（市政工程专业论文）新旧混凝土组合构件受力性能研究——新旧混凝土粘结理论在桥梁维修加固中的应用.pdf

新旧混凝土组合构件受力性能研究 一新旧混凝土粘结理论在桥梁维修加固中的应用 摘要 在人为或自然环境的作用下，混凝土结构难免出现各种各样的问题，特别 是近期很多桥梁已进入加固改造期。大量混凝土结构构件需要进行维修加固， 以恢复或提高结构的承载能力或使用功能。新旧混凝土粘结问题以及新旧混凝 土组合构件受力性能问题已成为影响维修加固效果的关键因素。在现行的维修 加固规范中，增大截面加固法已成为重要的独立篇章，成为目前指导新旧混凝 土组合构件设计与施工的重要依据，但是理论上的不完善以及公式运用上的严 格限制严重制约了该方法的运用和发展，目前的加固工程设计大多是凭借自身 经验进行设计的。论文在广泛搜集、整理目前已有的研究资料基础上，结合最 新加固规范对结合面的剪应力公式进行了理论推导，阐述了新旧混凝土组合构 件的结构分析方法以及粘结面受力性能的最新研究成果；并对新旧混凝土粘结 质量控制与检测方法进行总结，最后通过实际混凝土桥梁的加固设计与施工案 例，检验前述相关理论的适用性。 关键词：新旧混凝土；组合构件；受力性能；桥梁结构；维修加固 t h eb e h a v i o rr e s e a r c ho fn e w - t o - - o l dc o n c r e t ec o m p o s i t e c o m p o n e n t s t h e a p p l i c a t i o no ft h en e w t o o l dc o n c r e t ec o h e s i o n t h e o r yt ob r i d g em a i n t e n a n c e & r e i n f o r c e m e n t a b s t r a c t c o n c r e t es t r u c t u r e sw i l l a p p e a ra n y t h i n gi n e v i t a b l yb ya r t i f i c i a l a c t i o no r e n t i r o n m e n t ，e s p e c i a l l y al a r g ea m o u n t so fb r i d g e sg oi n t ot h e p e r i o d o f m a i n t e n a n c eo rr e i n f o r c e m e n ti nt h en e a rf u t u r e al o to fc o n c r e t es t r u c t u r e sn e e dt o b em a i n t a i n e do rr e i n f o r c e d ，i no r d e rt or e s u m eo re n h a n c et h e i rb e a r i n gc a p a c i t yo r u s i n gf u n c t i o n t h ec o h e s i o np r o b l e mo fn e w t o o l dc o n c r e t ea n dt h ep r o b l e mo f t h eb e h a v i o ro fc o m p o s i t e c o m p o n e n t sh a v et ob e c o m et h ek e yf a c t o r s i nt h e c r i t e r i o n sa b o u tm a i n t e n a n c e & r e i n f o r c e m e n ti np r i n t ，t h er e i n f o r c e m e n tm e t h o do f a u g m e n t e ds e c t i o nh a sa l r e a d yb e c a m ea ni m p o r t a n ta n di n d e p e n d e n tc a p t u r e ，a n d t ob ea ni m p o r t a n tt o o lt og u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn e w t o o l dc o n c r e t e c o m p o s i t ec o m p o n e n t s b u tt h ef a u l t i n e s si nt h e o r ya n dr i g i dr e s t r i c t o ri nu s i n g f o r m u l a sh a v er e s t r i c t e ds e v e r e l yi t su s i n ga n