於秋江，唐興榮

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

混凝土結(jié)構(gòu)后植筋錨固技術(shù)在建筑物改造、擴(kuò)建、加固、維修中多有應(yīng)用，技術(shù)也逐漸成熟。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)混凝土化學(xué)植筋粘結(jié)錨固的破壞模式[1-4]、粘結(jié)錨固性能[5-6]、拉拔承載力等方面做了大量試驗(yàn)[7-8]，得出了一些有益的結(jié)論，為后植筋錨固技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。在實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固改造中往往會(huì)遇到構(gòu)件截面尺寸擴(kuò)大后再植筋的情況[9]，這時(shí)植筋錨固長(zhǎng)度要穿越兩種不同強(qiáng)度的混凝土基體，目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)不同混凝土基體與植筋的粘結(jié)錨固性能研究方面的文獻(xiàn)。

為了研究不同混凝土基體與植筋的粘結(jié)錨固性能，以植筋的錨固長(zhǎng)度、植筋的錨固長(zhǎng)度比系數(shù)等為設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了14個(gè)不同混凝土基體單筋植筋試件，并進(jìn)行了不同混凝土基體單筋植筋試件的拉拔試驗(yàn)，對(duì)不同混凝土基體與植筋的粘結(jié)錨固性能進(jìn)行了分析。在試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，建立不同混凝土基體植筋拉拔承載力的計(jì)算模型和計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究不同混凝土基體與植筋的粘結(jié)錨固性能，以植筋錨固長(zhǎng)度（la）和植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ（ξ=lb/lu，其中，lu為植筋在上層混凝土基體中的錨固長(zhǎng)度，lb為植筋在下層混凝土基體中的錨固長(zhǎng)度）為設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了14個(gè)不同混凝土基體單筋植筋試件，其中試件CSPB1-4d、CSPB2-5d、CSPB3-6d變化植筋錨固長(zhǎng)度（la）；試件CSPB1-6d、CSPB2-6d、CSPB3-6d變化植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)（ξ=0.50、0.20、0）；試件CSPB1-7.5d、CSPB2-7.5d、CSPB3-7.5d變化植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)（ξ=0.875、0.50、0.25）；試件CSPB1-8d、CSPB2-8d、CSPB3-8d變化植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)（ξ=1.00、0.60、0.33）；試件CSPB1-9d、CSPB2-9d、CSPB3-9d變化植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)（ξ=1.25、0.80、0.50）。為了與實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件相一致，不同混凝土基體的上層采用C60灌漿料，下層采用C35混凝土。不同混凝土基體的幾何尺寸均為800 mm×240 mm×1 800 mm，其中A組上層灌漿料厚度hu=80 mm，下層混凝土厚度hb=160 mm；B組上層灌漿料厚度hu=100 mm，下層混凝土厚度hb=140 mm；C組上層灌漿料厚度hu=120 mm，下層混凝土厚度hb=120 mm。

所有試件的植筋鋼筋均為直徑20mmHRB400級(jí)鋼，植筋膠層厚度均為3 mm，鉆孔直徑均為26 mm。植筋膠采用上海HM-500改性環(huán)氧注射式植筋膠。各試件的幾何尺寸和配筋見(jiàn)表1所列和圖1所示。

圖1 各試件幾何尺寸及配筋

表1 各試件幾何尺寸及配筋

1.2 材料性能

植筋鋼筋采用HRB400級(jí)鋼，實(shí)測(cè)鋼筋屈服強(qiáng)度平均值435.5 MPa，極限強(qiáng)度平均值670.5 MPa，彈性模量206 400 MPa；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35，采用商品混凝土（配合比為水泥∶水∶砂∶石=1∶0.53∶2.46∶3.63），實(shí)測(cè)立方體（150 mm×150 mm×150 mm）抗壓強(qiáng)度平均值33.3 MPa、棱柱體抗壓強(qiáng)度平均值25.8 MPa，彈性模量30 356 MPa；灌漿料設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60，采用南京翰德特種建材有限公司生產(chǎn)的H-40水泥基豆石型灌漿料，水料比按照12%進(jìn)行配比，實(shí)測(cè)立方體（100 mm×100 mm×100 mm）抗壓強(qiáng)度平均值為65.2 MPa。植筋膠采用上海HM-500改性環(huán)氧注射式植筋膠，植筋膠的性能見(jiàn)表2所列。

