装配式构件新旧混凝土界面动态性能分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250045

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (10): 60-73.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.250045

装配式构件新旧混凝土界面动态性能分析

陈庆军¹^,²^,³, 张雨圻¹, 雷浚¹, 王英涛⁴, 姚妙金¹, 李健聪¹

^1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640
^2.华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室，广东广州 510640
^3.华南理工大学广东高校工程抗震研究中心，广东广州 510640
^4.佛山大学土木与交通学院，广东佛山 528000

收稿日期:2025-02-27 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-04-27
通信作者: 王英涛（1984—），男，博士，讲师，主要从事混凝土结构和钢-混凝土组合结构研究。 E-mail:cvwyt@fosu.edu.cn
作者简介:陈庆军（1975—），男，博士，教授，主要从事混凝土结构等研究。E-mail： qjchen@scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52178139);广东省基础与应用基础研究基金项目(2024A1515012518)

Analysis on Dynamic Performance of New-to-Old Concrete Interface in Prefabricated Members

CHEN Qingjun¹^,²^,³, ZHANG Yuqi¹, LEI Jun¹, WANG Yingtao⁴, YAO Miaojin¹, LI Jiancong¹

^1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.State Key Laboratory of Subtropical Building and Urban Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^3.Engineering Seismic Research Center of Guangdong，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^4.School of Civil Engineering and Transportation，Foshan University，Foshan 528000，Guangdong，China

Received:2025-02-27 Online:2025-10-25 Published:2025-04-27
Contact: 王英涛（1984—），男，博士，讲师，主要从事混凝土结构和钢-混凝土组合结构研究。 E-mail:cvwyt@fosu.edu.cn
About author:陈庆军（1975—），男，博士，教授，主要从事混凝土结构等研究。E-mail： qjchen@scut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52178139);the Basic and Applied Basic Research Foundation of Guangdong Province(2024A1515012518)

摘要/Abstract

摘要：

在装配式构件中，新旧混凝土界面的可靠粘结是确保二者形成整体承力体系的关键。目前国内外学者虽已针对交界面的静力性能展开了一系列研究，但结构在服役过程中常会受到车船撞击、重物冲击、自然灾害袭击等动力冲击荷载作用。因此，该文探究了装配式构件中新旧混凝土界面的动态力学性能。基于分离式霍普金森压杆试验方法共设计了210个试件，本试验的研究因素包括：平均凹槽深度、凹槽数量、界面倾斜角和新旧混凝土强度等级组合等关键参数以及界面处理方式（植筋与不植筋）。结果表明：试验的冲击气压、试件界面倾斜角度等因素对试件的破坏模式具有显著影响，可以根据破坏程度与裂缝发展特征将试件分为5类。随着冲击气压增加，不同界面倾角类型试件的应变率逐渐增大，其中20°倾角试件增幅最显著，40°与60°倾角试件增幅相近。随着应变率的增大，各试件的峰值应力都呈增大趋势。在相同的冲击气压下，凹槽深度大、凹槽数目多、新混凝土强度等级越高，界面倾角为40°的试件峰值应力相对越大。植筋能在一定条件下提高试件的峰值应力。随着应变率的增大，各试件的界面剪切应力也相应增加。混凝土强度等级组合为C1/C3和C2/C3的试件剪切应力接近，均比C1/C2的更大；界面倾角为40°试件的交界面所受剪切应力较大。此外，推导了无植筋试件中静载未开槽、静载开槽、动载开槽的界面承载力公式，与试验对比结果良好。

关键词: 装配式混凝土构件, 界面, 动态力学性能, 分离式霍普金森压杆试验

Abstract:

