植筋式后置設(shè)備地腳螺栓應(yīng)用及研究

張文杰

1 概述

中國石油慶陽石化公司位于慶陽市慶城縣,始建于1976年,2004年7月設(shè)備大修時,由于工期緊、任務(wù)急,水泵房更換大量設(shè)備,必須改變傳統(tǒng)的檢修辦法,所以采用陜西大唐加固技術(shù)有限公司的植筋式后置設(shè)備地腳螺栓;單就水泵房2 m×2 m×2 m 1臺設(shè)備基礎(chǔ)新的辦法和傳統(tǒng)的辦法比較,其經(jīng)濟性和功效性明顯得到大幅提高。

植筋式后置設(shè)備地腳螺栓應(yīng)用于中國煉油設(shè)備檢修,國內(nèi)還沒有相關(guān)的參考設(shè)計依據(jù),為慎重起見,在施工前設(shè)計了相關(guān)試驗進行研究。

2 試驗設(shè)計及步驟

2.1 試驗設(shè)計

植筋試驗在已經(jīng)澆筑好的2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm素混凝土塊上進行,混凝土的平均抗壓強度為 fc=38 N/m2。植入鋼筋為Ⅱ級鋼筋,選取5種不同的直徑:即φ16,φ18,φ20,φ22,φ25,對每一種直徑的鋼筋設(shè)計4種植入深度(用 he表示),即he=7d,10d,14d,18d(d為植入鋼筋直徑)。同一種直徑和深度植3根鋼筋。

為研究植入鋼筋與混凝土粘結(jié)面的剪切應(yīng)力分布,在鋼筋周邊沿植筋深度方向,每隔一定距離粘貼一個電阻應(yīng)變片(每根鋼筋3個～5個應(yīng)變片,具體視植筋深度而定),測量鋼筋沿深度方向不同部位的軸向應(yīng)變,由此推算出粘結(jié)面上測點之間的平均剪應(yīng)力分布。

2.2 試驗設(shè)備與試驗步驟

植筋試驗采用油壓千斤頂對植入鋼筋施加拉力,兩套裝置示意圖見圖1a),1b)。圖1a)為無約束式,即試驗裝置對植筋周圍混凝土無約束,便于獲得混凝土的破壞情況;而圖1b)為有約束式,即試驗裝置對植筋周圍混凝土有約束作用,混凝土不會出現(xiàn)破壞,該試驗裝置相對無約束式簡單,且試驗占用面積較小,比較靈活、方便。理論與實踐表明:當(dāng)植筋深度較深時,不會出現(xiàn)混凝土破壞,因此,為了簡便起見,本次試驗中,對植筋深度 he≥10d時采用約束式抗拔。

試驗中,鋼筋拔力采用分級施加,每級荷載為20 k N,直至破壞。每級荷載施加完畢后靜停10 min,再從應(yīng)變儀中讀取每一測點的應(yīng)變值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 植筋極限抗拔力與破壞形式

植筋試驗的極限抗拔力與破壞形式列入表1(表1中抗拔力是由3根相同直徑和深度的植筋結(jié)果平均而得),從表1中可看出:植筋呈現(xiàn)3種破壞形式。

1)混凝土錐面破壞。當(dāng)植筋深度較淺(he=7d)且采用無約束式抗拔時,由于混凝土本身的抗拔力小于鋼筋與混凝土孔壁的粘結(jié)力,出現(xiàn)混凝土錐面拔出,此時,植入鋼筋抗拔力受混凝土強度等級控制。2)鋼筋拔出。隨著植筋深度增大(對于部分鋼筋,he=10d),植筋周圍混凝土本身的抗拔力大于鋼筋與混凝土孔壁的粘結(jié)力,混凝土不再破壞,當(dāng)荷載較大時,出現(xiàn)粘結(jié)力不夠,致使鋼筋拔出。此時,植入鋼筋抗拔力受植筋深度和粘結(jié)質(zhì)量的控制。3)鋼筋頸縮后斷裂。當(dāng)植筋深度較大時(he＞10d),鋼筋與混凝土孔壁的粘結(jié)力大于鋼筋的極限強度,因此出現(xiàn)鋼筋屈服、頸縮直至斷裂的現(xiàn)象,植入鋼筋抗拔力受鋼筋極限強度的控制。

表1 植筋試驗結(jié)果表

3.2 粘結(jié)剪應(yīng)力沿植筋深度分布

從測點的應(yīng)變值可推算出兩個測點間的平均粘結(jié)剪應(yīng)力。各種直徑和不同植入深度的鋼筋在不同荷載條件下粘結(jié)剪應(yīng)力沿植筋深度的分布如圖2所示。

從圖2中可以總結(jié)剪應(yīng)力分布具有如下幾個特點:

1)荷載較小時,粘結(jié)剪應(yīng)力近似線性分布,如圖2a),2d),2e)所示,且離混凝土表層較近的部位,剪應(yīng)力較大,鋼筋端部應(yīng)力較小。

2)荷載較大且植筋深度較淺時,剪應(yīng)力分布接近均勻,如圖2b)所示。

3)荷載較大且植筋深度較深時,出現(xiàn)兩種情況:剪應(yīng)力在鋼筋端部以外的部位分布接近均勻,在端部應(yīng)力仍較小或是剪應(yīng)力在靠近混凝土表面的部位的應(yīng)力較小,而在其他部位分布接近均勻,如圖2c),2f)所示。

3.3 設(shè)計公式

根據(jù)前面的分析與總結(jié)和其他文獻里的試驗結(jié)果,推薦下面抗拔力的設(shè)計公式:

當(dāng) hc＜he＜10d+hc,抗拔力取:

其中,hc為混凝土錐的最大深度。

當(dāng)he≥10d+hc,抗拔力取he=10d+hc時的抗拔力,即10d+hc為植筋最大深度,當(dāng)植筋深度超出該值時,抗拔力不會增加。

hc通常在50 mm～80 mm之間,he＜hc的情況實際中很少遇到,因此,這里不作討論。

4 結(jié)語

植筋破壞具有三種形式:植入深度較淺時,混凝土錐面破壞;植入深度較深時,鋼筋拔出破壞;植入深度足夠深時,鋼筋拉斷破壞。達到最后一種破壞形式的植筋深度為10d+hc。