新旧混凝土机械连接的方法和受力性能研究
Abstract： In this paper， the effective reinforcement methods of mechanical connection between new and old concrete are put forward， and the secondaryload performance and the mechanism of working together of new and old concrete of the reinforced concrete column are analyzed and researched， which provides a reliable numerical analysis basis for the mechanical properties of compression members in structural reinforcement engineering and has very important engineering application value.
Key words： new and old concrete；mechanical connection；force performance
中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0110-02
0 引言
新旧混凝土界面的连接质量是结构加固工程的关键问题，界面的粘结滑移情况、受力性能分析、界面处理和界面剂的研究等都是国内外工程界着力探讨的方向[1]。研究试验和工程实践表明，仅仅依靠新旧混凝土界面处理和有效粘结，难以满足混凝土耐久性和实际承载力的需求，因此，提出了利用机械连接件来加强新旧混凝土的界面强度。
1 新旧混凝土机械连接方法初探
在结构加固工程中，最基本的加固方法是扩大截面法，在原有的旧混凝土表面增加新的混凝土和配筋，新旧混凝土的结合面受力始终是一个薄弱环节。在新旧混凝土连接处加入机械连接件，不仅可以提高界面承载力，还可以减少新混凝土和配筋量，降低工程加固成本。近年来，最常用的机械连接件有植筋、锚杆、螺栓和射入式螺钉，连接件的形式、数量、分布及孔深等对连接效果影响非常大，然而，此类连接件的加固设计和参数选择方法基本上还停留在经验设计和数据参考阶段，而作为承受竖向荷载的主要受力构件，受压构件的加固设计理论研究更少，混凝土柱更容易由于各种原因而导致承载力不足，新旧混凝土结合面的剪力不能有效传递。针对混凝土圆柱的加固，本文提出自锁锚杆机械连接件和钢管自密实混凝土结合的复合型加固方法，在原柱周边按一定间距布置自锁锚杆（自锁锚杆施工过程见图1），使外包压型钢板套与原受压构件表面留有一定的空隙，自锁锚杆与钢板焊接固定后，利用自密实混凝土填实空隙。
自锁锚杆是由武汉武大巨成加固实业有限公司研制的一种新型锚杆，在施工中先扩孔后灌注无机材料，由于轴向压力作用端部有自锁力，这种锚杆将机械自锁与无机粘结材料结合起来，形成了耐热、耐水、高效的锚固新技术，比较起普通的植筋技术，具有明显的优势。在新旧混凝土结合中，自密实混凝土充当“新”混凝土材料，其自重作用下的流动密实性可以很好地填充钢管和原混凝土柱之间的空隙，其微膨胀作用使得“新”混凝土和钢管以及“新旧”混凝土之间的结合更加紧密。此外，新旧混凝土作为钢管混凝土柱的核心部分，处于三向受压状态，该种加固技术利用钢管和混凝土两种不同材料在受力过程中的相互作用，最终使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性得到改善。因此，自锁锚杆机械连接件和钢管自密实混凝土结合的复合型加固法，通过自锁锚杆和钢管的连接，具有较好的安全性、经济性和可靠性。
2 新旧混凝土加固后受力性能分析
广西梧州市云龙西江特大桥某桥墩采用了自锁锚杆机械连接件和钢管自密实混凝土结合的复合型加固方法。在修复后结构现场检测的基础上，本文运用ANSYS大型有限元软件对该桥墩柱进行了数值仿真模拟，将仿真计算结果与现场检测报告的数据作综合对比，从而进一步研究圆形桥墩柱的加固后的受力性能及仿真模型的准确性。
2.1 有限元模型的建立
仿真模型的建立采用实体建模，六面体网格划分，钢筋与混凝土采用整体式模型，锚杆和钢板采用分离式模型。
2.1.1 单元类型
新旧混凝土采用Solid65三维实体带筋单元，自锁锚杆采用beam188梁单元，钢板套采用solid45实体单元。
2.1.2 本构关系
混凝土本构模型采用多线性随动强化的弹塑性模型，通过考虑计算单元刚度和应力时的拉伸强化效应，反映单元开裂后混凝土与钢筋的共同工作性能。破坏准则采用ANSYS默认的拉应力准则和W―W准则。输入的单轴受压下的应力应变曲线采用我国《混凝土结构设计规范》中的公式，并且不考虑下降段。
2.1.3 材料参数
原柱混凝土等级为C25，取其重度为2600kg/立方米，弹性模量为2.8E+4MPa，泊松比0.18，抗压强度由桥墩柱抽芯检测报告的数据取39MPa；填实的微膨胀混凝土等级为C30，取其重度为2600kg/立方米，弹性模量为3.0E4MPa，泊松比0.2，抗压强度取48MPa；桥墩柱纵筋均为II级钢筋，箍筋均为I级钢筋，经过计算，墩柱纵向配筋率为0.49%，环向配筋率为0.078%。 2.1.4 模型的建立
对整个加固后的桥墩B柱建模如图2所示，模型包括原柱混凝土单元、新混凝土单元、钢筋单元、自锁锚杆单元及钢板套单元。
2.2 结果分析
为了验证模型的正确性，由ANSYS输出的理论结果与检测报告的实测数据作对比。如表1、表2所示。
由表1和表2可知，该桥墩柱的有限元理论模拟计算结果与工程实际的检测结果基本相符，说明本文仿真模型的正确性，利用有限元软件ANSYS可以较为准确地模拟分析实际工程。在不同的工况下，桥墩柱的顺水及顺桥的水平方向位移变化幅度在3mm-5mm之间，实测数据没有呈现一定的规律变化，原因是测量误差导致，倾斜度近似为0，说明在桥面上通过汽―20级车辆荷载时没有增加墩柱的水平位移和倾斜度，因此，加固后的桥墩刚度良好。而各种工况下的最大竖向压应力也较小，均无拉应力出现，说明墩柱安全，新旧混凝土界面剪应力传递可靠，新旧混凝土和钢套之间粘结良好，可以共同受力。
3 小结
本文提出了采用自锁锚杆机械连接件和钢管自密实混凝土结合的复合型加固方法。通过工程实例检测数据分析新旧混凝土机械连接的整体受力性能，运用大型有限元软件ANSYS模拟加固的桥墩柱构件，建立了自锁锚杆连接增强新旧混凝土共同工作性能的计算模型，通过和现场检测报告的数据对比分析，理论研究和检测的数据相近，说明了本文研究的加固圆柱模型的正确性。而通过数值仿真计算可以迅速地得到桥墩柱构件的应力应变状态和变形以及更多详细的信息，可以大大减少工作人员现场检测的工作量，提高工作效率和节省加固费用。因此，自锁锚杆机械连接件和钢管自密实混凝土结合的加固法可以有效增强新旧混凝土结合面的承载力，从而提高了整体的刚度达到良好的加固效果。
注：广西高校科学技术研究项目，LX2104563。
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