无表面处理的柱托换节点界面受剪机理分析

(盐城工业职业技术学院建筑工程学院 江苏 盐城 224000)

引言

柱(桩)托换技术是建筑物整体移位、顶升、大空间改造、既有建筑物下隧道施工等工程中被广泛应用的关键技术之一[1,2]。目前，实际工程中钢筋混凝土抱柱梁式托换节点[3]应用最为广泛。研究[4,5]表明，抱柱梁托换节点的破坏形态包括四周托换梁破坏和界面剪切滑移破坏两类形式。托换梁的破坏形式，可以通过梁截面尺寸、配筋数量、支座位置和形式的改变有效避免，方法较为成熟。因此，托换节点的界面剪切滑移承载能力是研究的核心问题，而界面处受力机理是研究的前提。

本文通过对无表面处理的钢筋混凝土柱托换节点界面进行受力分析，探讨了界面处受剪的受力机理。

一、界面处受力分析

抱柱梁托换节点构造平面图参见图1(a)。通常认为，托换节点中，新旧混凝土界面上粘结受剪承载能力由胶结力、摩擦力和表面凹凸引起的咬合力组成，对于无表面处理的托换节点，界面咬合力忽略不计。在托换节点受力过程中，胶结力和摩擦力并不能同时达到最大值；胶结力实际是一种分子间力，其大小和分子之间的距离有关，在接近10-9m时，就下降接近于0，因而在新旧混凝土表面出现极其微小的相对滑移时，大部分在初期严密结合的分子间距拉大，胶结力会迅速降低，量值同摩擦力相比，可以忽略，认为无表面处理柱托换节点的界面受力只剩下摩擦力。摩擦力的大小与摩擦系数和界面压力有关。界面受力示意图如图1(c)所示。图中，N为节点竖向荷载，Ff为界面处摩擦力，FN为托换节点中新旧混凝土界面法向压力。

图1 节点受力示意图

(一)抱柱梁混凝土收缩产生的压力分析

混凝土在自然养护条件下会发生收缩。对于柱托换节点，在柱四周浇筑抱柱梁时，柱已基本收缩完成。认为抱柱梁混凝土收缩受到柱约束时会在梁柱界面处产生收缩应力σ1，为简化计算，可假设其分布均匀。可根据抱柱梁A(C)面在X方向上柱宽bc范围内梁柱伸缩量变化值列平衡方程求。实际上，托换节点收缩时受力状态要复杂得多，A(C)抱柱梁在X方向上的拉伸会受到梁柱接触面摩擦力的阻止，收缩时，摩擦力的作用同样是阻止收缩，方向为导致托换梁拉伸方向。计算时可将其效应合并在效应中。

图2 收缩应力示意图

(二)抱柱梁双向弯压产生的压力分析

托换节点在竖向荷载作用下，支座和竖向荷载之间产生双向弯压效应，梁柱界面处存在附加弯矩M，使梁柱界面上部受压，这增大了界面压应力。而在下部，弯矩产生的拉力被托换梁纵筋承担，可忽略其对界面的影响，如图3(a)所示。

附加弯矩M与下部钢筋受力值T相对应，但由于抱柱梁A、C阻碍抱柱梁B、D的弯曲，实际上附加弯曲值M要小于T产生的弯矩值，即界面处由附加弯曲产生的实际压力C要小于T，计算时可引入调整系数用于计算。

图3 附加弯曲压力

(三)柱压缩横向变形引起的压力分析

托换节点试验时，柱在轴压力作用下产生横向变形，该变形受到四周抱柱梁的约束，在界面处产生挤压应力。为方便计算，可认为该挤压应力沿界面呈倒三角形分布(如图4(a))，计算时可简化为其在整个界面上均匀分布。

图4 挤压应力示意图

对于实际托换工程，柱轴力一直存在，没有压缩变形。但由于施工前一般会将结构上活荷载卸除，待使用时再加上，即节点柱存在压力差。该压力差会使托换节点处柱膨胀产生水平位移，在界面处有挤压力产生，提高界面的承载力。对于该项，可视该压力差的大小引用一带压工作系数或直接用压力差进行计算。

二、结论

本文在对四周抱柱梁无表面处理柱托换节点界面处受力分析的基础上，探讨了梁柱界面处压力的主要组成部分。主要成果如下：

(1)界面处受剪承载力取决于梁柱界面压力和摩擦系数的大小；

(2)梁柱界面压力主要由抱柱梁混凝土收缩在梁柱界面产生的收缩压力、抱柱梁弯曲在界面产生的附加压力组成和柱压缩横向变形引起的压力组成。