表2HM-500改性環(huán)氧注射式植筋膠 MPa

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1.3 試件制作

按設(shè)計(jì)圖紙，先澆筑下層基體混凝土（hb），待混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，再澆筑上層基體灌漿料（hu），待灌漿料養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行植筋。植筋的施工工藝：定位—鉆孔—清孔—注膠—植筋—養(yǎng)護(hù)，由蘇州中固建筑科技有限公司制作。為了增強(qiáng)上、下基體混凝土結(jié)合面間的粘結(jié)力，在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置豎向箍筋穿過(guò)結(jié)合面，在施工時(shí)將下層混凝土基體表面充分打毛，并用毛刷清理結(jié)合面。

1.4 加載裝置及加載制度

加載裝置采用的拉拔加載裝置[10]（專利號(hào)CN201921401297.7），可以實(shí)現(xiàn)單筋和多筋植筋拉拔試驗(yàn)，加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2 加載裝置

加載制度：峰值荷載前采用荷載控制加載，荷載增量ΔP約為預(yù)估峰值荷載的2%；峰值荷載后改為位移控制加載，通過(guò)控制液壓千斤頂?shù)募虞d桿數(shù)，基本保證每次加載位移相同，直至拉拔試驗(yàn)結(jié)束。

1.5 測(cè)量?jī)?nèi)容及測(cè)試方式

（1）拉拔荷載值:采用500 kN液壓千斤頂及配套的載荷儀（WH-1000型）測(cè)讀，在試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)液壓千斤頂和載荷儀配套標(biāo)定。

（2）植筋鋼筋應(yīng)變：在植筋鋼筋上黏貼應(yīng)變片，以測(cè)量拉拔加載過(guò)程中植筋應(yīng)變的變化規(guī)律；

（3）混凝土基體表面位移：在植筋兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)①測(cè)讀混凝土基體表面位移；

（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)②測(cè)讀植筋的位移；

（5）植筋端部的位移：在植筋的端部布置1個(gè)位移計(jì)③，測(cè)讀植筋端部位移；

（6）加載板頂部的位移：在加載板的頂部對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)④，測(cè)讀加載板的位移。

位移計(jì)的布置見(jiàn)圖2，所有應(yīng)變片及位移計(jì)均通過(guò)DN3821NET型號(hào)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集儀采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各試件主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 各試件主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)及分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同混凝土基體植筋拉拔破壞形態(tài)均為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 各試件最終破壞形態(tài)

（1）植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ=0。試件CSPB1-4d、CSPB2-5d和CSPB3-6d的植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ=0，即錨固長(zhǎng)度均在上層混凝土基體內(nèi)。試件拉拔破壞時(shí)，試件植筋均未達(dá)到其屈服應(yīng)變。其他條件相同，植筋錨固長(zhǎng)度越大，植筋與混凝土基體界面的接觸面積增大，試件的峰值拉拔荷載也越大。

（2）植筋錨固長(zhǎng)度6d。試件CSPB1-6d、CSPB2-6d和CSPB3-6d的錨固長(zhǎng)度為6d，錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ分別為0.50、0.20、0.00，峰值拉拔荷載（Pm）分別為116.40、110.3和106.0 kN；不同混凝土基體表面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫時(shí)的拉拔荷載值分別為峰值的80.76%、78.88%和75.47%。試件峰值拉拔荷載時(shí)，除試件CSPB2-6d植筋達(dá)到屈服應(yīng)變外，其余植筋應(yīng)變小于其屈服應(yīng)變?？梢?jiàn)，植筋錨固長(zhǎng)度（la=6d）一定，隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ增大，試件基體表面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫的拉拔荷載及峰值拉拔荷載逐漸提高。

（3）植筋錨固長(zhǎng)度7.5d。試件CSPB1-7.5d、CSPB2-7.5d和CSPB3-7.5d的錨固長(zhǎng)度（la）為7.5d，植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ分別為0.875、0.50、0.25，各試件發(fā)生植筋屈服后的錐體-粘結(jié)滑移破壞。在植筋錨固長(zhǎng)度一定時(shí)，各試件混凝土基體表面出現(xiàn)環(huán)向裂縫時(shí)的拉拔荷載、峰值拉拔荷載Pm隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ增大而增大。