dd e v e l o p m e n t m o s ts t r u c t u r e sa r e d e s i g n e db ys e l f - e x p e r i e n c e t h ep a p e rc o l l e c t sa n dt i d e su pa b r o a dr e s e a r c h i n f o r m a t i o n ，a n dd e d u c e st h es h e a r i n gs t r e n g t hf o r m u l a sf o rjo i n ts u r f a c eb yt h e c r i t e r i o n su pt ot h em i n u t e ，r e c i t e st h ea n a l y s em e t h o df o rn e w - t o - o l dc o m p o n e n t s a n dt h ec o h e s i o nb e h a v i o rr e s e a r c hr e s u l t so ft h ejo i n ts u r f a c e ，a n ds u m m a r i z e st h e m e t h o d so fc o n t r o l l i n ga n dc h e c k i n gt h e j o i n tq u a l i t yo fn e w t o o l dc o n c r e t e i nt h e e n d ，c h e c k i n go u tt h et h e o r yn a r r a t e df o r w a r db yt h ec a s eo fap r a c t i c a lb r i d g e r e i n f o r c e m e n td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：n e w t o - o l dc o n c r e t e ：c o m p o s i t ec o m p o n e n t s ；b e h a v i o r ；b r i d g e s t r u c t u r e ：m a i n t e n a n c e & r e i n f o r c e m e n t 表格清单 表2 1 新旧混凝土粘结微结构模型6 表3 。1 结合面植入钢筋销栓作用抗剪力系数、摩擦系数取值1 2 表3 2 植筋胶与植入钢筋的粘结强度1 3 表3 3 结合面植筋混凝土防压碎构造措施2 1 表4 1 植筋用胶粘剂安全性能指标2 7 表4 2 植筋钻孔直径质量要求2 8 表4 3 植筋钻孔深度、垂直度和位置允许误差2 8 表4 4 桥梁结构校验系数3 6 表4 5 结构挠度限制3 6 表4 - 6 桥跨结构振幅允许值3 9 表4 7 桥梁结构承载能力检算系数3 9 表5 1 结合面抗剪计算4 8 插图清单 图2 1e m m o n ，p h 等提出的三区粘结模型6 图2 2 李庚英，谢慧才，熊光晶等提出的三层粘结模型6 图2 3 赵志方，周厚贵等提出的双界面多层区粘结模型。7 图2 4 王振领等提出的五区一三层粘结模型7 图3 3加固截面位于受弯构件受压区计算简图1 5 图3 4 加固截面位于受弯构件受拉区结合面计算简图1 6 图3 5 平截面假定截面应变计算示意图1 7 图3 - 6 偏心受压构件结合面位于受拉区计算简图1 8 图3 7 切槽法示意图2 2 图3 8 基于a n s y s 等有限元软件的结合面分析2 4 图4 1 超声波检测结合面质量换能器布置示意图3 1 图4 2 新旧混凝土粘结施工工艺流程及质量控制体系4 2 图5 1 桥面横向布置示意图( 单位：c m ) 4 5 图5 2 空心板梁加固方案4 5 图5 3 空心板梁构造图( 单位：c m ) 4 5 图5 - 4 空心板梁预应力钢束布置图( 单位：c m ) 4 6 图5 5 空心板梁计算模型。4 7 图5 6 空心板梁剪力组合设计图4 7 图5 7 空心板梁计算截面示意图。4 7 图5 8 五里墩维修加固工艺流程及质量管理程序。5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金肥王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：砻乒眇喂签字日期：p 口年仁月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一金壁正业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金罡工些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：才事钞哆考 导师签名： 多磋 签字日期：7 吵年争月 日 签字日期：沪l 。