建筑结构修复加固经常涉及到新旧混凝土的结合, 由于界面黏结性能较差, 新旧混凝土黏结经常出现问题, 如瑞士对2座桥梁的调查显示, 一座桥的桥面板经喷射混凝土修补后, 仅用了2年时间, 新旧混凝土黏结界面脱开率就达到了30%~35%, 重新修补后仅几周, 多处部位再次脱开;另一座桥的桥面经修补后仅8个月, 修补材料就与旧混凝土完全脱开。新旧混凝土黏结界面是薄弱部位, 其质量优劣决定构件能否整体受力, 达到加固目的。

结构加固工程中, 往往需在损伤的旧混凝土结构表面浇筑新混凝土材料, 以增大截面高度和抗弯惯性矩, 提高结构承载力并延长结构使用寿命。目前, 主要有结合面凿毛并涂刷界面剂和U形箍2种方式连接新旧混凝土。采用结合面凿毛并涂刷界面剂的方式可以抵抗新旧混凝土的纵向滑移, 用混凝土咬合力实现纵向协调变形的方式往往难以达到共同受力效果, 在使用一段时间后, 较多加固结构的结合面上出现纵向脱开现象。采用U形箍阻止新混凝土不致因重力与旧混凝土脱开, U形箍在长期使用过程中会发生移位甚至脱落, 且外观不太美观, 影响正常使用效果, 加固工程在使用一段时间后, 新加混凝土结构会出现竖向剥离甚至脱落。

高剑平等^[1]从理论上分析了薄弱界面的成因, 从混凝土材料微观结构的角度阐明其黏结机理, 建立微观结构的分析和宏观力学性能之间的联系, 以寻求解决问题的途径。李法冰^[2]对新旧混凝土界面过渡区进行了试验研究, 研制了有机、无机材料2种界面剂, 认为有机材料的黏结效果可以达到工程需要, 无机材料的黏结效果要差一些。尹健等^[3]认为新旧混凝土应力应变全曲线变形的变化率基本一致, 提出了高性能快速修补混凝土、普通混凝土、新旧混凝土应力应变全曲线的统一数据表达式。王振领^[4]研究了界面粗糙度、界面剂、新旧混凝土强度、植入抗剪钢筋深度等对新旧混凝土结合面抗剪性能的影响及其新旧混凝土结合面的抗剪承载力, 建议抗剪钢筋植入深度大于10倍的钢筋直径。邢强^[5]研究了新旧混凝土界面采用界面凿毛及增加植筋2种连接方法, 认为界面凿毛处理后的试件属于脆性破坏, 提高旧混凝土强度等级和界面植筋率可以提高新旧混凝土界面抗剪承载力。肖林等^[6]开展了钢-混结合梁与钢-混结合段中PBL剪力键2种构造形式试件的推出试验, 测试了各组试件的相对滑移及构件应力水平, 认为2种试件的荷载-滑移曲线、破坏过程及破坏形态截然不同, 有必要根据其受力状态选择相应的试验构造, 并制定PBL剪力键的标准试验方法。

综上所述, 加固后新旧混凝土的共同受力往往难以保证, 尤其是在荷载作用下会出现新旧结构接触面的滑移开裂以及竖向剥离, 因此需采用一定措施阻止界面滑移和剥离, 目前的技术手段往往不能保证这种共同受力。

本文采用剪力键连接新旧混凝土, 增强新旧混凝土结合面的抗剪能力, 对5组共15个新旧混凝土结合试件进行了抗剪试验, 研究不同剪力键连接形式对新旧混凝土抗剪性能的影响。

剪力键由若干植入式化学锚栓和工字钢构件组成, 工字钢构件上、下底面预留有对应设置的穿孔, 所述锚栓一端植入旧混凝土, 另一端贯穿工字钢构件的穿孔露于旧混凝土构件表面, 工字钢构件底面紧贴旧混凝土构件表面。试验设计了L60, L100和L200 3种尺寸的剪力键, 尺寸如图1所示。

试件分为不增设剪力键和增设剪力键2种情况, 其中剪力键的布置分4种形式。采用每组3个试件、共15个试件进行试验。试件的旧混凝土部分设计尺寸为350mm×150mm×450mm, 设计强度等级为C25。2块旧混凝土通过剪力键与新混凝土连接, 新混凝土的设计尺寸为150mm×150mm×450mm, 根据GB50367—2013《混凝土结构加固设计规范》^[7], 混凝土结构加固时所用强度等级应比原结构构件的强度等级提高一级, 且不小于C20, 故设计新混凝土的强度等级为C30。试件尺寸如图2所示。

