沟槽剪切摩擦行为对混凝土桥梁加固的影响
姜海波 庄成芳 方鑫 姜志伟
摘要：本文研究新旧混凝土界面沟槽处摩擦剪切行为对混凝土桥梁加固的影响，在中国此项技术已经被用在三座预应力混凝土箱形桥梁，一系列的样本被推出做了关于沟槽处混凝土的强度、沟槽的几何形状、配筋率的测试。为了便于比较，不管加不加横向钢筋，最后都要加压直到全部样本和部分样本被破坏。开裂荷载、极限荷载、残余强度、开裂形式、破坏状态都被记录下来，横向钢筋可以提高变形能力和残余阻力。揭示了混凝土和钢筋不是同时被破坏。基于剪切摩擦机理，将测试结果与现有设计规定进行比较。提出了应用中实际桥梁中沟槽界面加固的设计细节。
关键词：沟槽界面；剪切摩擦；箱形桥梁；加固；实验；桥梁
背景
中国工程师已经在桥梁加固工程中应用了在现浇混凝土和原有混凝土沟槽界面处植筋来提高它的整体性并且使其成本降低，如图1所示。改造项目包括中国N4高速公路（佛开高速公路）三条预应力混凝土箱形桥梁（(Zhangcha 高架桥, Lianxing 高架桥, 和跨度接近的Fengjiang Bridge）。
在材料表面60mm宽、30mm深、间隔200mm的沟槽已经被制造出来，如图2所示。根据设计图纸，沟槽的位置和几何形状先绘制在现有混凝土的表面。由电锯切割出需要的深度和间距。两次切割之间的混凝土相对容易掉下来。最终，所需要的沟槽被实现并且12mm的钢筋被植入在腹板的表面，在这之后，一层200-300mm厚的C50混凝土被现浇在沟槽的顶部，预应力钢筋嵌入现浇混凝土中，并且开始对箱梁施加预应力。
传统上，现有混凝土的表面通过手工切割或高压喷水来凿毛。手动破碎方法往往耗时且质量问题得不到控制，因为混凝土切割范围和深度不容易确保；由于设备缺乏和成本限制，高压喷水在中国桥梁加固中很少使用。与手工切割或高压喷水等凿毛方式相比，通过快速施工的方法来完成沟槽具有更好的整体性能。
界面设计简介
现有的剪切摩擦理论，是估算滑动或破裂面钢筋混凝土构件最大剪切力简单而且有用的工具。剪切摩擦这个术语被Birkeland and Birkeland (1966) and Mast (1968)首次提出来定义裂缝滑移的摩擦阻力。他们讨论了适用于他们所提出的摩擦剪切假设的具体实例，但是认为该理论必须要通过实验室的测试来彻底的验证。Mattock和Hawkins（1972）提出了混凝土强度，表面特性，钢筋和法向应力对钢筋混凝土剪切摩擦强度的影响。美国混凝土协会318-71（ACI 1971）的剪切摩擦条款对剪切摩擦强度的保守估计值低于规定的800 psi。Mattock（1974）提出了一种关于剪切力在任意角度倾斜的平面上作用于平行或正交的钢筋阵列的实验和分析研究。23个样本被测试，大约2/3的样本在测试之前有意在剪切面人为的制造裂缝。测试的结果表示，试验结果表明，有正交钢筋的剪切摩擦假设适用于混凝土与混凝土的剪切平面成一定角度的情况，在计算剪切摩擦阻力时，考虑到钢筋上的力在平行于剪切平面上的分量。
Walravenetal。（1987）提出了新的剪切摩擦方程，用于确定强化混凝土构件的裂纹面的剪切摩擦力，考虑到混凝土强度的影响作为基本参数，还研究了先前的负载循环和持续负载对裂纹混凝土构件的剪切摩擦能力的影响。
Loov和Patnaik（1994）提出了一种结合混凝土强度和张拉应力对预制梁和CIP板之间界面的剪切摩擦力的影响的方程，这同样适用于轻型和半重型混凝土。