年q 月l 。日 学位论文作者毕半后去向：缓彳始沟 工作单位：受骰膨球鸯謦汜 姬蛾w 即幻乙 电话： 邮编：7 村8 致谢 “新旧混凝土组合构件受力性能研究 这个课题对我来说并不熟悉，当初 报这个课题的时候准备有重要的试验，可惜最终只能从理论并结合实践加以探 讨研究。整个撰写论文的过程相对曲折，在查阅并研究了大量文献后仍然无法 勾勒出明确的框架，写作进度多次停滞，导师的点拨和朋友的建议以及现场实 践总结，最终得以顺利完成。在此，我要特别感谢我敬爱的导师汪莲副教授多 年来对我的教导与栽培，让我得以参与许多项目，让我可以切身了解到工程中 的许多问题。另外，我还要感谢安徽省交通规划设计院桥梁分院的各位师兄， 以及北京市市政工程设计研究院的陈川宁老师对我的帮助，在此向他们郑重表 示感谢。 在论文的写作过程中，有幸参与了安徽省合肥市第一座大型立交桥一五里 墩立交桥维修加固工程的监理工作，有机会接触了大量工程信息，为论文的写 作提供了实践参考，各位同事为我的论文写作提供了优越的条件和大量的帮助， 在此向合肥工大监理有限责任公司五里墩立交维修加固项目监理部全体同事表 示非常的感谢。 同时，要感谢我的师兄师弟以及师姐师妹们平时对我的热情帮助，为我的 论文提出了很多很好的建议；还要非常感谢我的家人对我的支持与帮助。 在即将到来的新的环境中，我将一如既往的努力工作，不断追求新的目标， 不会让所有关心我的人失望。 作者：李邦映 2 0 10 年3 月1 5 日 第一章绪论 在人为和自然环境作用下，混凝土结构物难免会出现各种各样的问题，比 如混凝土压溃、破损、空洞等，这就需要对构件进行修补；而且，随着使用荷 载的不断增加及荷载等级的提高或原构件由于长期运营造成承载能力的降低， 原构件已无法满足现在或未来承载能力的需求，这就需要对原构件进行加固， 以期保持或提高构件的承载能力一在原混凝土构件上补加适当钢筋并现浇混凝 土，从而增大混凝土构件的截面，提高构件的承载能力，这种方法在混凝土结 构加固中称为增大截面加固法。无论哪一方面都涉及到新旧混凝土粘结问题， 新旧混凝土粘结性能是保证两者共同受力、协同工作以及耐久性的关键。 关于新旧混凝土粘结方面的研究【l 墙9 】：试验方面，主要集中在小构件抗剪 3 , 4 , 1 1 , 1 2 , 1 6 , 8 7 】、抗拉【2 2 1 、抗折【2 3 , 2 4 1 以及劈拉【1 4 , 2 6 】、劈裂【13 1 、复合受力【1 9 】等试验， 主要进行影响界面粘结性能各因素的定量或定性分析1 2 引；理论方面，主要集中 在界面粘结机理研究和微观粘结模型的提出 5 , 8 , 9 , 2 0 , 6 4 , 6 7 , 8 2 , 8 3 】、加固设计计算方法 研究【8 、交叉学科在界面粘结性能研究中的应用 2 7 , 6 3 , 7 0 】等方面；材料方面，主 要集中于界面粘结剂的研发和试验【6 , 3 6 , 8 8 】、混凝土材料 7 3 , 7 5 , 7 6 , 7 7 , 8 0 1 以及界面处理 【2 5 】等方面；检测方面，主要集中于界面处理效果和界面粘结质量的检测 3 3 , 6 1 , 6 2 , 7 8 , 8 9 1 等方面。除上述一般内容外，人们还进行了新旧混凝土粘结构件冻 融性能研究【4 7 , 4 9 , 5 5 , 6 9 】、断裂研究 5 3 , 5 6 , 5 7 】、渗透性能研究【58 1 、耐久性能研究【2 、 收缩徐变性能研究2 9 , 3 1 l 、新旧混凝土本构关系研究1 , 3 8 】、组合梁受力性能研究 3 2 , 4 6 1 以及应用研究【7 , 5 1 , 5 2 , 5 4 1 等。但是，目前关于新旧混凝土粘结性能方面还处 于研究阶段，系统的、完整的、真正具有说服力的研究结果还未有报道。 虽然混凝土材料发明使用时间相比其他材料并不长，但是由于其取材来源 广泛、工艺简单、适用面广等优点，现已大量使用，伴随而来的就是大量的混 凝土结构需要维修、加固或改造，严重者甚至拆除重建。特别是对于桥梁结构 来说，工程造价高、社会影响大，除非特殊情况，一般仅进行维修加固或改造， 经常会涉及到新旧混凝土结合方面，对于提高构件承载能力，增大截面法更是 常见的方法。规范【9 0 , 9 3 】中也提出，可通过增大构件截面来提高构件强度、刚度。 但是，在已有的实际工程中，由于界面粘结性能较差，新旧混凝土粘结出现了 一些问题，如瑞士对两座桥梁的调查显示，一座桥的桥面板经喷射混凝土下补 后仅用了两年时间，新旧混凝土粘结界面脱开率就达到了3 0 n 3 5 ，重新修补 后仅几周，多处部位又再次脱开了；另一座桥的桥面经下补后仅八个月，修补 材料就与旧混凝土完全脱开j 。这说明，新旧混凝土粘结界面是薄弱部位，其 质量优劣决定了构件能否整体受力、达到加固目的。 