新老混凝土组合梁界面黏结性能研究.pdf

第3 7 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．5 2 0 0 8 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 8 新老混凝土组合梁界面黏结性能研究 王文炜，蒙鞘2 ，李淑琴1 ，扬威1 ，翁昌年3 1 ．东南大学交通学院，江苏南京2 1 0 0 9 6 ；2 ．广西华蓝设计 集团 有限公司，广西南宁5 3 0 0 1 1 } 3 ．辽宁省大通公路工程有限公司，辽宁沈阳 1 1 6 0 2 1 摘要为了解新老混凝土组合梁在预应力作用下的界面黏结性能，采用测量界面间应变的试验 方法和有限单元法研究了箍筋间距和混凝土的开裂对界面间黏结性能的影响．结果表明，在预应 力作用下，黏结面上下应变差值较小，界面间无明显滑移．在静载作用下，破坏模式为剪跨区局部 发生黏结破坏之后受压区混凝土压碎，黏结面上下应变差值为5 ．0 6 1 0 一～9 ．1 9 1 0 ～，界面 间滑移较明显．箍筋间距从2 0 0m m 变化到1 0 0m m 后，界面滑移值由2 ．7 5 7m m 减小至1 ．5 1 8 m m ，增加了组合梁的整体性和刚度．有限单元法计算出的组合梁界面应力、应变及滑移，与试验 值吻合良好． 关键词新老混凝土；组合梁；滑移；黏结性能；界面 中图分类号T U3 7 8 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 5 0 6 8 0 - 0 5 B o n d i n g a n d B e h a v i o ra tt h eI n t e r f a c eB e t w e e n0 l d N e wC o n c r e t eo fC o m p o s i t eB e a m s W A N GW e n w e i l ，M E N GQ i a 0 2 ，L IS h u - q i n l ， Y A N GW e i l ．W E N GC h a n g n i a n 3 1 ．S c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o n ，S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，C h i n a ； 2 ．H u a l a nD e s i g nC o ．L t d ，N a n n i n g ，G u a n g x i5 3 0 0 1 1 ，C h i n a ； 3 ．D a t o n gH i g h w a yE n g i n e e r i n gC o ．L t d ，S h e n y a n g ，L i a o n i n gl1 6 0 2 1 ，C h i n a A b s t r a c t - f ’h em e c h a n i e a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e no l da n dn e wc o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m su n d e rp r e s t r e s s i n gf o r c e sw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y ．T e s te f f e c t so ft h es p a c e o fl i n k sa n dc o n c r e t ec r a c k i n go nb o n di n t e r f a c ew e r es t u d i e db a s e do nt e s tr e s u l t s ．Af i n i t ee l e - m e n tm o d e l F E M i Su s e dt Os i m u l a t et h e s ee f f e c t s ．T h er e s u l t ss h o wn os l i pa tt h ei n t e r f a c e b e t w e e no l da n dn e wc o n c r e t eu n d e rp r e s t r e s s i n gf o r c e s ．T h es l i pa n dl o c a lb o n df a i l u r ei nt h e s h e a rs p a nw a so b s e r v e du n d e rs t a t i cf o r c e s ．T h ed i f f e r e n c ev a l u e so f s t r a i na tt h e i n t e r f a c e w e r e5 0 6X1 0 ～一9 1 9 1 0 一．