的平均值为0.38，Vu, MC/Vu的平均值为0.53，Vu, ACI/Vu的平均值为0.55，Vu, EN/Vu的平均值为0.60.
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图 13 试验结果与规范计算值对比 Fig.13 Comparisons between test results and standard results |
由于未考虑粗糙面的有利影响，也未综合考虑剪摩擦和钢筋销栓的共同作用，规程JGJ 1的计算公式低估了高强混凝土结合面受剪承载力.利用收集到的42个样本数据，进行了回归分析，可以得到结合面受剪承载力计算公式为
| $ {{V}_{\text{ur}}}=0.02{{f}_{\text{c}}}{{A}_{\text{c}}}+{{A}_{\text{sd}}}{{f}_{\text{y}}}+1.2{{A}_{\text{sd}}}~\sqrt{{{f}_{\text{c}}}{{f}_{\text{y}}}}~ $ | (5) |
按式(5) 计算的结合面受剪承载力计算值Vur和试验值Vu与配筋强度的关系如图 14所示.由图可知，Vur/Vu的平均值为0.95，变异系数为0.397，与试验数据符合较好.
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图 14 试验结果与修正公式计算值对比 Fig.14 Comparisons between test results and modified formula results |
由于试验数据较少，还有待于通过更多的数据和可靠度分析来建立结合面受剪承载力设计计算公式.
5 结论(1) 使用C80混凝土的Z形直剪试件先于使用C40混凝土的Z形试件开裂；试件有两种破坏形态，一种为混凝土保护层冲切破坏，另一种为结合面剪切破坏.
(2) 使用C80混凝土的粗糙结合面试件的结合面受剪承载力低于C40粗糙结合面试件；其他条件相同时，键槽面试件的结合面受剪承载力高于粗糙面试件，且结合面的受剪承载力随结合面配筋强度参数的增大而增大.
(3) 按规程JGJ 1—2014公式计算的受剪承载力均明显小于试验值，二者比值平均为0.61，C80试件按规程JGJ 1—2014公式计算的受剪承载力与试验值之比在0.33~0.72之间，按规程JGJ 1—2014的计算结果仍具有较高安全度.
(4) 建议计算结合面受剪承载力时，综合考虑混凝土黏锁作用、剪摩擦作用和钢筋销栓作用的有利影响.根据试验结果，本文提出了高强混凝土新旧结合面受剪承载力修正建议公式，与试验数据符合较好.
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