在混凝土结构加固工程中, 由于老混凝土收缩变形已基本完成, 而新浇筑混凝土随龄期增长产生的收缩将使其与老混凝土变形不协调, 在结合面处产生应力, 严重的会使新老混凝土结合面分离。为降低新浇筑混凝土的收缩变形, 增强新老混凝土结合面的力学性能, 针对低收缩、低徐变、微膨胀、高强度、低孔隙率混凝土加固既有结构的结合面性能进行了较多研究^[1,2,3,4], 研究结果表明, 降低新混凝土硬化及其收缩变形, 可不同程度提高新老混凝土结合面的粘结性能。

　　 钢纤维自应力混凝土 (steel fiber reinforced self-stressing concrete, 简称SFRSC) 具有较高抗拉强度、抗裂性能及微膨胀性能等特性, 将其与老混凝土结合, 不但不产生收缩变形, 反而具有一定的微膨胀性能^[5]。为增强结合面的粘结性能, 借鉴工程常用的结合面植入构造钢筋方法^[6], 利用构造钢筋约束SFRSC沿结合面法向产生的膨胀变形, 使结合面产生预压应力。与此同时, SFRSC在预先处理过的老混凝土粗糙表面膨胀, 产生横向挤压应力, 使新老混凝土更加紧密结合, 有利于提高结合面力学性能, 从而提高结构的整体工作性能^[7]。为此, 本文对SFRSC结合构造钢筋加固既有混凝土结构的结合面抗剪性能进行试验研究。

　　 试验采用Z形试件^[8], 如图1所示。新老混凝土为正反两个L形, 每个L形混凝土的尺寸为150mm×150mm×280mm, 两者结合成尺寸为150mm×150mm×410mm的Z形试件, 结合面尺寸为150mm×150mm。在试件中预埋2根“弓”形构造钢筋, 使其在满足最小锚固长度的前提下, 贯穿新老混凝土结合面。根据新混凝土材料的不同, 将试件分为SFRSC和普通混凝土2个系列, 每个系列里根据构造钢筋配筋率的不同又分为3组, 共计6组新老混凝土结合试件, 每组制作3个试件。为对比结合面抗剪强度需要, 在老混凝土制作同时, 制作了1组老混凝土整体Z形试件作为对比试件。

　　 在老混凝土部分制作完成后, 将其在标养室养护28d后取出, 搁置室外自然条件下待用。90d后, 采用人工凿毛法将老混凝土的结合面处凿毛, 并采用灌砂法测定结合面粗糙度, 粗糙度控制范围为5.5~6.5mm。老混凝土结合面处理完成之后浇筑新混凝土, 制成完整的Z形试件。为了使SFRSC产生有效的自应力, 将试件浸在水中养护28d。

　　 考虑到新老混凝土收缩变形的特点, 试验中的新老混凝土浇筑时间相差3个月。普通混凝土所用水泥采用普通粉煤灰硅酸盐水泥, SFRSC所用水泥采用石家庄市某水泥厂生产的硫铝酸盐快硬型自应力水泥 (S4级) 。粗骨料为石灰岩碎石, 粒径为5~20 mm;细骨料为普通中砂, 细度模数为2.5~3.0;混凝土配合比如表1所示。钢纤维为河北某公司生产的端钩型钢纤维, 其平均长度为25mm, 等效直径为0.75mm, 长径比为33.3。构造钢筋分别采用5和7热轧钢筋, 其抗拉强度分别为750.4MPa和624.4MPa, 屈服强度分别为510.6MPa和443.2MPa, 伸长率分别为21.0%和25.6%。

　　 试验在电液伺服压力试验机上进行, 试验装置示意图如图2所示。结合面处由上至下均匀布置3个电阻应变片, 两侧对称布置, 共6个电阻应变片。应变、荷载、竖向位移及横向位移等数据均采用DH3815N静态电阻式应变仪采集, 采集频率为2Hz。