T h es l i pd e c r e a s e df r o m2 ．7 5 7m mt o1 ．5 1 8m m ，a n dt h es t i f f n e s so ft h eb e a m si n c r e a s e d 。a st h el i n ks p a c i n gd e c r e a s e df r o m2 0 0m mt o10 0m m ．T h eF E M s h o w sg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ． K e yw o r d s o l da n dn e wc o n c r e t e ；c o m p o s i t eb e a m ；s l i p ；b o n d ；i n t e r f a c e 简支钢筋混凝土T 梁桥是我国广泛使用的一 种桥梁结构形式．经过多年的运营，承载力及刚度 均已不能满足现代交通的要求．为使其够继续使 用，可在支座负弯矩区设置预应力钢束后浇注一层 混凝土转变为连续梁，使其能够满足现代交通的需 求．研究表明，目前国内外对于新老混凝土黏结的 收稿日期2 0 0 8 一0 1 1 1 基金项目交通部西部交通建设科技项目 2 0 0 3 3 1 8 2 2 3 1 5 作者简介王文炜 1 9 7 1 ，男，河南省洛阳市人，副教授，工学博士，从事F R P 一钢一混凝土组合结构、F R P 加固混凝土结构方面的研究． E - m a i l w e n w e L w a n g 1 6 3 ．c o m T e l 1 3 6 1 1 5 0 5 3 6 5 万方数据 第5 期 王文炜等新老混凝土组合梁界面黏结性能研究 6 8 1 研究多集中在新老混凝土试块的剪切强度、抗折强 度、耐久性及界面处理方法等‘1 ‘4 ] ，而对于预应力作 用下组合梁试件的力学性能研究尚显不足‘} 6 | ，本 文针对新老混凝土组合梁界面之间的力学性能进 行了试验研究． 1 试验概况 1 ．1 试件简介 试验梁为2 根预应力钢筋混凝土矩形截面组 合梁，试验梁变化的参数为箍筋间距．试验梁设计 见表1 ．梁的尺寸为0 ．2m 0 ．3m 3 ．3m ，净跨 径为3 ．0m m ，纯弯段的长度为1 ．0m ．试验梁上部 2 0 0m m 范围为老混凝土，设计强度等级为C 2 5 ，下 部1 0 0m E 范围为新混凝土，设计强度等级为 C 4 0 ．受压及受拉区各配置2 根直径为1 2m E 的主 筋，下部新混凝土中布置一根直径为1 5 ．2m E 的 预应力钢绞线，沿着梁的纵向布置间距为1 0 0m E 2 0 0r a m 的箍筋，箍筋一方面起到抗剪作用，另一 方面可作为新老混凝土之间的剪力连接件，试验梁 的配筋情况见图1 ，材料性能见表2 ． 表1 试件设计 T a b l e1T e s ts p e c i m e n ，r I P ／2 r 一 ．． 10 0 0 I l0 0 0 1 严盥蟹十l l 1 ’ 三lIlhlIIIl I＼ 鼍- ＼￡ 遢蹩土 I 中65 m ，1 0 0 图1 试件简图 F i g ．1 D e t a i l so ft e s tb e a m s 表2 材料性能 T a b l e2 M a t e r i a lp r o p e r t i e s 2试验结果与分析 2 ．1 破坏形态、荷载挠度曲线 试验梁的破坏形态为剪跨区新老混凝土黏结 面局部黏结破坏和梁顶面加载点下受压区混凝土 压碎，如图2 所示． 1 ．2 试件制作和安装 试件制作过程为先浇筑C 2 5 混凝土，3 个月后 待C 2 5 混凝土收缩徐变完成大部分后浇筑C 4 0 混 凝土，待C 4 0 混凝土浇筑7d 后张拉预应力钢绞 线，并灌浆．将新老混凝土组合梁表面清理干净，跨 图2 试验梁破坏形态 中截面沿着梁高的方向黏贴5 个应变片测量沿梁 F i g ．2 h n 叫。m o d e 8 高的应变分布． 试验中，2 根试验梁都是荷载加至极限荷载的 试验梁采用千斤顶加载，加载方式为两点对称 3 0 ％左右时，跨中附近出现第1 条竖向弯曲裂缝， 加载．在梁的跨中、支座处分别布置百分表测量跨 预示着梁开裂．随着荷载的增加，纯弯段不断出现 中位移和支座变形．荷载为分级加载，在开裂荷载、 新的竖向弯曲裂缝，并且原有竖向裂缝不断增宽 屈服荷载和极限荷载前适当加密荷载等级，以测量 当B B 4 梁荷载增至1 0 5k N ，B B 4 1 0 0 梁荷载增至 开裂荷载、屈服荷载和极限荷载． 1 0 0k N 时，受拉钢筋屈服，弯曲裂缝开展较大，同 万方数据 6 8 2中国矿业大学学报第3 7 卷 时，剪跨区出现斜裂缝，随着荷载增加，斜裂缝不断 向上延伸．当B B 4 梁荷载达到1 1 5k N ，B B 4 1 0 0 梁 达到1 3 0k N 时，斜裂缝附近黏结面处出现纵向黏 结裂缝．