混凝土构件的耐久性问题在世界各地普遍存在，我国的土建施工特别是桥 梁施工其施工及其监管中仍旧存在一些问题，在早期，混凝土的耐久性并没有 受到足够的重视，根据对多座二十世纪九十年代之前修建的桥梁的检测结果来 看，混凝土侵蚀、露筋、尺寸控制不严等施工问题普遍存在，这些桥梁亟待维 修加固。另外，随着时间的推移以及荷载等级的不断提高，很多早期的混凝土 结构承载能力已经不能满足现有及未来的使用要求，特别是对于早期修建的大 量混凝土桥梁来说，有很多桥梁的设计等级为汽1 0 级、汽1 5 级等，荷载等级 较低，已不能满足现有及未来要求，这就需要对原结构进行加固或改造。但是 对耐久性不足或不满足承载能力要求的结构进行全部改建或新建是不切实际 的，也是不经济的。根据以往桥梁维修加固的经验来看，桥梁结构维修加固的 费用一般为新建费用的2 0 3 0 ，经济效益十分显著。而且对于处于交通节点 的大型桥梁( 特别是交通繁忙的市政桥梁) 来说，新建桥梁通常意味着长时间 的封闭交通，对当今社会来说是不得不考虑的重要或主要因素，而维修加固由 于具有施工周期短等优点，在这种情况下对已有桥梁进行维修加固更体现出了 巨大的社会效益。 安徽省境内跨淮河、长江两大水系，境内河流湖泊繁杂、地形起伏复杂， 建有大量桥梁，根据政府的相关安排，全省大部分桥梁相继要进行维修加固改 造，为确保工程质量，需要加强对相关技术的理论研究，以较完善的理论来指 导施工，确保经过维修加固的桥梁能够满足使用需求，新旧混凝土粘结性能研 究显得尤为重要。作为安徽省省会合肥市的标志性建筑，五里墩立交桥由于长 期使用等因素影响的结果，桥梁出现很多病害，从社会、经济效益比较决定对 其进行维修加固，这其中就涉及到不少新旧混凝土粘结问题，如空心板梁上的 整体化桥面板、大箱梁上的混凝土调平层以及牛腿拆除改建等问题。作为安徽 省第一次如此大规模的维修加固工程，给新旧混凝土研究等问题提供了课题来 源，同时也为省内其他桥梁维修加固积累经验。 论文课题的来源、目的及研究内容如下： ( 1 ) 课题来源：课题来源于安徽省合肥市五里墩立交桥维修加固工程及 其他混凝土结构相关检测、加固工程； ( 2 ) 研究目的：通过对新旧混凝土粘结相关问题的研究，为新旧混凝土 粘结技术提供参考信息； ( 3 ) 主要研究内容： 影响新旧混凝土粘结性能的因素分析； 界面粘结性能对构件承载力的影响； 新旧混凝土粘结构件的受力分析； 桥梁结构中新旧混凝土粘结工艺流程及质量体系。 2 第二章新旧混凝土粘结性能的影响因素及粘结机理 2 1新旧混凝土粘结性能的影响因素 界面粘结性能是决定新旧混凝土粘结构件能否整体受力、共同工作的关键 因素，根据小构件抗剪、抗折、劈拉等试验的结果可知，影响新旧混凝土粘结 性能的主要因素为界面粗糙度( 取决于界面处理方式) 、界面剂或粘结方位、新 旧混凝土技术性能及龄期等因素，另外，在新旧混凝土粘结界面植入锚固钢筋 能显著提高粘结面的机械粘结性能，但是，对采用植筋来提高构件粘结性能的 研究还比较少。 2 1 1 界面粗糙度 界面粗糙度是影响新旧混凝土粘结性能的主要因素，即使规范【9 0 , 9 1 , 9 2 , 9 3 】提 供的粘结面计算公式，其使用前提也包括要求将原构件的表面凿成具有凹凸差 不小于6 r a m 的粗糙面。界面粗糙度取决于界面处理方式，目前界面处理方法1 6 u j 除了常用的人工凿毛法、钢丝刷毛法、机械凿毛法，还有喷砂法、铣刨法、高 压水射法、化学酸蚀法【1 4 , 8 5 】以及最近提出的切槽法【1 1 】等。 上述方法中，人工( 机械) 凿毛法易在旧混凝土界面上产生附加微裂缝， 且细节难以处理，但施工技术简单，造价低，因而使用较为广泛；喷砂法、铣 刨法、高压水射法效率高、处理效果好且不对周围旧混凝土形成附加损伤，并 能获得较好的界面粗糙度，较高的粘结强度，但是设备费用比较高，使用较少， 特别是高压水射法；化学酸蚀法1 1 4 】可显著改善界面的微细观结构，提高粘结强 度，但目前还处于理论研究阶段；切槽法，4 5 ，5 9 】最大的优点是界面处理量化， 易于控制施工质量，粘结面粗糙度均匀性好，虽然规范有所提及，但是目前使 用较少【l 引，对于处于交通节点的大型桥梁等结构由于年代久远、早期施工质量 差、处理面积大、工期要求紧、不宜封闭等原因，使用切槽法反而不合适，质 量难以保证，在某市大型立交桥维修加固中就因此而取消原设计的切槽方式； 钢丝刷毛法仅仅是对旧混凝土表面进行清理而已。 根据试验研究，在一定的粗糙度范围内，结合面粘结强度随着界面粗糙度 的增大而不断增大【2 2 1 ，但当界面粗糙度超过一定限值之后，构件容易在界面产 生剪断，因此，应控制界面的粗糙度在一个合适的范围之内。界面粗糙度一般 以灌砂法测定界面平均深度作为评价指标，具有相同结果但测量复杂的方法还 有凹凸仪法【6 5 】等方法，另外还有极少应用的分数维法【48 】等方法。 灌砂法是一种简单实用的测量界面粗糙度的方法，其基本方法是，在处理 好的结合面周围设立围挡结构( 对大面积结合面可采用定制工具) ，往其中灌入 标准砂并抹平，直至砂面与结合面最高点齐平，测量所用标准砂的体积，从而 可计算出灌砂平均深度，作为粗糙度的评价指标。