铝合金板混凝土界面的粘结滑移性能及其本构关系

姜德文 黄海林 刘光伟 张明亮 黄曙

摘要：铝合金板具有轻质高强、耐腐蚀性和延展性好等优点，是复杂恶劣环境中加固混凝土结构的理想材料。基于双剪试验进行铝合金混凝土界面粘结滑移性能研究，完成了45个构件的双面纯剪试验，得到了其破坏形态、荷载应变关系曲线、粘结界面剪应力分布曲线、荷载滑移关系曲线以及界面极限承载力，分析了不同的混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度条件下界面粘结滑移性能的演化规律。研究表明：加载过程中，界面应力从加载端向自由端逐步传递，且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加，试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金的粘结长度存在一个有效粘结长度值，超过该值试件的剥离承载力将不再增加，同时，铝合金表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线，结果表明：铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。

关键词：铝合金板;双剪试验;粘结滑移;剥离承载力

中图分类号：TU746.3 文献标志码：A 文章编号：20966717（2020）03008010

Abstract：

Aluminum alloy plate has the advantages of light weight， high strength， corrosion resistance and good extensibility. It is an ideal material for strengthening concrete structure in complex and harsh environment. In this paper， the study of bondslip behavior of aluminum alloycontrete interface was carried out by conducting doublesided pure shear tests on 45 members. The failure form， loadstrain relationship curve， bond interface shear stress distribution curve， loadslip relationship curve and interfacial ultimate bearing capacity were obtained. The evolution of interfacial bondslip behavior under different concrete strength grades， surface roughness of aluminum alloy plate， bond length and bond width of aluminum alloy plate were analyzed. The results show that the interfacial stress is gradually transferred from the loading end to the free end during loading. With the increase of the strength grade of concrete， and the length/width of bonding interface， the peeling capacity of the specimen is improved. But there is an effective bond length value for the aluminum alloy， beyond which the peeling bearing capacity of the specimen will not increase. Meanwhile， the surface roughness of the aluminum alloy has no substantial effect on the peeling bearing capacity of the specimen. By measuring the strain of aluminum alloy plate， the bond slip test curve of aluminum alloy plate and concrete under different parameters was obtained. The results show that the curve is of obvious interfacial softening characteristics and nonlinear behavior， which can be used to guide the actual engineering design of aluminum alloy plate reinforced concrete.

Keywords：aluminum alloy plate; double shear test; bondslip; peeling capacity

隨着时代的发展和时间的推移，有相当一部分建筑物会因为使用功能改变、材料性能劣化、结构或构件损伤造成房屋结构性能下降，因此，混凝土结构修复和加固技术变得越来越重要。外粘金属、复合材料板材或者片材增强混凝土结构或构件是目前常见的加固方法[15]。同时，钢材和FRP是使用最广泛的两种加固材料，钢材强度高、延展性好，但耐腐蚀性差;FRP材料具有轻质高强、耐腐蚀性强的优点，但延展性差，明显呈脆性材料特征[69];铝合金材料耐腐蚀性好、延展性好，克服了钢材和FRP的材料缺点，是工程结构加固材料领域很有前景的材料。学者围绕铝合金加固混凝土结构的受力性能做了大量研究[1011]，文献[12]采用外部粘贴铝合金条带的方式来增强混凝土梁的抗剪能力，提出了外粘铝合金条带混凝土梁的抗剪加固计算公式;文献[13]提出了铝混凝土组合梁承载力和刚度的数值分析模型;文献[14]为了研究铝合金和碳环氧树脂复合材料的粘结界面行为，使用有限元方法模拟了界面粘结破坏过程，结果表明，界面粘结强度和失效模式很大程度上取决于粘结剂。文献[1516]通过单剪试验研究了混凝土强度、铝合金板宽度和厚度、粘结长度等因素对铝合金板与混凝土界面性能的影响，

2.3粘结界面剪应力分析

根据铝合金板上应变片的布置方案，可选取相邻两個应变片之间的铝合金板作为单元体，通过分析该单元体力的平衡方程，可以得到：铝合金板拉力差由粘结界面剪应力的合力来平衡。其中，铝合金板粘结界面剪应力可通过相邻测点的应变进行计算。根据以上方法，绘制不同试件界面剪应力的演化规律如图7所示。其中，横坐标表示距混凝土加载端距离，纵坐标表示界面上的剪应力。

