高天寶 史文利

植筋技術(shù)即是在原有混凝土結(jié)構(gòu)上通過(guò)鉆孔、注膠、植筋與新增結(jié)構(gòu)相連。其工藝簡(jiǎn)單、操作方便、錨固力大、安全可靠,因而廣泛應(yīng)用于建筑物的加固改造工程中。當(dāng)前,化學(xué)植筋技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,雖然有機(jī)膠的力學(xué)性能較好,但其防火性能較差。文獻(xiàn)[1]指出:作為一種有機(jī)材料,環(huán)氧樹(shù)脂在36℃以上強(qiáng)度開(kāi)始下降,300℃以上完全損壞,顯然這種材料不宜作為鋼筋錨固灌漿材料使用。植筋錨固施工中也曾有這樣的反映,采用環(huán)氧樹(shù)脂錨固植筋在錨筋根部焊接時(shí),硬化后的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿受熱后由水平錨孔內(nèi)軟化流出。無(wú)機(jī)錨固料則彌補(bǔ)了這一缺陷,且其價(jià)格較低,因而具有良好的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

考慮到基體混凝土強(qiáng)度對(duì)無(wú)機(jī)料植筋拉拔力的影響,本試驗(yàn)共做強(qiáng)度等級(jí)為C20,C30,C40的混凝土試件3組。試件采用邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件及正常配筋的鋼筋混凝土梁。試驗(yàn)采用HRB335鋼筋,鋼筋直徑分別為12,14,16,鋼筋的植入深度分別為3d,5d,7d。

1.2 加載、測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用的拉拔試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)直接測(cè)得的數(shù)據(jù)是鋼筋拉力及鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移,平均粘結(jié)強(qiáng)度按式(1)計(jì)算:

加載時(shí),試件的加載端混凝土?xí)艿骄植繑D壓,與結(jié)構(gòu)中鋼筋端部附近的應(yīng)力狀態(tài)差別較大,影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。因此,試件加載端的局部鋼筋應(yīng)該與周?chē)炷撩摽?。本試?yàn)在植筋時(shí),利用細(xì)鋼絲掏空了加載端10 mm范圍內(nèi)的膠體。加載制度:采用分級(jí)加載。在加載初期,每級(jí)加載值為預(yù)計(jì)破壞荷載的10%～20%;在加載到預(yù)計(jì)荷載的80%后,每級(jí)加載值減小為預(yù)計(jì)破壞荷載的5%～10%;試件破壞后,每級(jí)加載值為破壞荷載的10%～20%,當(dāng)加載值減小到破壞荷載的1/4～1/3時(shí),終止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 植筋的基體為立方體試塊且植入深度為3d時(shí)的試驗(yàn)分析

開(kāi)始加荷時(shí),在加荷端即可測(cè)得鋼筋與混凝土的相對(duì)滑移,在0.5倍～0.6倍的極限荷載以前,滑動(dòng)量與粘結(jié)應(yīng)力近乎直線關(guān)系,如圖2所示。當(dāng)荷載達(dá)到0.5倍～0.6倍的極限荷載以后,滑移量明顯呈曲線增長(zhǎng)。荷載達(dá)到0.8倍～0.9倍的極限荷載以后,滑移量迅速增大,當(dāng)滑移量達(dá)到1.0 mm～2.0 mm時(shí),粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到極限值τu。此后,粘結(jié)應(yīng)力隨滑移的增大而較快的減小,形成τ—s曲線的下降段。最終,鋼筋從混凝土中被徐徐拔出,表面上帶有少量膠體或磨碎的膠體粉渣。

2.2 植筋的基體為立方體試塊且植入深度為5d和7d時(shí)的試驗(yàn)分析

加載初期,τ—s曲線與植入深度為3d時(shí)相同,也是先呈線性關(guān)系,然后為較明顯的非線性關(guān)系,如圖3所示。但是,當(dāng)加載至極限荷載時(shí)并未出現(xiàn)滑移量隨荷載迅速增大的現(xiàn)象,荷載卻出現(xiàn)了急劇減小,同時(shí),混凝土試塊發(fā)生豎向劈裂,一般為2塊～3塊。

2.3 植筋的基體為有橫向配筋梁時(shí)的試驗(yàn)分析

加載初期,τ—s曲線與以上兩種情況相同,也是先呈線性關(guān)系,然后為較明顯的非線性關(guān)系。所不同的是,當(dāng)達(dá)到極限荷載后,曲線的下降段下降比較平緩。這是因?yàn)楫?dāng)試件混凝土內(nèi)出現(xiàn)裂縫后,試件的橫向配筋約束了裂縫的開(kāi)展,提高了摩阻力。