灌砂平均深度为： 3 h a 茸v ， 式中：玩一结合面的灌砂平均深度； k 一标准砂的体积； 最一测试平面的面积。 常用粗糙度在1 7 3 o m m 之间。 灌砂法简单易用，因而运用较广，理论性较强的还有极少应用的分数维法 等方法，由于使用不广，且没有对应的计算评价方法，因此不便于实际工程中 应用。 由于切槽法理论研究还处于起步阶段，对于c 4 0 、c 5 0 等高强混凝土材料、 植筋等还没有进行广泛研究，为方便起见可采用灌砂平均深度作为评价指标， 根据文献【4 5 1 的研究，最佳灌砂平均深度为2 3 4 2 8 4 m m 。 2 1 2 界面剂、粘结方位 界面处理后，涂刷合适的界面剂可以有效地提高界面的粘结强度l l 引，目前 使用的界面剂主要有水泥净浆、水泥砂浆、膨浆、粉煤灰改性水泥砂浆等。根 据试验研究【2 2 , 4 1 】，使用膨浆界面剂的界面粘结强度高于使用水泥净浆界面剂， 仅凿毛的结合面粘结强度最低，而且结合面粘结抗剪强度随着水灰比的降低而 增大，但膨浆界面剂对粘结面的耐久性并不有利，因为膨胀剂的水化产物钙矾 石在水泥浆体中将逐渐转化为水化硫铝酸钙；粉煤灰改性水泥砂浆的短期强度 并不理想，但其长期性能优越【3 4 1 。另外，还对采用减缩剂【4 3 1 、环氧砂【6 8 1 、硅 溶胶分散硅粉浆液7 1 1 、硅烷偶联剂7 2 1 、纳米微粉改性界面剂【7 4 】等界面剂对新 旧混凝土粘结质量影响进行了研究。 目前商品界面剂【3 5 ，4 2 】已较为常见，根据文献【7 ，9 】的建议，界面剂可选用低 水灰比的水泥净浆，但是如若选用商品界面剂，则应在使用前做相应的检验。 根据建议【8 】，界面剂的最大厚度不宜超过3 m m ，一般在0 5 1 5 m m 之间。喷洒 界面剂后应在其适用期内浇筑新混凝土，以充分发挥界面剂的作用，但通常这 个适用期比较短，对于施工有一定的限制要求。 新旧混凝土粘结方位对界面粘结性能有较大影响，根据试验研究哺】，在旧 混凝土顶面粘结新混凝土其强度明显要高于侧面、斜上、斜下面，而底面粘结 的效果最差。 2 1 3新旧混凝土技术性能及龄期 旧混凝土本身的技术性能是保证新旧混凝土粘结质量的前提，若旧混凝土 本身质量较差，粘结面破坏就容易出现在旧混凝土一侧，旧混凝土从而成为薄 弱环节。 4 规范【9 0 , 9 1 , 9 2 , 9 3 】建议，新混凝土强度等级宜比旧混凝土提高一级，根据试验 研究【4 j ，通过提高新混凝土的强度来提高界面粘结强度是不经济的。另外，对 于修补的旧混凝土结构来说，一般龄期都比较长，新旧混凝土之间有较长的龄 期差，两结构之间必然产生粘结收缩应力，该应力甚至会将粘结面撕开，建议 采用碳纤维混凝土、钢纤维混凝土或采用微膨胀混凝土等特殊混凝土来减少新 旧混凝土的收缩徐变差，降低收缩徐变错动力。 2 1 4 植筋 无论采用何种界面剂、何种界面处理方法，没有植筋的粘结面粘结强度一 般均低于整体浇筑构件，而且常常出现粘结面分层破坏现象，通过粘结面植筋 可以增强新旧混凝土的机械粘结力，限制界面的分层破坏。纯新旧混凝土粘结 界面的破坏为脆性破坏，植筋达到一定深度并锚固后，新旧混凝土粘结破坏为 延性破坏，其承载能力也明显提高。 植筋构件的粘结能力除与前述因素有关外，还与植筋深度、植筋强度、植 筋与混凝土的粘结、植筋率等因素有关。根据相关试验的研究【8 j ，建议植筋深 度一般最好超过钢筋直径的1 0 倍，这与规范【9 0 , 9 1 , 9 2 , 9 3 】的规定是一致的，不过植 筋深度尚与植筋胶的性能有关，性能较好的植筋胶，其植筋锚固深度相对要小 一些。一般来说，界面粘结强度随着植筋率的提高而增大，但是想通过一味地 提高植筋率来提高粘结强度是不可行的，也是不经济的【3 7 】，目前对于最佳植筋 率、群筋承载力、植筋界面粘结强度等问题还没有明确可靠的研究成果，而且 目前的研究大部分还集中于小构件试验，对于如桥梁等大型构件涉及较少。 2 1 5 其它 除了前述几个主要影响因素外，在对界面进行处理时还应注意界面湿处理 的影响。根据试验研究【40 1 ，旧混凝土表面湿度越低，新旧混凝土结合面粘结强 度就越高，表现为拉拔强度和粘结界面处显微硬度的增加。因此，在实际工程 中，对旧混凝土表面用水进行冲洗后，应在允许的条件下尽量等旧混凝土粘结 界面干燥后再进行修补。 2 2新旧混凝土粘结微结构模型及粘结机理 2 2 1新旧混凝土粘结微结构模型 为了从根本上认识新旧混凝土粘结问题，阐述其粘结机理，了解其与宏观 力学性能上的联系，建立新旧混凝土粘结微结构模型是必须的。目前已知的新 旧混凝土粘结微结构模型可见表2 1 。 5 表2 1 新旧混凝土粘结微结构模型 e m m o n s ，p h 等人提出的三区粘结模型【8 2 1 ，如图2 1 所示，粘结界面分为 三个区间：新混凝土区、界面区、老混凝土区。 