（4）植筋錨固長(zhǎng)度8d。試件CSPB1-8d、CSPB2-8d和CSPB3-8d植筋錨固長(zhǎng)度（la）均為8d，錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ分別為1.00、0.60、0.33。各試件發(fā)生植筋屈服后的錐體-粘結(jié)滑移破壞。試件CSPB1-8d基體表面先出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，后發(fā)生植筋屈服，而試件CSPB2-8d和CSPB3-8d在植筋屈服后，基體表面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫。在植筋錨固長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ的增大，試件的峰值拉拔荷載隨之增大。

（5）植筋錨固長(zhǎng)度9d。試件CSPB1-9d、CSPB2-9d和CSPB3-9d植筋的錨固長(zhǎng)度9d，錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ分別為1.25、0.80、0.50。各試件發(fā)生植筋屈服后的錐體-粘結(jié)滑移破壞。試件CSPB3-9d基體表面先出現(xiàn)環(huán)狀裂縫，后發(fā)生植筋屈服，而試件CSPB1-9d和CSPB2-9d在植筋屈服后，基體表面出現(xiàn)環(huán)狀裂縫。在植筋錨固長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ的增大，試件的峰值拉拔荷載隨之增大。

2.2 植筋的荷載-位移曲線分析

圖4給出了一定植筋錨固長(zhǎng)度，不同錨固長(zhǎng)度比系數(shù)下各試件鋼筋端部拉拔荷載-位移曲線（P-δ）。由圖4可見(jiàn)，植筋端部拉拔荷載-位移曲線可以分為三個(gè)階段，第一階段為彈性粘結(jié)段，加載初期，拉拔荷載與位移曲線呈線性變化，植筋與不同強(qiáng)度混凝土界面粘結(jié)力以化學(xué)粘結(jié)力為主，植筋的極限彈性拉拔荷載隨植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ的增大而逐漸提高。極限彈性拉拔荷載后，隨著荷載加載的增大，拉拔荷載-位移曲線呈非線性關(guān)系，植筋的位移增量比荷載增量要大，植筋與不同強(qiáng)度混凝土界面粘結(jié)力主要以機(jī)械咬合力為主，峰值拉拔荷載隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)的增大而增大；峰值拉拔荷載后，植筋與不同混凝土界面的粘結(jié)力以摩擦力為主，粘結(jié)應(yīng)力明顯減小，致使拉拔荷載降低，植筋位移明顯增大。

圖4 各試件植筋端部P-δ曲線

2.3 拉拔承載力分析

圖5分別給出了植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ=0、ξ=0.5時(shí)，植筋峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度關(guān)系（Pm-la）。試件CSPB1-4d、試件CSPB2-5d和試件CSPB3-6d的峰值拉拔荷載分別為77.4、78.9和106.0 kN；當(dāng)植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ=0時(shí)，植筋錨固于上層混凝土基體中，峰值拉拔荷載隨著植筋錨固長(zhǎng)度增大而提高。

圖5 Pm-la關(guān)系曲線

圖6給出了不同錨固長(zhǎng)度時(shí)，峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度比系數(shù)關(guān)系（Pm-ξ）。在植筋錨固長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ的增大，峰值拉拔荷載Pm大致呈線性提高。這是由于基體上層混凝土強(qiáng)度等級(jí)大于下層混凝土，出現(xiàn)錐體-粘結(jié)破壞時(shí)，錐體高度較小，同時(shí)，上層混凝土對(duì)下層混凝土具有約束作用，會(huì)增加植筋與混凝土界面的粘結(jié)力。

圖6 不同錨固長(zhǎng)度時(shí)Pm-ξ關(guān)系曲線

圖7給出了各試件峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度比系數(shù)關(guān)系（Pm-ξ），圖8給出了各試件峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度關(guān)系（Pm-la）。由圖7和圖8可見(jiàn)，不同強(qiáng)度混凝土基體植筋峰值拉拔荷載（Pm）與植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ大致呈線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.734 1），與植筋錨固長(zhǎng)度呈線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.941 9）。

圖7 各試件峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度比系數(shù)關(guān)系（Pm-ξ）

圖8 各試件峰值拉拔荷載與錨固長(zhǎng)度關(guān)系（Pm-la）

3 不同混凝土基體植筋拉拔承載力計(jì)算

試驗(yàn)表明，所有不同混凝土基體植筋拉拔試驗(yàn)均發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞。發(fā)生錐體-粘結(jié)破壞時(shí)，不同強(qiáng)度混凝土基體植筋拉拔承載力計(jì)算模型見(jiàn)圖9。