黏结裂缝开展一段距离后，越过黏结面继 续向加载点下延伸 见图2 ．B B 4 梁继续增加荷载 至1 6 0k N ，B B 4 1 0 0 梁至1 8 0k N 左右时，梁跨中挠 度急剧增加，预示着梁即将破坏．此后荷载保持不 变，挠度持续增加，加载点下混凝土压碎，梁破坏． 试验粱的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载见表1 ． 图3 给出了2 根试验梁的荷载一跨中截面挠 度曲线，从图中可以看出，试验梁开裂之前，两根梁 的挠度相差不多．试验梁开裂之后，同一等级荷载 作用下，B B 4 梁的挠度大于B B 4 1 0 0 梁．受拉钢筋 屈服后，B B 4 梁的挠度增加较快，与B B 4 1 0 0 梁的 挠度差值更加明显，破坏时的极限荷载要小于 B B 4 1 0 0 梁，延性相对也较差．B B 4 梁的箍筋间距为 B B 4 1 0 0 梁箍筋间距的2 倍，新老混凝土界面之间 的滑移大于B B 4 1 0 0 梁，说明箍筋可以限制界面问 的滑移，增加了梁的整体性能和刚度． 重 辅 辖 跨中挠度／r a m 图3 跨中荷载位移曲线 F i g ．3 L o a d d e f l e c t i o nc u r v e s 2 ．2 应变分析 图4 为不同荷载等级下试验梁沿梁高度方向 的应变，从图4 中可以看出，随着荷载增加，新老混 凝土黏结面上下应变差值逐渐增加．荷载为5 5k N 版2 d M c 2 、 I ‘一 Ⅳc 2 圳2 ’ ， K 2 d 圪2 时，试验梁黏结面上下的应变差值较小，B B 4 1 0 0 梁 为1 ．3 7 1 0 ～，B B 4 梁为1 ．3 5 1 0 一．加载至1 0 0 k N 时，黏结面上下应变差值增大，B B 4 1 0 0 梁为 2 ．0 6 1 0 ～，B B 4 梁为3 ．7 8 1 0 一；加载至1 3 0k N 时，黏结面上下产生了较大的滑移，应变差值继续 增大，B B 4 1 0 0 梁为5 ．0 6 1 0 一，B B 4 梁为9 ．1 9 1 0 一，滑移值B B 4 1 0 0 梁为1 ．5 1 8m m ，B B 4 梁为 2 ．7 5 7m m ．分析应变差值可知，由于B B 4 1 0 0 ，B B 4 梁箍筋间距不同，在同一荷载下，新老混凝土界面 间应变差值明显不同，B B 4 梁的应变差值要明显大 于B B 4 1 0 0 梁，说明箍筋可以有效地抑制新老混凝 土界面间发生滑移． 3 0 0 l 裟5 0 挺1 5 0 藤1 0 0 5 0 0 ．I 应变／1 0 ‘4应变／1 0 ’3 a B B 4 梁 b B B 4 1 0 0 梁 图4 跨中截面沿梁高方向应变分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fs t r a i n sa tm i d s p a nc r O S Ss e c t i o n 3 理论分析 图5 为考虑滑移的预应力作用下的新老混凝 土组合梁．假定新混凝土与老混凝土之间不发生翘 曲，只有纵向的滑移，沿组合梁的纵向取一微元体， 微元体上的内力如图5 a 所示．根据微元体的平衡 及力法方程，建立的单元刚度方程为L 7 0 F e T T k 。晒。， 1 式中F e 为单元杆端荷载向量，F 。一{ N A V A M A ⋯ N BV 。M 。 } ；6 。为杆端位移向量，6 。一{ 瓢口A 瓯⋯ 札讥魄 手；k 。为单元刚度矩阵；T 为坐标转换矩 阵；r 为T 的转秩矩阵．式 1 的求解详见文献 [ 7 3 ． 胍靠 ，、，、、 b 组合粱基本单元 有限单元法基本单元 B a s i ce l e m e n t so fF E M 当组合梁未开裂时 图6 b ，分别计算新老混 凝土截面参数 截面面积、惯性矩 后，代入式 1 即 可求出组合梁的内力和位移．当组合梁开裂时 图 6 c ，对于新混凝土部分，用开裂截面的面积和有效 龇批 p严。 一 M ]一篮二L 主 一 一 一酉H 帆 5 5 图昏 F 方内面载梁 台 组 国 万方数据 第5 期王文炜等新老混凝土组合梁界面黏结性能研究6 8 3 惯性矩代替A 。- 、I - ，即可求出开裂后截面的内力和位移． A c 2 ≮ ●L 。，， ，寺 A c I ▲1 。 啦c A t l 、 - 一七二 A p f b 未开裂部分 a 原截面 b 未开裂截面 ’ c 开裂截面 图6 新老混凝土组合梁换算截面 F i g ．6 T r a n s f o r m e ds e c t i o no fc o m p o s i t eb e a m 预应力为偏心荷载，根据等效荷载法可将预应 力换算成均布荷载作用在组合梁上，均布荷载为L 8 ] q 7 学， 2 2 了r L Z ， 式中e 为预应力钢筋的偏心矩，e Y Y ，；Y 为组 合梁中性轴至受拉边缘距离，可按式 3 计算． y 一堕鱼盟鱼盟土鱼[ 生丝丛， 3 式中h 。