1 4 一 丁吖一 i _ l 一 i 新混凝f ： 一 l 界面 i 七混凝i ： 一 图2 1e m m o n ，p h 等提出的三区粘结模型 李庚英，谢慧才，熊光晶等提出的三层粘结模型【2 0 】( 见图2 2 ) ，粘结界面 分为三个层次：渗透层、反应层、渐变层。该模型认为：渗透层位于旧混凝土 侧，是由旧混凝土以及由界面长入旧混凝土的晶体组成；反应层主要由界面剂 的水化产物以及界面剂和新旧混凝土的化学反应产物组成，该层的特点就是晶 体较大，孔洞较多；渐变层是反应层向新混凝土的过渡层，主要由新混凝土的 水化产物组成，但该层的晶体较新混凝土本体大，孔洞也较多。反应层及其与 渗透层的粘结对新旧混凝土结合面的粘结性能起决定性作用，反应层与渐变层 的粘结对结合面粘结性能也有一定影响。新旧混凝土界面的晶体尺寸越小、结 构越密实、过渡层的粘结越紧密，界面的粘结强度越高。 r 、一一、- 渐变层 一一、一一一 反应层 、一一一，一 反j s ，层 、一一一渗透层 一一、一一一、一一 图2 - 2 李庚英，谢慧才，熊光晶等提出的三层粘结模型 赵志方，周厚贵等提出双界面多层区粘结模型【8 3 1 ( 见图2 3 ) ，该模型分 6 为三个区：新混凝土区、老混凝土区、新旧混凝土粘结过渡区，新旧混凝土粘 结过渡区是一个多层区的结构，包含老混凝土处理面、新混凝土粘结面双界面 及其间隙、一部分新混凝土和一部分旧混凝土。 y 晰混凝土区互 晰混凝土层的水泥椠再面k 一粘结i 立渡区乙l 嘲? 昆凝胃料k卜| 。盈 雇一新老混凝土粘结面i 隆醒凝上骨料r 田，一 、b 一老混凝土处理面l 陋界面与b 界面之问的空隙l | 老混凝层的水泥浆界面i 一 叫粘结过疆区互l 。、， 隆温凝土区z ： 图2 3 赵志方，周厚贵等提出的双界面一多层区粘结模型 王振领等提出的五区三层粘结模型【8 】( 见图2 4 ) ，该模型考虑了植筋的影 响，将新旧混凝土粘结构件分为五区：老混凝土区、老混凝土植筋影响区、新 旧混凝土过渡区、新混凝土植筋影响区以及新混凝土区。新旧混凝土过渡区分 为三层：老混凝土粘结过渡层、新旧混凝土界面过渡层、新混凝土粘结过渡层。 当界面没有植筋时，老混凝土植筋影响区和新混凝土植筋影响区厚度为零，即 为无植筋情况下新旧混凝土粘结模型。 y 圃囹 l 斯遐凝土水泥石结合面 矫琨疆土趋箭影响区z 。l 、， l 新老琨凝土结合面孔隙卜 新琨镊土粘结过渡层工： 强日界面d 猫i 罢工鹾舞 二i l 2 一一v j - ! i 惭屁凝土骨料卜 鬻弹：墓黔 通塑、= l ! ；，- 、，- l 老熄凝土骨料卜_ i 老馄凝土水泥五结合面i1 老展凝土粘结过涟层工l 、_ ，一 叫巫匦旷 老易凝土植筋影响区z l 老混凝土区z 图2 4 王振领等提出的五区三层粘结模型 从以上模型可以发现，新旧混凝土粘结模型的建立考虑的因素越来越全 面，结构也越来越合理，但也越来越复杂。 2 2 1无植筋新旧混凝土粘结机理 无论采用哪种粘结模型，对于无植筋新旧混凝土粘结界面，其结合面粘结 7 力的来源主要有3 种：机械啮合力、范德华力和化学作用力 2 , 8 , 9 , 3 5 , 8 4 , 8 5 , 】。 机械啮合力主要来源于两个方面：( 1 ) 界面层的水化产物在旧混凝土中生 长，或伸入到旧混凝土的空隙中从而形成致密结构，以及旧混凝土中未水化或 未完全水化部分在新混凝土生长；( 2 ) 由于旧混凝土表面非常粗糙而形成的机 械啮合力。机械啮合力的这两方面都是比较大的。 范德华力主要是由新旧混凝土中的晶体之间分子相互作用而引起的。由于 混凝土分子间距比较大，这种分子作用力通常比较微弱，但是对于聚合物类界 面剂，界面的范德华力占主导地位。 化学作用力的主要来源是旧混凝土中的水泥水化产物与界面剂反应，生成 新的物质将新旧混凝土粘结在一起，对抵抗应力集中、提高粘结强度很有利。 由于界面粘结强度受界面剂的影响很大，因此，不同的界面剂其起主导作 用的界面粘结力是不一样的，水泥浆类界面剂的使用更有利于机械啮合力的提 高，聚合物类界面剂的界面范德华力较显著，而粉煤灰砂浆界面剂使界面化学 作用力显著增强，促进新旧混凝土连成整体。 2 2 2植筋新旧混凝土粘结机理 对于植筋新旧混凝土粘结机理目前研究较少，仅有少量文献对此有所阐述， 如文献 8 】认为，对于界面植筋的新旧混凝土粘结构件，在荷载初期、新旧混凝 土粘结界面未开裂之前，界面粘结力同无植筋界面；当粘结界面破坏后，界面 粘结力基本靠植筋来承担，由于破坏面具有一定的粗糙度，因此界面出现平行 于粘结面和垂直于粘结面的滑移趋势，植筋产生拉力来限制界面的张开，并通 过产生界面摩擦力来抵抗粘结面剪力，同时植筋也承担一部分剪力。即粘结面 开裂破坏后，构件仍可以继续承载，故规范【9 0 】建议在界面上植筋或刻槽来增强 粘结面抗剪强度。 2 3本章小结 本章在查阅、整理、研究大量现有文献的基础上，主要进行了以下工作： ( 1 ) 总结了影响新旧混凝土粘结性能的主要因素 影响新旧混凝土粘结性能的主要因素有：界面粗糙度( 取决于界面处理方 式) 、界面剂或粘结方位、新旧混凝土技术性能及龄期等；另外，在新旧混凝 土粘结界面植入锚固钢筋能显著提高粘结面的机械粘结性能。