Kakish（1997）进行了一个实验项目，以评估具有剪切键的预制混凝土梁和CIP板之间的脱粘界面，剪切键贯穿预制梁和钢连接器。测试了10个试样，获得载荷滑移曲线。测试的剪切键的几何形状与研究中所提到的沟槽界面的几何形状不同。
Mattock（2001）研究了初始裂纹试样的剪切转移试验的可用数据，提出了剪切摩擦设计的简单方程，此方程适用于预测混凝土所有强度的潜在剪切传递强度。
Kahn和Mitchell（2002）表示，目前的ACI剪切摩擦概念可以扩展到高强度混凝土。提出了一种更准确地预测高强度混凝土的冷接头和未裂纹界面的剪切摩擦强度的方程。主要的实验参数为混凝土强度和横向增强比。建议保留0.2f0 c的上剪切应力极限，但是消除了800 psi（5.5 MPa）的剪切应力极限。
Nagle和Kuchma（2007）对高强度混凝土和不同的横向钢筋比进行了一系列18次剪切摩擦试验和20次梁的剪切试验，目的是将AASHTO LRFD（AASHTO 2014）规范扩展到高强度混凝土。目前这些规范规定，设计中使用的混凝土的抗压强度被限制在70MPa。剪切摩擦试验的结果表明，实验测量的强度通常高于规定的标称强度。 然而，还发现，主梁高1.85米深桥梁的剪切裂缝的可能大大超过由剪切设计程序推倒出来的。
Rahal（2010）提出了一种模型来考虑钢筋平行于剪切传递平面对其产生的影响。 哈里斯等 （2012）提出了一种计算剪切摩擦能力的经验公式，更符合实际行为，并且正确地捕获了混凝土和钢部件被破坏时的极限状态。公式可以准确预测普通强度或高强钢筋的剪切摩擦强度 此外，研究首先调查了高强度钢筋的剪切摩擦行为。
AASHTO LRFD和ACI 318-14（ACI 2014）规定，关于沟槽处钢筋贯穿CIP板和预制梁的设计。只考虑垂直于界面的普通混凝土和界面加固，AASHTO LRFD的规定 和ACI 318-14计算标准剪切摩擦能力Vni总结在表1和表2中。从表1和表2可以看出，将普通混凝土的滑动或裂纹面粗糙度分为两种，一种是现浇板在6.4毫米振幅的粗糙界面，另一种是6.4毫米振幅粗糙表面的其他板坯，并且对表面进行浇铸，没有粗糙化。
AASHTO LRFD基于Loov和Patnaik（1994），Patnaik（1999），Mattock（2001），Kahn和Slapkus（2004年）拟定了关于6.4 mm振幅粗糙板和其他6.4 mm振幅粗糙表面的规定。这些研究只研究在预制梁和复合桥梁的CIP板之间的剪切摩擦行为。 ACI 318-14隐式的假定了一个条件。由于缺乏在这个界面上的研究工作，6.4 mm振幅粗糙表面系数作为一个保守的系数被采用。 ACI 318-14在第11.6.4.3节中支出摩擦系数的值是实验观察出来的，考虑到骨料的连锁和凝聚的影响。
在加固工程中使用的沟槽界面与AASHTOLRFD和ACI318-14定义的四种情况不同，AASHTOLRFD和ACI318-14对于带有钢筋的槽面的适用性仍不确定。根据可靠的研究，更加深入的了解现有和CIP混凝土之间的植筋沟槽与沟槽界面的剪切摩擦行为。实验数据提供了检查AASHTO LRFD和ACI 318-14剪切设计规定的适用性的机会，并提出了实际桥梁中凹槽界面设计的改进建议。
实验项目