，h 。分别新混凝土和老混凝土的高度；Y 。， Y 分别为新混凝土和老混凝土中性轴到梁底面的 距离；z 为老混凝土中性轴到组合梁中性轴的距 离；r z 为新混凝土中性轴到组合梁中性轴的距 离；r 为新老混凝土中性轴的距离；6 为梁宽；A ∽ A 吐，A 。分别为新混凝土、老混凝土截面面积和预 应力钢筋的面积；a E p 一等，口E c 铲，E ，，E 。1 ，E c 2 分别为预应力钢筋的弹性模量、新混凝土弹性模量 和老混凝土弹性模量；A 一口E c A 。l A 。2 口E p A ，． 为反映箍筋间距的影响，本文采用箍筋相对刚度比 卢这一新的概念，即 J 9 一最， 4 式中卢为箍筋相对刚度比；E 。E 。，7 为不同直径箍 dd ， 筋的弹性模量；B ， 字；P ，。， 等；A 。A 7 。，为 0 5 v O Sv 不同直径箍筋的面积，s ，，s 7 ，为不同直径箍筋的间 距．如果配置某种直径、间距的箍筋作为剪力键，其 黏结面间的剪切刚度为k ，则配置另一种直径、间 距的箍筋，黏结面间的剪切刚度为卢k ． 理论计算结果与试验结果相比较如表3 所示， 表中除了黏结面的应变值外，还给出了不同荷载等 级作用下的跨中挠度值．剪力键的荷载一滑移关系 为线弹性，B B 4 梁的剪切刚度忌一8 4k N ／m m ， B B 4 1 0 0 梁的剪切刚度可由式 4 确定．从表3 中可 以看出，计算的应变值、跨中挠度与试验值及其它 学者的计算值吻合较好． 试验结果表明，箍筋间距影响黏结面的滑移， ’ 表3 试验值与计算值的比较 T a b l e3 C o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t e dr e s u l t s 4 结论 1 在预应力及静载作用下，荷载加至极限荷 载的7 2 ％时，黏结面发生局部破坏，上下面应变差 值为5 ．0 6 1 0 “和9 ．1 9 1 0 一，但是破坏面较小． 粗糙的界面可以有效地传递界面间剪力，配置箍筋 可有效地避免发生界面问整体黏结破坏． 2 箍筋间距影响新老混凝土组合梁的界面黏 结性能，箍筋间距从2 0 0m m 变为1 0 0m m 时，界 面滑移值由2 ．7 5 7m m 减小至1 ．5 1 8m m ，越不易 发生界面间的黏结破坏，梁的整体性能越好． 3 在组合梁有限单元法的基础上，考虑黏结 面间的滑移、箍筋直径和间距及混凝土的开裂，建 立了有关新老混凝土组合梁界面应力、应变及变形 r k 万方数据 6 8 4 中国矿业大学学报第3 7 卷 的计算方法，计算结果表明，本文建立的计算方法 与试验值吻合较好． 致谢本文得到辽宁省交通厅重点项目 0 5 1 4 的 资助，特此感谢． 参考文献 亡1 ] [ 2 3 [ 3 ] [ 4 ] 王振领，林拥军，钱永久．新老混凝土结合面抗剪性 能试验研究[ J ] ．西南交通大学学报，2 0 0 5 ，4 0 5 6 0 0 6 0 4 ． W A N GZ h e n - l i n g ，L I NY o n g - j u n ，Q I A NY o n g - j i u ． E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns h e a rp r o p e r t i e so fn e w - t o - o l dc o n c r e t ei n t e r f a c e [ J ] ．J o u r n a lo fS o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ，4 0 5 6 0 0 6 0 4 ． 赵志方，赵国藩。黄承逵．新老混凝土黏结抗折性能 研究[ J ] ．土木工程学报，2 0 0 0 ，3 3 2 6 7 7 2 ． Z H A OZ h i - f a n g ，Z H A OG u o - f a n ，H U A N GC h e n g - k u i ．R e s e a r c ho na d h e s i v eb e n d i n gb e h a v i o ro fy o u n g o no l dc o n c r e t e [ J ] ．C h i n aJ o u r n a lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，3 3 2 6 7 - 7 2 ． 刘金伟，谢慧才．修补钢筋混凝土梁新老混凝土界 面黏结强度的试验研究[ J ] ．土木工程学报，2 0 0 1 ，3 4 1 3 0 - 3 2 ． L I UJ i n - w e i 。X I EH u i c a i ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo n b o n d i n gs t r e n g t ho fn e w - t o - o l dc o n c r e t ei n t e r f a c ei n r e p a i r e dc o n c r e t eb e a m s [ J ] ．