需注意的是，界 面湿处理程度同样能够影响界面粘结性能，该因素是容易被忽略的。 ( 2 ) 通过新旧混凝土粘结的微结构模型，阐述了新旧混凝土的粘结机理 简要叙述了三区粘结模型、三层粘结模型、双界面一多层区粘结模型、五 区一三层粘结模型等四个微结构模型，其中，五区一三层粘结模型考虑了植筋 影响，考虑因素更为全面，易于说明新旧混凝土粘结机理。以五区一三层粘结 8 模型为基础并结合其它模型的相关内容，阐述了新旧混凝土的粘结机理，较全 面、深入地探讨了新旧混凝土粘结问题。 9 第三章新旧混凝土组合构件结构设计原理 3 1 新1 日混凝土组合构件结合面抗剪计算 3 1 1新旧混凝土组合构件结合面抗剪强度计算 新旧混凝土粘结构件的抗剪性能是保证受弯构件共同工作、整体受力的关 键，但目前新旧混凝土粘结面抗剪能力计算公式均是通过试验获得的，而且大 部分试验是通过小构件试验获得的，构件的数量比较少，且考虑的因素不一样， 因此计算公式的适用性还需进一步研究论证，毕竟实际构件与小构件差别较大。 对于界面植筋的新旧混凝土粘结构件，由于植筋粘结性能与植筋深度、植筋强 度、植筋与混凝土的粘结以及植筋率有关，其粘结面抗剪承载能力往往难以准 确计算，特别是植筋深度在构件较薄的时候较难以保证。而且对于板式构件与 梁式构件，目前的研究结果 9 0 , 9 1 1 看，两者的粘结承载能力并不一致。 关于新旧混凝土粘结面抗剪性能还没有统一的、令人完全信服的计算公 式，目前主要有以下几种。 ( 1 ) 计算公式一：国内规范 9 1 ，9 2 ，9 3 给出的结合面抗剪强度计算式 国内规范对此叙述并不详细，其粘结面抗剪计算均是引自叠合( 组合) 构 件，目前仅在规范【9 1 】的说明中对公式的来源有所提及，认为：影响组合梁结合 面受剪承载力的主要因素为混凝土强度、箍筋配筋率、钢筋抗拉强度，当配筋 率大于或等于0 0 0 1 时，结合面抗剪强度试验回归式为 丢一o mp 鲁 。 嚏一 谴 式中：t 。一结合面抗剪强度( m p a ) ； 允一箍筋抗拉强度设计值( m p a ) ； 允一混凝土轴心抗压强度设计值( m p a ) 。当原构件与现浇混凝土不同时， 取两者中较低值； 氏一箍筋配筋率，风，= a 。b s 。，其中厶为结合面上同一竖向截面配置 的箍筋各肢总截面面积或植筋总截面面积，鼠为箍筋或植筋间距，b 为结合面 宽。 值得注意的是，规范【9 2 】采用混凝土抗拉强度设计值取代上式中的混凝土抗 压强度设计值，由于缺乏具体参考文献，根据常规计算方法推定规范【9 2 】中的结 合面抗剪强度公式为 “4 + 风鲁 2 ， z厂8 。z 式中：f 一混凝土轴心抗拉强度( m p a ) ，其余参数同式( 3 1 ) 。 计算式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 成立的前提条件是，构件应符合下列要求： 1 0 结合面应具有不小于6 m m 的凹凸差的粗糙面； 箍筋深入现浇层中的长度不应小于1 0 d ( d 为箍筋或植入钢筋直径) 。 另外，上述计算公式对现浇层的最小厚度亦有要求，即梁式构件不宜小于 ( 2 ) 计算公式二：王少波、张雷顺等在文献【1 2 , 3 7 中提出的结合面抗剪强 度计算式 文献【1 2 1 通过对z 形小构件试验获得的试验数据进行拟合，得到无植筋结合 面的极限承载力计算式： f 。= ( o 0 2 8 f a - 0 5 4 6 ) h o 0 0 3 3 f 。k - i - 0 9 ( 3 - 3 ) 式中：气一结合面抗剪强度( m p a ) ； 允一新混凝土立方体抗压强度标准值( m p a ) ； 办一结合面粗糙度( m m ) ，采用灌砂法测量。 文献【3 7 1 通过小构件试验获得的试验数据并结合上式，得到植筋情况下的结 合面极限承载力计算式： 当植筋方式为预埋钢筋时 f 。= 【o 0 2 8 f o k o 5 4 6 ) h o 0 0 3 3 f 。k + 1 3 0 1 2 p s v + 0 9 ( 3 - 4 ) 当植筋方式为膨胀水泥时 f 。= ( o 0 2 8 f 。k - - 0 5 4 6 ) h o 0 0 3 3 f 。k + 6 2 511 尸s v + 0 9 ( 3 - 5 ) 式中：风一结合面植筋率，其余参数同式( 3 - 3 ) 。 ( 3 ) 计算公式三：王振领等在文献【8 】中提出的结合面抗剪强度计算式 植筋新旧混凝土构件植筋的破坏形式主要有四种情况【8 ，6 6 】：锥体一粘结复 合破坏、粘结破坏、钢筋屈服破坏和纯粹锥体破坏，但是纯粹锥体破坏一般出 现在植筋深度很浅的情况下，在实际工程中不常见。因此，文献【8 1 给出了界面 粗糙度在1 7 3 o m m 情况下的前三种破坏形式下的植筋新旧混凝土构件结合面 极限承载力计算式： 锥体一粘结复合破坏形式 捌湖5 6 + 竽l i 氙t 。