测试样本和材料
采用试样来研究混凝土界面的剪切摩擦行为。整体式接头，粗糙界面和具有或不具有横向钢筋的沟槽界面的样品示于图3中所示。所有样品的厚度均为100 mm。样品的顶部和底部短截面由两层16和12毫米直径的钢筋加固，以防止在现有混凝土和新浇混凝土之间的界面失效之前的混凝土破坏。
根据中国的规范要求（中国交通部2004年），现有混凝土和新浇混凝土混合比的强度等级要达到C30至C70。混合成分包括42.5R波特兰水泥，细骨料和粗骨料，减水剂和粉煤灰，如表3所示。花岗岩砾石粗骨料的连续分级需要100％通过16mm（5/8 -in。）筛，87.24％通过9.5mm（3/8英寸）筛，而不通过2.46mm（1/8英寸）筛的为6%。粗骨料最大尺寸为16mm。
实际的混凝土强度和柱面抗压强度如表4所示，除了第一类样品，通过取其立方体抗压强度的85％计算柱面抗压强度（Tokyay和Ouml;zdemir1997）。样本命名的原则，如表4所示，由三组字符和数字组成。第一组中的第一个字符是M 代表整体样本，R 代表粗糙界面，G 代表凹槽界面。在其后的数字代表四种不同的混凝土浇注方式（1至4）。第一组中的最后一个数字代表新浇注的部分样品的混凝土强度，例如3 代表C30。第二组给出了钢筋的数量和直径。例如，210代表直径为10毫米的两个钢筋。如果只有一根钢筋，为图3（d）中钢筋的位置为N2。对于两个钢筋，为图3（d）中的钢筋N1和N3。三个钢筋的位置如图3（d）中的N1，N2和N3描绘。第三组是指凹槽尺寸。第一个数字表示凹槽深度（例如，3 =代表3厘米深）。第二个数字表示槽宽度（9 代表9cm宽）。组中的最后一个字符是a或b，表示重复标本。根据样本命名的原则，N字符表示该参数不存在。
整体式的样品是一起被制造出来，而凿毛和开槽的样品在不同时间被制造。现有的混凝土部件首先浇筑在可拆卸的不锈钢模型上。在现有的混凝土部件达到所需的强度后，将现有混凝土部件的侧面用作新浇混凝土部件的模具侧面。对于粗糙或凹槽界面的样品，混凝土的一部分由电锯切碎以暴露新鲜混凝土。植入横向钢筋的步骤如下：（1）将横向钢筋切割成长度为300mm（2）标记表面定位待植入的钢筋，（3）在现有混凝土部分钻一个150毫米深直径为12毫米（14毫米或16毫米）孔，（4）使用压缩空气和钢丝刷来清洁孔，（5）使用分配枪将环氧树脂粘合剂注入孔中直到填满孔深的一半，（6）将钢筋插入并对中孔，（7）扭转钢筋以确保均匀的棒状环氧树脂粘合剂接触紧密，（8）直到环氧粘合剂固化，具有钢筋的试样如图1所示。 4（a）和（9）在表面处理完毕和钢筋混凝土植入后，第二阶段浇注新混凝土。图4（b）说明了试验后的整个试样。
设置和仪器
对于第一系列试样，载荷由手动液压泵以缓慢的载荷速率施加。在液压千斤顶的前面安装一个测力传感器来测量施加的载荷。负载增量为5kN，负载在每次负载增量结束时保持5min。 对于剩余的三个系列试样，以施加位移控制方法来通过电液伺服装载系统以0.005mm / s的恒定冲程速率来施加。
在第一系列混凝土试样中横向钢筋中的应变由四个应变片获得。试样的垂直位移通过安装在试样一侧的两个LVDT进行测量。 除了第一个系列之外，样品的水平位移是通过一个LVDT获得的。
在测试过程中使用DH3816数据处理器获取的数据包括施加力、钢筋中的应变、垂直滑移和水平位移。图5中给出了样本设置的总体草图。