For prefabricated members, the reliable bonding of new-to-old concrete interface is the key to the formation of an integrated load-bearing system. Currently, both domestical and international scholars have conducted a series of studies on the static performance of the interface. However, the structures are often subjected to dynamic impact loads such as vehicle and ship collisions, heavy object impacts, and natural disasters during their service. Therefore, this paper studied the dynamic mechanical performance of the interface between new and old concrete in prefabricated structures. 210 prefabricated concrete components were investigated based on the split Hopkinson pressure bar test method. The research factors of this experiment include key parameters such as the average groove depth, the number of grooves, the interface inclination angle, and the combination of strength grades of new and old concrete, as well as the interface treatment methods (bonded rebar or not). The results indicate that factors such as the impact air pressure and the inclination angle of the specimen interface have a significant influence on the failure modes of the specimens, which can be classified into five categories based on the degree of damage and crack development characteristics. As the impact air pressure increases, the strain rate of specimens with different interface inclination angles gradually increases, with the 20° inclination angle specimens showing the most significant increase, while the 40° and 60° inclination angle specimens exhibit similar increases. With the increase in strain rate, the peak stress of all specimens shows an increasing trend. Under the same impact air pressure, specimens with a 40° interface inclination angle achieve relatively larger peak stress when the groove depth is greater, the number of grooves is higher, and the strength grade of the new concrete is increased. Bonded rebar can improve the peak stress of specimens under certain conditions. As the strain rate increases, the interface shear stress of all specimens also increases accordingly. Under the same concrete strength grade combinations, the shear stress of specimens with C1/C3 and C2/C3 is similar, both being greater than that of C1/C2. In particular, specimens with a 40°interface inclination angle exhibit higher shear stress at the interface. For specimens without bonded rebar, interface bearing capacity formulas were derived for three types: static-loaded without grooves, static-loaded with grooves, and impact-loaded with grooves. These formulas show good agreement with experimental results.

Key words: prefabricated concrete member, interface, dynamic mechanical performance, split Hopkinson pressure bar （SHPB） test

中图分类号:

TU318

陈庆军, 张雨圻, 雷浚, 王英涛, 姚妙金, 李健聪. 装配式构件新旧混凝土界面动态性能分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(10): 60-73.

CHEN Qingjun, ZHANG Yuqi, LEI Jun, WANG Yingtao, YAO Miaojin, LI Jiancong. Analysis on Dynamic Performance of New-to-Old Concrete Interface in Prefabricated Members[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(10): 60-73.

图/表 22

表1

参数汇总表"

参数	物理意义		物理意义
D	试件的直径	v	冲击速度
α	界面倾斜角	$ε ˙$	应变率
f_cu，k	立方体抗压强度标准值	f_ck	轴心抗压强度标准值
ε	应变	σ	应力
L₀	试件冲击方向的长度	S₀	试件冲击方向的横截面积
C₀	一维弹性波波速	ε_i	入射杆上的入射应变
E_G	杆件材料的弹性模量	A_G	试验装置杆件的横截面积
ε_r	入射杆上的反射应变	τ_f	交界面的剪切应力
f_d	峰值应力	ε_d	峰值应变
σ_n	交界面的法向应力	τ_a	交界面的粘结强度
μ	摩擦系数	F	竖直于试件的力
A	试件的横截面积	A_k	剪力键的根部面积
a	公式中常数项系数	b	公式中一次项系数
V	交界面的抗剪承载力	θ	承载力公式的相位角
J	冲击能量	t	时间
ε_t	透射杆上的透射应变

表1

图1

表2

图2

图3

表3

图4

图5

图6

表4

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

表5

图14

表6

表7

表8

参考文献 29

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批次	混凝土强度等级	f_cu，k/MPa	f_ck/MPa
1	C1（C30）	42.4	32.2
1	C2（C40）	59.4	45.1
2	C2（C40）	62.7	47.7
2	C3（C50）	71.4	52.6

强度组合	C12					C13					C23
强度组合	3.55 MPa	5.15 MPa	7.55 MPa	9.95 MPa	11.55 MPa	3.55 MPa	5.15 MPa	7.55 MPa	9.95 MPa	11.55 MPa	3.55 MPa	5.15 MPa	7.55 MPa	9.95 MPa	11.55 MPa
T2G3*	F2	F3	F4	F3	F4	F3	F3	F3	F4	F4	F3	F4	F4	F2 F4	F4
T2G3*	F3	F4	F4	F4	F4	F3	F3	F3	F4	F4	F3	F4	F4	F2 F4	F4
T2G3*A	F1 F2	F3	F3	F4	F4	F1 F2	F2 F3 F4	F4	F5	F5
T2G5*	F3	F3	F4	F4	F4 F5
F2G3*	F1 F2	F3 F4	F3 F4	F3 F4 F5	F4 F5	F1	F2	F3	F4 F5	F4 F5	F1	F2 F3	F3	F3 F4	F4
F4G3*	F1	F2	F4	F4	F4
F4G3*	F1	F2	F5	F5	F5
S2G3*	F1 F2	F2	F3 F4	F4 F5	F4	F1	F2	F3 F4	F3 F4	F4 F5	F1	F3	F4	F4	F3 F5
S4G3*	F1	F2	F3	F4	F4