圖9 不同混凝土基體單筋植筋錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞計(jì)算模型

基本假定如下：

（1）上層混凝土基體與下層混凝土基體結(jié)合界面共同工作；

（2）基體混凝土破壞錐體發(fā)生在上層混凝土基體；

（3）錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞時(shí)，植筋拉拔承載力由三部分組成：植筋與上層混凝土基體錐體部分承受的拉力Pu（x0）、植筋與上層混凝土基體界面粘結(jié)力Pu（hu-x0）和植筋與下層混凝土基體界面粘結(jié)力Pb（la-hu），即

3.1 Pu（x0）計(jì)算

考慮上層混凝土錐體抗拉強(qiáng)度降低系數(shù)α，即破壞錐面上層混凝土抗拉強(qiáng)度取αft，u，則錐體破壞時(shí)的拉拔力

式中，Ac，u（x0）為錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞時(shí)，混凝土錐體的水平投影面積，按式（3）計(jì)算；x0為拉拔承載力取最小值時(shí)混凝土錐體高度，按式（4）計(jì)算；D為植筋孔直徑；ft，u為上層混凝土基體軸心抗拉強(qiáng)度；α為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度降低系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，取0.7；θ為混凝土錐面與水平面的夾角，根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，θ的平均值為17.15°，錐體錐角計(jì)算值取具有95%保證率的錐角值：θ=θ+1.645σ=23.41°，故錐體錐角計(jì)算值θ=23.41°

3.2 Pu（hu-x0）計(jì)算

假定植筋膠與上層混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力為均勻分布，則植筋與上層混凝土基體界面粘結(jié)力

式中，τu為上層混凝土基體與植筋膠界面的平均粘結(jié)應(yīng)力，由試驗(yàn)確定。

試件CSPB1-4d、試件CSPB2-5d、試件CSPB3-6d的錨固長(zhǎng)度比系數(shù)ξ=0，即錨固長(zhǎng)度均位于上層混凝土基體內(nèi)，其平均粘結(jié)應(yīng)力τu=10.81 MPa.

3.3 Pb（la-hu）計(jì)算

植筋與下層混凝土基體界面粘結(jié)力可表示為

式中，τb為植筋膠與下層混凝土界面的平均粘結(jié)力，按下式計(jì)算

式中，ft，u為上層混凝土軸心抗拉強(qiáng)度；ft，b為下層混凝土軸心抗拉強(qiáng)度；τu為植筋膠層與上層混凝土界面平均粘結(jié)應(yīng)力，k為系數(shù)，由試驗(yàn)確定。

則式（6）可表示為

將式（2）、式（5）、式（8）代入式（1）可得

對(duì)于上層灌漿料混凝土，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可得，灌漿料混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t，u=0.37×（fcu，u）（2/3），fcu，u（150）=0.82×fcu，u（100）（注：150是指混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，100是指混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，當(dāng)時(shí)做的試件為非標(biāo)試件）；對(duì)下層混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t，b=0.395×（fcu，b）0.55。

根據(jù)本次試驗(yàn)，確定系數(shù)k的平均值為2.10，代入式（9）可得不同混凝土基體植筋拉拔承載力表達(dá)式

表4給出了本次試驗(yàn)11個(gè)試件按式（10）計(jì)算值與試驗(yàn)值比較。

由表4可見(jiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)值比值（Pu，scal/Pu，stest）平均值為0.997，離散系數(shù)為0.04，計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好，可以作為不同混凝土基體植筋拉拔承載力的計(jì)算公式。

表4 不同混凝土基體植筋拉拔承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值比較

4 主要結(jié)論

（1）所有不同混凝土基體單筋植筋試件拉拔破壞均發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，建議承載力計(jì)算時(shí)，錐面與水平面的夾角可取具有一定保證率（95%）時(shí)的值。

（2）其它條件相同，不同混凝土基體單植筋拉拔承載力隨植筋錨固長(zhǎng)度比系數(shù)的增大大致呈線性增大。

（3）其他條件相同，不同混凝土基體單植筋拉拔承載力隨著植筋錨固長(zhǎng)度的增大呈線性增大。

（4）基于試驗(yàn)結(jié)果分析，建立了不同混凝土基體單植筋拉拔承載力計(jì)算模型和計(jì)算公式，公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好，可以作為不同混凝土基體單植筋拉拔承載力的計(jì)算公式。