3 影響粘結(jié)錨固性能的因素

1)混凝土強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)短埋長(zhǎng)試件試驗(yàn)結(jié)果的分析,植筋的極限粘結(jié)應(yīng)力隨基體混凝土強(qiáng)度的增大而增大。

2)保護(hù)層厚度。當(dāng)鋼筋植在邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試塊上且植入深度為5d和7d時(shí),拉拔破壞現(xiàn)象為立方體試塊出現(xiàn)豎向劈裂,此時(shí)的相對(duì)保護(hù)層厚度c/d=4.2～5.8,這一結(jié)果與文獻(xiàn)[2][3]中提到的傳統(tǒng)鋼筋混凝土的結(jié)果非常吻合。增加保護(hù)層混凝土厚度,可以提高外圍混凝土的劈裂抗力,因而使開(kāi)裂粘結(jié)應(yīng)力和極限粘結(jié)強(qiáng)度均有相應(yīng)地提高。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土相同,植筋試件的保護(hù)層厚度c/d＞5～6后,試件不再是劈裂破壞,而是鋼筋的拔出破壞,植筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度不再隨保護(hù)層厚度的增大而增大。

3)橫向配筋。有橫向配筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度比無(wú)橫向配筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度有一定程度的提高。達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度后,有橫向配筋試件表現(xiàn)了較好的粘結(jié)延性,在粘結(jié)應(yīng)力降低不多的情況下,容許有較大的相對(duì)滑動(dòng)出現(xiàn),τ—s曲線下降平緩。

4)鋼筋直徑。鋼筋直徑對(duì)植筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響較小,但是對(duì)滑移值有影響,即鋼筋直徑較大時(shí),達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)的滑移量也較大。由文獻(xiàn)[4]可知,鋼筋直徑的影響主要表現(xiàn)在破壞形態(tài)上,即植入深度較小(10d)時(shí),直徑較小(如直徑為12 mm)的鋼筋都進(jìn)入了其屈服強(qiáng)度,而且大部分達(dá)到了極限強(qiáng)度,甚至被拉斷;直徑較大(如直徑為20 mm,22 mm)的鋼筋被拔出或混凝土出現(xiàn)錐形體破壞,沒(méi)有明顯的預(yù)兆,呈脆性破壞。

5)加載方式。由前面的試驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)力特性分析可知,加載方式對(duì)植筋的極限拉拔力具有較大影響,重復(fù)荷載下,植筋的極限拉拔力約為直接拔出鋼筋的80%,而且在這種情況下,極限粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量減小。

6)其他影響因素。橫向壓應(yīng)力:可使膠與混凝土界面和膠與鋼筋界面的摩阻力增大,有利于粘結(jié)錨固;鋼筋的植入深度:植入深度越大,則受力后的粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻,試件破壞時(shí)的平均粘結(jié)強(qiáng)度與實(shí)際最大粘結(jié)應(yīng)力的比值越小,故試驗(yàn)粘結(jié)強(qiáng)度隨植入深度的增加而降低;影響因素還有試驗(yàn)鋼筋反向壓力作用、基體混凝土質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于植筋在拉拔力作用下會(huì)發(fā)生滑移,結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果,植筋檢驗(yàn)宜采用雙控。

1)用專(zhuān)用拉拔設(shè)備檢驗(yàn)植筋抗拔力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,如設(shè)計(jì)人員無(wú)明確要求,則檢驗(yàn)荷載為鋼筋的設(shè)計(jì)值,以加荷至控制荷載時(shí)所植鋼筋不被拔出為合格。2)檢驗(yàn)植筋拉拔力時(shí)同時(shí)測(cè)量其加載端的滑移量,測(cè)量時(shí)應(yīng)在鋼筋兩邊對(duì)稱(chēng)布置兩塊百分表,以消除因鋼筋傾斜而造成的量測(cè)誤差。以達(dá)到鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的80%時(shí),滑移量小于0.3 mm為合格。

[1] 孫金墀.混凝土結(jié)構(gòu)植筋錨固芻議[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(1):26-30.

[2] 王傳志,滕智明.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1985.

[3] 過(guò)鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[4] 高天寶,史文利,楊樹(shù)標(biāo),等.混凝土無(wú)機(jī)料植筋拉拔試驗(yàn)研究[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(1):36-38.

[5] 周新剛.混凝土植筋錨固性能分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(7):1169-1173.