强度组合参数	C12			C13			C23
强度组合参数	应变率/s^-1	法向应力/MPa	剪切应力/MPa	应变率/s^-1	法向应力/MPa	剪切应力/MPa	应变率/s^-1	法向应力/MPa	剪切应力/MPa
T2G3* 系列	6.06	1.33	3.67	10.67	2.82	7.74	11	2.81	7.71
	21.28	3.26	8.95	17.85	3.61	9.91	21.31	3.52	9.68
	33.76	3.55	9.76	25.97	3.96	10.87	28.42	3.88	10.66
	41.58	4.41	12.12	35.23	4.53	12.44	30.68	4.39	12.06
	45.28	5.20	14.29	40.98	4.63	12.71	40.07	4.59	12.62
F2G3* 系列	10.23	10.03	11.96	9.83	6.38	7.60	10.81	5.23	6.23
	19.56	11.78	14.04	16.53	13.98	16.66	17.09	14.15	16.86
	27.38	12.49	14.89	34.15	15.58	18.56	29.14	15.50	18.47
	34.63	13.42	16.00	36.44	16.99	20.25	39.36	18.96	22.60
	40.38	15.41	18.37	44.74	20.75	24.73	42.53	21.64	25.79
S2G3* 系列	11.06	10.54	6.08	10.97	22.90	13.22	9.38	21.12	12.19
	21.42	20.64	11.92	15.76	24.08	13.90	13.26	23.21	13.40
	28.60	25.10	14.49	26.02	27.42	15.83	22.83	26.12	15.08
	38.96	26.50	15.30	38.28	28.14	16.25	37.67	28.04	16.19
	41.93	30.79	17.78	40.78	32.63	18.84	46.35	34.28	19.79

试件	计算值/kN	实验值/kN	偏差/%
D30-J-W^［25］	1 442.97	1 467.62	-1.68
D40-J-W^［25］	1 822.11	1 960.74	-7.07
T2G3C34^［26］	93.41	97.16	-3.86
F2G3C34^［26］	97.96	95.62	2.45
SL30R1A1S^［16］	110.03	101.28	8.64
SL30R1A2S^［16］	117.53	119.34	-1.55
SL40R1A2S^［16］	134.53	135.42	-0.68

系列	a	b
#2G3C12	2.486	0.254
#2G3C13	4.737	0.237
#2G3C23	2.126	0.326
SL30系列^［16］	9.620	0.727

装配式构件新旧混凝土界面动态性能分析

Analysis on Dynamic Performance of New-to-Old Concrete Interface in Prefabricated Members

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试件编号	试件数目	界面倾角/（°）	平均凹槽深度/mm	槽数/条	混凝土强度等级组合	是否植筋
T2G3C12	15	20	2	3	C1/C2	否
T2G3C13	15	20	2	3	C1/C3	否
T2G3C23	15	20	2	3	C2/C3	否
T2G3C12A	15	20	2	3	C1/C2	是
T2G3C13A	15	20	2	3	C1/C3	是
T2G5C12	15	20	2	5	C1/C2	否
F2G3C12	15	40	2	3	C1/C2	否
F2G3C13	15	40	2	3	C1/C3	否
F2G3C23	15	40	2	3	C2/C3	否
F4G3C12	15	40	4	3	C1/C2	否
S2G3C12	15	60	2	3	C1/C2	否
S2G3C13	15	60	2	3	C1/C3	否
S2G3C23	15	60	2	3	C2/C3	否
S4G3C12	15	60	4	3	C1/C2	否

试件	计算值/kN	实验值/kN	偏差%
F2G3C12	75.32	71.56	5.25
F2G3C13	114.35	99.71	14.68
F2G3C23	109.40	100.95	8.37
T2G3C12	75.32	71.26	5.25
T2G3C13	131.22	111.44	17.75
T2G3C23	87.86	86.68	1.36
SL30R2A1V2-3^［16］	274.16	249.09	10.06
SL30R1A1V3-1^［16］	299.53	271.84	10.18
SL30R1A2V2-2^［16］	270.50	253.91	6.53
SL30R2A2V2-2^［16］	290.82	266.01	9.33

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