加载初期，局部粘结剪应力主要分布在加载端附近区域。剪应力分布曲线大致为抛物线，且抛物线的最高点随着荷载的增加，不断向自由端转移，说明随着荷载的增加，加载端界面剪应力快速增长，并不断向自由端转移，当加载端附近剪应力减少至0时，表明界面开始剥离，直到界面完全剥离失效。在极限状态时，最大粘结剪应力一般情况下均出现在距离加载端60～80 mm的位置，其值一般约为5～10 MPa。而图7（b）对应的极限剥离承载力较小且峰值剪应力值没有传递过程就发生剥离破坏，这是因为在调制结构胶的过程中会产生气泡和缺陷，导致界面出现应力集中，使得铝合金提前发生剥离。试验数据表明;粘结长度越长，其峰值剪应力越高，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越慢;混凝土强度等级越高，峰值剪应力值越高，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快;粘结宽度越宽，其对峰值剪应力没有太大影响，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快;同时G、B类试件的峰值剪应力比N类试件要高，分析其原因，可能是在截面削弱处产生应力集中，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度要慢。

2.4荷载滑移关系曲线

试验通过在铝合金板加载端与自由端设置WY系列位移传感器的方法来测量相对滑移。相对滑移值反映了在加载过程中铝合金板与混凝土之间的位移差值，也间接反映了界面的粘结刚度。由试验结果可知，在整个加载过程中，各试件的铝合金板/混凝土界面自由端相对滑移几乎为0，可以忽略不计，因此，仅考虑铝合金板/混凝土在加载端的相对滑移。典型试件在加载端铝合金板与混凝土之间的荷载滑移曲线如图8所示。由图8可以看出，荷载滑移曲线大致呈现出相同的规律：1）线性增长阶段，滑移随荷载的增长呈线性增长，此时界面3种材料共同工作、协同变形;2）快速增长阶段，滑移随着荷载的增加出现非线性增长，界面开始出现损伤，界面刚度变弱;3）失稳增长阶段，加载端界面开始剥离，此时，荷载不增加但滑移会迅速增长。

图9给出了4种不同参数影响下的荷载滑移关系曲线对比图。由图9（a）可知，经过表面粗糙度加工处理后的G、B类试件相比N类试件相对滑移还有一定程度的增加，可能是表面加工处理后试件截面刚度会降低，且界面受力时更容易出现应力集中现象，导致剪应力值较大的截面过早出现损伤软化，因此，界面的粘结刚度会变弱。由图9（b）可知，混凝土强度等级越高，其界面粘结刚度越大，相对滑

移值越小，这是因为混凝土强度等级越高，混凝土表面抗拉强度越大，混凝土、结构胶与铝合金板三者之间的共同相互作用增强，导致粘结界面的刚度变大，滑移值变小。由图9（c）可知，粘结宽度越宽的试件，界面粘结刚度越大，相对滑移值越小，达到极限荷载时的滑移值越大。由图9（d）可知，粘结长度对试件的初始粘结刚度并没有太大影响，初始曲线斜率基本保持一致。在加载后期，有效粘结长度范围内，粘结长度越短的试件应力传递速度更快，界面损伤更快发生，界面粘结刚度下降更快，导致在相同荷载作用下滑移值最大。粘结长度越长的试件，破坏时的滑移值越大。

2.5界面极限承载力

表2给出了各试件的极限承载力、界面平均粘结强度的具体试验结果，为了能直观观察出不同参数下的极限承载力规律，分别绘出不同参数下的极限承载力柱状图，见图10。由图10可知，当混凝土强度等级为C40，对于N类，当粘结长度为170 mm时，试件的极限承载力较120 mm时提高了10.4%;当粘结长度为220 mm时，试件的极限承载力较170 mm时提高了22.3%。但G、B类铝合金板相对于N类铝合金板，其极限承载力并没有提高。铝合金板的粘结承载力会随着粘结宽度的增加而增加，当试件类型为G类，混凝土强度等级为C40，粘结长度为220 mm时，粘结宽度为75 mm的试件比粘结宽度为50 mm的试件承载力提高了69.8%，粘结宽度为100 mm的试件比粘结宽度为75 mm的试件承载力提高了25.5%。