　　 试验结果如表2所示。试验加载前, 经观察发现, 由普通混凝土加固的C组 (包含C₁, C₂组) 和D组试件结合面处有初始裂缝产生, 其宽度在0.02~0.25mm之间, 其中肉眼能够观察到裂缝的试件数占比为44.4%, 借助读数显微镜能够观察到裂缝的试件数占比为33.3%, 如图3所示。在由SFRSC加固的A组 (包含A₁, A₂组) 和B组试件结合面处未发现初始裂缝。可见, 新混凝土产生收缩变形, 尤其是表面因干燥而产生的收缩变形较大, 导致新老混凝土结合面处变形不协调而产生裂缝。

　　 对于A组和C组试件, 当加载至结合面极限承载力时, 瞬间沿结合面产生贯通裂缝, 承载力陡降。结合面开裂之后, 除构造钢筋承担剪力外, 构造钢筋的拉力以及粗糙结合面产生的啮合作用也可起到抗剪作用。对于无构造钢筋的B, D, E组试件, 破坏形态表现为瞬间脆性破坏。

　　 A₁组与C₁组试件, A₂组与C₂组试件分别是配有相同构造钢筋而新混凝土不同的两对对比试件。由于SFRSC具有一定的微膨胀性能, 在构造钢筋的约束下, A₁, A₂两组试件在其结合面会产生法向预压应力。SFRSC在预先处理过的老混凝土的粗糙表面膨胀, 从而产生横向挤压应力, 可使其与老混凝土结合得更加紧密, 有利于提高结合面力学性能。试验加载初期, 结合面两侧产生极其微小的竖向和水平相对变形, 荷载-变形曲线成线性关系。当结合面的剪应力达到其平均抗剪强度τ^—_max时, 结合面开裂。此时, 构造钢筋对开裂面法向产生约束作用, 使开裂面两侧相互啮合, 并以此保持一定的抗剪承载能力。当开裂面两侧发生竖向相对位移时, 啮合作用将迫使新老混凝土水平相对位移加大, 构造钢筋拉力随之增大;构造钢筋拉力越大, 啮合作用越强, 试件的耗能性能则越好。此时, 试件的抗剪承载力由开裂面两侧的骨料相互啮合作用、构造钢筋的销栓作用以及构造钢筋拉力的竖向分力提供, 直至构造钢筋拉断或骨料啮合破坏时, 试件发生剪切破坏。A₁组与C₁组, A₂组与C₂组两对试件结合面竖向相对位移Δh与结合面平均剪应力τ^—/f_c的关系曲线及水平相对位移Δd与结合面平均剪应力τ^—/f_c的关系曲线如图4, 5所示。

　　 可以看出:结合面开裂后, A₁组和A₂组试件相比C₁组和C₂组试件的抗剪承载力较高, 表现出了良好的耗能性能。SFRSC产生的微膨胀变形, 导致构造钢筋产生预拉应力, 致使A₁组和A₂组试件在其结合面产生法向预压应力。当结合面开裂程度相同时, 由于构造钢筋预拉应力的存在, A₁组和A₂组试件构造钢筋拉应力大于C组试件, 致使A₁组和A₂组试件开裂后的抗剪承载力和耗能性能有显著差异。

　　 结合面是构件抗剪薄弱面, 针对薄弱结合面抗剪问题, 规范ACI318M-05^[9]11.7条提出了剪切摩擦设计理论, 亦即在剪切力作用下, 薄弱的结合面将有裂缝产生, 裂缝的张开促使穿过截面的钢筋受拉, 而钢筋的反作用力为开裂面提供了压力, 裂缝越宽, 则压力越大。应用摩擦力与压力成反比的关系, 可得出结合面抗剪计算公式:

　　 式中:V为施加于薄弱结合面上的剪力;A_vf为横穿裂缝的构造钢筋面积;σ_sv为钢筋承担抗剪效应的拉应力;μ为摩擦系数, 当结合面粗糙度为6mm时, 可取μ=1.0^[9]。