- 1 船z + 学旧 粘结破坏形式 铲0 0 6 9 5 6 ( z 啪+ 华7 z h o ( 3 - 7 ) 钢筋屈服破坏形式 h = 0 0 6 9 5 6 z 。+ y f l p 鲋f y ( 3 - 8 ) 式中：f 。一结合面抗剪强度( m p a ) ； 六岫一新、旧混凝土立方体抗压强度平均值( m p a ) ； 一界面剂影响系数：不采用界面剂时取1 o ；采用水泥净浆时取1 5 ； 采用试验用商品界面剂时取0 5 ； y 植入钢筋的销栓作用对抗剪的影响系数，y = 1 + ； 一植入钢筋的销栓作用抗剪力系数，可按照表3 1 取值； 表3 1 结合面植入钢筋的销栓作用抗剪力系数、摩擦系数取值【8 1 界面处理方式粗竺度平均深上l _ _ _ 鏖! 竺竺!：厶兰三q 塑! 璺 厶兰三至坚! 垦 高压水喷 1 80 20 81 0 1 80 20 8 1 0 凿毛 0 50 3o 7 光滑表面0 5 0 5 注：当混凝土立方体抗压强度介于2 0 m l a 与3 5 d p a 之间时可直线内插得到。 一结合面摩擦系数，可按照表3 1 取值； 麒。一结合面植入钢筋配筋率； 丘一旧混凝土的抗拉强度标准值( m p a ) ； 一植筋胶与植入钢筋的平均粘结强度( m p a ) ，具体数据在使用时可查 植筋胶厂家提供的数据或由实验得出； d 一植入钢筋直径( m m ) ： d 一植筋钻孔孔壁植筋( m m ) ； k 一植筋锚固深度( m m ) ； 兀一植入钢筋的屈服强度标准值( m p a ) 。 当按式( 3 - 6 ) 、( 3 7 ) 计算结合面抗剪强度大于按式( 3 8 ) 计算值时，按 式( 3 - 8 ) 计算。 如按上述强度计算式计算结合面抗剪强度，就必须先知道结构构件破坏形 式，可通过植入钢筋的锚固深度k 来区分构件破坏形式，但是由于h e ，与植筋胶 的性能等因素有关，根据文献【8 】的建议可采用下列关系大致判别： 锥体一粘结复合破坏形式：h 打5 7 d ； 粘结破坏形式：7 d h 计墨1 5 d ； 钢筋屈服破坏形式：h d 2 1 5 d 。 其中，d 为植筋直径。具体应用时应根据所采用的植筋胶的性能来确定。 ( 4 ) 计算公式四：自文君、何兆益等【1 0 1 提出的结合面抗剪强度计算式 除上述的相关计算公式外，白文君、何兆益等【1 0 】通过混凝土小构件双剪试 验获得的试验数据拟合而得新旧混凝土结合面多因素计算公式： 1 2 f 。= 0 6 6 9 6 ( 0 4 5 7 4 h + 1 4 0 2 2 ) ( 0 2 3 2 3 s + 0 8 0 11 x o 0 7 0 7i n ( t ) + 1 0 3 01 ) ( 3 9 ) 式中：r 。结合面粘结强度( m p a ) ； h 一灌砂平均深度( m m ) ： s 一界面剂类型量化值，根据文献【i o 】的建议：当界面剂采用普通硅酸 盐水泥净浆时取l ，采用快硬硫铝酸盐水泥砂浆时取2 ，采用丁乳改性硬硫铝 酸盐水泥净浆时取3 ，采用快硬硫铝酸盐水泥净浆时取4 ； r 一新旧混凝土的粘结龄期( d ) 。 式( 3 - 9 ) 考虑了粗糙度、界面剂和粘结龄期的影响，如果忽略龄期对结 合面粘结强度的贡献，式( 3 - 9 ) 可偏安全地简化为式( 3 1 0 ) ： r 。0 6 6 9 6 ( 0 4 5 7 4 h + 1 4 0 2 2 x o 2 3 2 3 s + 0 8 0 11 ) ( o 3 h4 - o 9 4 x o 2 3 s + 0 8 ) ( 3 1 0 ) 式中参数同式( 3 - 9 ) 。 式( 3 - 9 ) 、( 3 10 ) 未考虑结合面配置粘结钢筋的情况，实际很少出现纯粘 结的情况，试验采用小构件且试件数量较少，且旧混凝土立方体抗压强度标准 值为4 5 m p a ，在实际意义上并无多大适用价值。 上述公式使用时要特别注意使用条件，不能乱用，实际使用时经常也出现 这样的问题。 ( 5 ) 关于植筋胶与植入钢筋平均粘结强度的取值 根据规范 9 0 , 9 3 1 的要求，桥梁受力植筋用胶粘剂应采用a 级胶；当仅按构 造要求植筋时可采用b 级胶。 设计时如无法确定植筋胶的产品质量，植筋胶的粘结强度可按照表3 2 取 值。 表3 - 2 植筋胶与植入钢筋的粘结强度9 0 】 注：表中s l 为植筋间距；j 2 为植筋边距；该表数值仅适用于带肋钢筋的粘结锚固。 3 1 2收缩徐变、温度变化对结合面抗剪强度的影响 温度差异对桥梁的影响包括年温差影响与局部温差影响，年温差影响一般 假定温度沿结构截面高度方向均匀变化，新旧混凝土的线膨胀系数相同，故年 温差对简支结构的结合面没有影响，对超静定结构通过整体剪力、轴力、弯矩 反映在结合面剪切强度之中。局部温差( 梯度温度) 影响，根据平截面假定， 当结构为静定结构时仅在截面上产生温度自应力，结合面承担传递温度自应力 1 3 的作用，但