结果与讨论
混凝土强度，开裂载荷，极限载荷和残余强度的试验结果见表4。
没有植入钢筋的样品的载荷滑移曲线如图6（a）所示。界面剪切力大致与滑移成正比，直到发生突然失效。 钢筋试件的载荷滑移曲线如图6（b）所示。对于凿毛样品，界面剪切力线性增加到接近极限载荷的水平。对于带槽样品，界面剪切力线性增加到第一峰值负载，然后由于剪切键的破裂而略微下降，并达到极限载荷。对于整体式样品，界面剪切力线性增加到极限载荷的约70％，并且非线性发生到最终载荷。在极限载荷之后，所有试样的界面剪切载荷下降并降低到早期恒定载荷。
在极限载荷的作用下，有钢筋的整体式，带槽和粗糙的试样的滑移显着大于没有钢筋的相应试样的滑移，即变形能力随是否加钢筋而增加。
图7（b），在具有钢筋的粗糙试样中，裂纹沿着剪切方向传播，试件接近失效。图7（c）， 在具有钢筋的带槽的试样中，多个裂纹在垂直平面上与对角线相距15到45°。剪切平面附近的短裂缝形成并连接到主垂直裂缝中，将裂缝分为两部分。破坏形式如图7（d）所示。
开裂荷载
开裂负荷是评估界面剪切性能的重要指标。界面条件、混凝土强度、钢筋比、槽宽度对裂缝承载力的影响如图8所示。 从图8（a）可以看出，和凿毛、沟槽样本相比，整体试样有更大的开裂载荷。
如图8（b）所示，具有相同的槽尺寸和相同的钢筋比的试样在不考虑其混凝土强度的情况下具有几乎相同的开裂载荷。实验结果表明，混凝土强度在开裂载荷中不起重要作用，因为混凝土抗拉强度对开裂荷载起着主要作用，在不同试样之间没有明显的偏差。
如图8（c）所示，带有钢筋的凿毛和沟槽样本的开裂载荷随着钢筋比的增加而增加。带钢筋的带槽试样随着槽宽度增强，开裂载荷也增加，如图8（d）所示。 沟槽几何形状可以影响应力沿界面的分布状态，因此它对于起裂起着决定性的作用。
剪切摩擦强度
界面条件对具有或不具有钢筋的样品的极限载荷有明显的影响。对于具有大致相同混凝土强度的试样，整体试样的界面剪切摩擦强度大于带槽样品的界面剪切摩擦强度。 然而开槽样品的界面剪切摩擦阻力大于凿毛样品的界面剪切摩擦阻力，如图9（a）所示。
除了样品M15-N-N以外，无钢筋的整体和粗糙样品的剪切摩擦强度随着混凝土强度的增加而增加。 然而混凝土强度不影响具有钢筋的带槽试样的剪切摩擦强度，如图9（b）所示。
对于具有钢筋的凿毛和带槽的试样，如图9（c）所示，界面剪切摩擦强度随着钢筋比例的增加而增加。 对于带槽的试样如图9（d）所示，除了G33-214-34和G33-214-36之外，界面剪切摩擦强度随着沟槽宽度而增加。G33-214-36其他部位的意外过早故障导致了该试样的界面剪切摩擦强度出人意外的下降。沟槽宽度对界面剪切摩擦力的影响是明显的。从表4可以知道，凹槽深度的影响没有凹槽宽度的影响大。
剩余强度
剩余强度定义为在各种载荷滑动曲线中从急剧下降段到几乎水平段的交点。 如果在载荷滑移曲线中没有明显的差异，根据Shawand Sneed（2014）所提出，残余强度在滑移为3.81 mm（0.15 英寸）时的强度值。在本试验中，通过残余强度进行研究峰后行为，可以揭示剪切摩擦理论的本质。
界面条件、混凝土强度、钢筋比、槽宽对残余强度的影响如图10所示。如图
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