C h i n aJ o u r n a lo fC i v i l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，3 4 1 3 0 3 2 ． 袁广林，黄方意，吕志涛．高温后无黏结预应力混凝 土梁抗弯承载能力[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ．3 5 4 4 4 1 - 4 4 6 ． Y U A NG u a n g - l i n 。H U A N GF a n g y i ，L VZ h i - t a o ． B e n d i n gc a p a c i t yo fu n b o n d e dp r e s t r e s s e dr e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m sa f t e re l e v a t e dt e m p e r a t u r e [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。2 0 0 6 ，3 5 4 4 4 1 4 4 6 ． [ 5 ] K I MJJ ，L I MYM ，W O NJ ，e ta 1 ．S h e a rc a p a c i t y a n df a i l u r eb e h a v i o ro fD F R C Cr e p a i r e dR Cb e a m sa t t e n s i l er e g i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n gS t r u c t u r e s ，2 0 0 7 ，2 9 1 2 1 1 3 1 ． [ 6 ]陈小红，盛兴旺．预应力混凝土先简支后连续梁静、 动力试验研究[ J ] ．铁道科学与工程学报，2 0 0 5 ，2 2 5 6 - 6 1 ． C H E NX i a o - h o n g ，S H E N GX i n g w a n g ．T e s ts t u d y o ft h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t yo np r e s t r e s s e d c o n c r e t eb e a mc o n s t r u c t e db yc o n v e r t i n gs i m p l es u p ， p o r ti n t oc o n t i n u o u ss u p p o r t [ J ] ．J o u r n a lo fR a i l w a y s c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，2 2 5 6 6 1 ． [ 7 ] 王文炜，翁昌年，万水，等．考虑滑移的钢一混凝土 组合梁有限单元法[ J ] ．东南大学学报自然科学版， 2 0 0 7 ，3 7 2 2 0 6 - 2 1 2 ． W A N GW e n - w e i 。W E N GC h a n g - n i a n ，W A NS h u i ， e ta i ．F Em e t h o do fs t e e la n dc o n c r e t ec o m p o s i t e b e a m sc o n s i d e r i n gs l i pb e t w e e ns t e e lg i r d e ra n dc o n c r e t ep l a t e [ J ] ．J o u r n a lo fS o u t h e a s tU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n ，2 0 0 7 ，3 7 2 2 0 6 - 2 1 2 ． [ 8 ] 叶见曙．结构设计原理[ M ] ．北京人民交通出版社， 2 0 0 5 2 4 2 - 2 4 3 ． [ 9 ]G I R H A M M A RUA ，G O P UV KA ．C o m p o s i t e b e a m - c o l u m n sw i t hi n t e r l a y e rs l i p - e x a c ta n a l y s i s [ J ] ．J o u r n a lo fS t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 3 ，1 1 9 4 1 2 6 5 1 2 8 2 ． 责任编辑王继红 万方数据