　　 当钢筋拉应力达屈服强度f_y时, 结合面可获最大抗剪承载力V_n, 即:

　　 由此可见, 结合面未开裂时, 截面抗剪主要由结合面自身的抗剪性能和钢筋的销栓作用提供;而开裂后, 由于结合面自身抗剪性能的丧失, 截面的抗剪主要由开裂面的摩擦、啮合及钢筋的销栓作用提供, 钢筋所产生的拉应力几乎全部用于截面的抗剪。可见, 构造钢筋的拉结抗剪作用对于加固结合面的抗剪可起到较为关键的作用。

　　 选取A₁, D, E三组试件进行数值模拟分析。在ANSYS有限元分析中, 新老混凝土结合面剪切应变既包含点-点接触, 又包含面-面、点-面接触, 是一种极度复杂的非线性求解问题。本文尝试采用“结合面强度削弱法”模拟结合面处的受力情况。

　　 建模基本假设:1) 取整体试件进行建模;2) 取新老混凝土中力学性能较弱者作为模型的材料属性;3) 为模拟结合面受力性能较差的特点, 采取在结合面处设置贯通圆孔的办法进行结合面强度削弱处理, 借鉴文献[10]中结合面劈拉强度试验结果, 在结合面处设置若干水平贯通圆孔。贯通圆孔的设置应满足如下关系:

　　 式中:n为贯通圆孔个数;D为圆孔直径, mm;H为结合面高度, mm;f_ats为新老混凝土结合试件的劈拉粘结强度, MPa;f_ats0为老混凝土整体试件的劈拉粘结强度, MPa。

　　 本文中, f_ats/f_ats0取0.6, 结合面设置6个直径为10mm的圆孔。ANSYS模型见图6。

　　 混凝土采用Solid65单元模拟, 构造钢筋选用Link8单元模拟。混凝土为非线性材料, A₁组试件的混凝土强度等级为C30, 弹性模量E_c=3.0×10⁴MPa, 泊松比ν=0.16;结合面法向自应力水平F_s=4.5MPa^[4];D组和E组试件混凝土抗压强度比A组稍高, 故在有限元分析时按C40进行计算, 其弹性模量E_c=3.25×10⁴MPa, 泊松比ν=0.2;闭合裂缝剪力传递系数为0.95, 开口裂缝剪力传递系数为0.5;收敛精度控制为3%, 不考虑温度影响。构造钢筋属性为线弹性, 弹性模量E_s=2.0×10⁵MPa, 泊松比ν=0.3。

　　 在模型底部施加ALLDOF面约束作为边界条件, 顶部施加面荷载。对于A₁组试件, 为模拟结合面法向预压应力, 在结合面处施加垂直于结合面的均布荷载F_s', F_s'=F_s。三组试件模拟得到的剪切应变云图如图7所示。

　　 数值模拟分析结果表明:三组试件的剪切应变极值主要集中在结合面附近;其中, A₁组试件剪切应变在结合面处分布较为均匀, D组和E组试件剪切应变分布呈“上下大、中间小”的特点, 且D组试件剪切应变变化幅度比E组试件大。可见, SFRSC加固试件的结合面剪切应变分布较为均匀, 结合面抗剪性能较好。

　　 对SFRSC加固既有混凝土结构的结合面抗剪性能进行试验研究和数值模拟分析, 结果表明:

　　 (1) SFRSC与老混凝土结构表面具有良好的结合性能;在结合面构造钢筋约束下, 由SFRSC的微膨胀变形致使试件在结合面产生的法向预压应力, 有利于提高结合面的抗剪性能。

　　 (2) SFRSC产生的微膨胀变形可导致构造钢筋产生预拉应力, 相比普通新混凝土加固而言, 结合面开裂后的抗剪承载力和耗能性能均有显著提高。

　　 (3) SFRSC结合构造钢筋加固既有混凝土结构, 改善了结合面剪切应变分布情况, 降低了因新老混凝土结合面剪切应变分布不均而产生的不利影响, 结合面抗剪性能较好。