由图10（c）可知，当试件类型为G类，铝合金板宽为75 mm时，粘结长度为120 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了35.2%，粘结长度为170 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了14.1%，粘结长度为220 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了5.7%，表明随着混凝土的强度等级增加，铝合金板的粘结强度也会增加。

由试验结果可知，试件的极限荷载会随着铝合金板的粘结长度和宽度以及混凝土的强度等级的增加而增加，而增加铝合金板表面粗糙度并未达到试验预期效果，没有随着刻痕而增加界面的极限承载力，分析原因，可能是对铝合金板表面做的处理虽然增加了粘胶面积和化学胶结力，但截面削弱处更容易产生应力集中现象，使应力最大处界面过早软化，在此处首先产生滑移，界面粘结强度降低，使试件承载力降低。

3铝合金板混凝土界面粘结滑移本构关系

铝合金板混凝土的界面粘结滑移本构曲线是铝合金板加固混凝土结构受力分析的基础，为了得到铝合金混凝土界面粘结滑移本构曲线，需要获得铝合金界面某点的剪应力和滑移量。常用的方法是通过沿粘结长度方向在铝合金板上粘贴应变片，根据相邻应变片的读数计算出局部粘结剪应力，再利用应变片的读数采用叠加的方法得到局部滑移量的大小，进而求得界面的粘结滑移关系试验曲线，图11为铝合金混凝土界面受力示意图。

由试验数据可知，铝合金板混凝土界面粘结呈现明显的非线性和界面软化行为，其中，0→τcr为直线上升段，此时，界面的粘结主要由结构胶的化学胶结力提供，滑移较小，可认为荷载产生的位移可恢复。τca→τmax段为曲线上升段，粘结界面的初始缺陷在应力集中的作用下开始扩展，削弱了界面粘结刚度。τmax→τΓ段为曲线下降段，当滑移值到s0、界面应力达到峰值，曲线开始进入下降段，此时，界面出现损伤，不能承担粘结区段释放的剪应力，承载力下降，卸载后界面的粘结刚度不可恢复。τΓ→∞段为平稳段，此阶段曲线接近于水平线，界面粘结应力几乎为零，此时，界面发生剥离。

4结论

1）铝合金板混凝土双剪试验的破坏位置主要发生在铝合金板和混凝土之间的胶层界面，并且破坏形态分为剥离和分层两种，破坏前构件没有明显征兆，属于脆性破坏。

2）铝合金板混凝土界面的受力过程是界面应力逐步从加载端向自由端传递的过程，且从应力传递区域来看，各试件均存在一个有效粘结长度值，超过该值应力即不再进行传递。

3）不同参数条件对试件界面应力的影响：粘结长度越短、粘结宽度越小、混凝土强度等级越低的试件界面应力传递速度越快;不同表面粗糙度的试件应变分布曲线规律基本保持一致，且应变大小也基本相同，说明铝合金板表面处理对试件应变分布、承载力的提高并没有实质影响。

4）不同参数条件对试件加载端与自由端相对滑移的影响：提高混凝土强度等级、增加粘结宽度，可以增加界面粘结刚度，从而使得界面相对滑移较小;粘结长度对界面粘结刚度没有太大影响，但可以增加试件的延性;对于表面粗糙度不同的试件，N类表面粘结刚度最大，G类次之，B类最小。

5）不同参数条件对试件剥离承载力和粘结强度的影响：增加粘结长度、粘结宽度、提高混凝土强度等级能够提高试件剥离承载力，尤以粘结宽度影响最为显著，而铝合金表面处理对剥离承载力并没有实质影响;增加粘结长度，粘结强度有所降低，粘结宽度和铝合金板板表面处理对粘结强度影响不大，提高混凝土强度等级，粘结强度增加。

6）通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板混凝土界面粘结滑移试验曲线，该曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。参考文献：

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（编辑胡玲）