各类型剪力键加固方式下试件的锚栓数量和剪力键加固总长度统计如表1所示, 其中试件L60-1和试件L200的锚栓数量相同, 均为12个, 试件L100和试件L200的剪力键加固总长相同, 均为400mm。

试验采用分级加载, 试验装置由结构试验反力架、加载系统 (包括千斤顶、油泵等) 、传感器 (百分表、应变片) 以及数据采集系统 (静态数据采集仪、综合测试仪等) 组成。应变测点布置如图3所示, 电阻应变片粘贴在旧混凝土上。

几种剪力键形式的试件荷载-位移曲线如图4所示。试验结果表明, 试件L100的破坏荷载最大, 为649k N, 较无剪力键试件L00的破坏荷载174k N提高269.0%。试件L200的剪力键加固总长度与试件L100相同, 但是锚栓数量减少了25%, 其破坏荷载下降14.5%, 为555k N;而在前期加载中, 试件L200的抗变形能力要明显优于试件L100, 因为试件L200的剪力键加固形式为200mm长的工字钢锚栓连接, 较试件L100 2个100mm长的工字钢整体性更好。试件L60-1与试件L200锚栓数量相同, 剪力键锚固长度减少10%, 破坏荷载下降13.6%, 为480k N。试件L60-2的锚栓数量和剪力键锚固总长度均最小, 其破坏荷载较试件L00提高139.7%, 为417k N。由试验结果可知, 增设剪力键可以大幅提高试件混凝土新旧界面的共同作用, 试件的破坏模式由混凝土新旧界面的剥离破坏转变为混凝土受剪破坏;剪力键锚栓数量的增加是决定承载力提高的主要因素, 而剪力键的加固总长和剪力键形式均影响试件承载力。

几种剪力键形式的荷载-应变曲线如图5所示。试验结果表明, 有剪力键的抗剪力明显大于无剪力键的试件。试验荷载以100k N为分界点, 荷载在0~100k N时, 混凝土的应变呈线性稳步增长, 说明此阶段提供抗剪力主要是由新旧混凝土界面间的黏结。随着荷载逐步增大, 试件混凝土的应变呈非线性, 说明新旧混凝土界面间的黏结强度逐渐丧失, 剪力键承受部分剪切荷载。相同荷载水平下, 试件L200的应变最小、试件L100的应变次之、试件L60-1、L60-2的应变最大, 说明在该阶段剪力键形式和加固总长是影响试件承载性能的主要因素, 剪力键长度的增加和较好的整体性保障了试件界面处新旧混凝土协同工作、共同受力。随着荷载的进一步增加, 相同荷载水平下, 试件L100的应变最小, 试件L200次之, 说明在加载后期, 随着新旧混凝土界面的黏结力完全丧失, 由剪力键承受主要剪切荷载, 剪力键的锚栓数量成为决定试件抗剪承载力的主要因素, 剪力键的加固总长度和形式对试件的抗剪承载力影响较小。

无剪力键的L00试件沿着新旧混凝土交界面开裂破坏。L60-1、L60-2试件的初始裂缝均出现在新旧混凝土交界面上, 随着荷载的增加, 裂缝向新混凝土内部扩展, 裂纹沿剪力键的边界向上扩展直至试件破坏, 旧混凝土底部部分压溃开裂。L100试件的裂缝出现在新旧混凝土交界面附近的新混凝土侧, 随着荷载增加, 逐渐沿剪力键的边界面扩展直至试件破坏。L200试件的裂缝沿新混凝土中剪力键的边界面开裂并向上逐渐延伸扩展, 直至试件破坏, 旧混凝土底部可见混凝土压溃破损和开裂。

通过采用剪力键连接新旧混凝土, 增强新旧混凝土结合面的抗剪能力, 对5组共15个新旧混凝土结合试件进行了抗剪试验, 研究不同剪力键连接形式对新旧混凝土抗剪性能的影响, 得到如下主要结论。

1) 增设剪力键可以大幅提高混凝土新旧界面的共同作用, 试件的破坏模式由混凝土新旧界面的剥离破坏转变为混凝土受剪破坏。

2) 剪力键的锚栓数量是决定试件承载力的主要因素, 而剪力键的加固总长度和剪力键形式对试件承载力的影响次之。

3) 采用剪力键连接新旧混凝土试件, 裂纹随荷载的增加沿新混凝土剪力键的边界扩展, 直至试件破坏。