無機(jī)錨固材料植筋群錨效應(yīng)試驗(yàn)研究

梁玉國(guó)，魯曉琳，宋麗娟

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.河北省建筑科學(xué)研究院，河北石家莊 050021；3.河北體育學(xué)院，河北石家莊 050000；4.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

植筋錨固技術(shù)，即在已有混凝土結(jié)構(gòu)上根據(jù)設(shè)計(jì)在相應(yīng)位置進(jìn)行鉆孔，采用專用的植筋錨固料將新增鋼筋與混凝土基體牢固粘結(jié)，共同受力，使所植鋼筋發(fā)揮設(shè)計(jì)所期望的性能。

植筋技術(shù)以其設(shè)計(jì)靈活、定位準(zhǔn)確及施工方便等特點(diǎn)在建筑物的加固、改造工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用［1］。目前在中國(guó)所使用的植筋錨固料大致可分為有機(jī)錨固料和無機(jī)錨固料，與有機(jī)錨固料相比，無機(jī)錨固料強(qiáng)度的熱穩(wěn)定性、抗?jié)B性、護(hù)筋性好，且耐老化性與混凝土結(jié)構(gòu)相一致。因而無機(jī)錨固料在植筋工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。在建筑改造加固工程中進(jìn)行的植筋通常為在一定范圍內(nèi)植入多根鋼筋，然而關(guān)于采用無機(jī)錨固料植筋的研究還較少，且多是針對(duì)單根植筋性能的研究［2-4］，如高天寶等在不同強(qiáng)度等級(jí)（C15～C40）的混凝土基體上植入不同深度、不同植筋的鋼筋，得出了單根植筋的幾種破壞形態(tài)（鋼筋拉斷、鋼筋拔出、混凝土錐形破壞、復(fù)合破壞），導(dǎo)出了單根植筋的基本錨固長(zhǎng)度公式。然而對(duì)于工程實(shí)際所采用的群錨植筋的研究很少，因而有必要對(duì)雙筋和多筋的錨固性能進(jìn)行研究。本文對(duì)單根、雙根、三根、四根、五根植筋進(jìn)行了單向拉拔試驗(yàn)研究，分析了單錨和群錨承載力、破壞特征等性能，得出了群錨效應(yīng)折減系數(shù)。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，試驗(yàn)鋼筋采用HRB335級(jí)螺紋鋼筋，鋼筋直徑為12mm，鋼筋植入深度為10d（d為所植入鋼筋直徑），試驗(yàn)所用錨固料為北京奧泰利CGM無機(jī)錨固料。為了避免混凝土基體在運(yùn)輸過程中發(fā)生斷裂，試件按構(gòu)造配適量鋼筋，同時(shí)為減小箍筋對(duì)植筋抗拉強(qiáng)度的影響，箍筋頂部斷開，試件混凝土基體尺寸及配筋如圖1所示。本文對(duì)單根、雙根、三根、四根和五根植筋共5組試件進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，每一組做3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共植筋45根。植入鋼筋平面布置圖見圖2。

圖1 混凝土基體尺寸及配筋Fig.1 Dimension and reinforcement design of original concrete

圖2 植入鋼筋平面布置圖Fig.2 Plan of bonded rebars

單錨加載裝置見圖3a）、圖3d），2～4根錨筋加載裝置見圖3b）、圖3d），5根錨筋加載裝置見圖3c）、圖3d）。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Loading system

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 各試件的p-f曲線

各試件的p-f曲線見圖4。

圖4 各試件的p-f曲線圖Fig.4 p-fcurve of every sample

在試驗(yàn)鋼筋的根部安放位移傳感器（量程50 mm），以測(cè)出鋼筋的滑移。壓力傳感器連接到錨具和千斤頂之間，以測(cè)出拉拔力。本試驗(yàn)加載過程如下：初加載10kN，位移計(jì)調(diào)零，以抵消錨固件和夾具的位移，然后分級(jí)加載，每級(jí)5kN，直至錨固破壞。

初始荷載時(shí)，荷載-位移近似為線性關(guān)系，此時(shí)界面間連接完好，未出現(xiàn)破壞。隨著荷載的增大，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，并達(dá)到極限值，在此階段混凝土出現(xiàn)錐形破壞，界面間發(fā)生粘結(jié)破壞，鋼筋滑移量增大。在承載力達(dá)到極限值后，隨著植入鋼筋應(yīng)變的增加，結(jié)構(gòu)膠與鋼筋間化學(xué)粘結(jié)力逐漸破壞。在植筋被拔出的過程中，破壞面間的機(jī)械咬合力和摩擦力起作用，所以滑移急劇增大（由于位移增加過快，試驗(yàn)過程中未能記錄此段）。

2.2 試件抗拉承載力分析

各試件抗拉承載力見表1及圖5。

表1 各試件的承載力表Tab.1 Bearing capacity results of every sample

圖5 各試件的承載力圖Fig.5 Bearing capacity results of every sample

通過表1及圖5可以看到，在群錨拉拔試驗(yàn)中，群錨承載力不為單錨承載力與植筋數(shù)量的乘積，而是會(huì)有一定的折減，這是由于錨筋周圍的混凝土?xí)霈F(xiàn)應(yīng)力重疊所致。現(xiàn)就C20混凝土基體上植入直徑12mm的HRB335級(jí)螺紋鋼筋，植入深度為10d時(shí)的群錨承載力進(jìn)行分析。雙根、三根、四根總承載力增長(zhǎng)明顯，而五根植筋的總承載力與四根植筋總承載力基本持平，通過總承載力曲線的走勢(shì)，可以預(yù)測(cè)在一定的面積內(nèi)加大植入鋼筋數(shù)量不一定能增大承載力。通過平均每根鋼筋承載力曲線及表1中折減系數(shù)一欄可得出：隨著植筋數(shù)量的增加，平均每根鋼筋的承載力呈下降趨勢(shì)，鋼筋發(fā)揮作用較小。

綜上所述，可得出結(jié)論：在一定面積內(nèi)，在一定程度上增加植入鋼筋數(shù)量可以增大植筋的總受拉承載力，當(dāng)植入鋼筋數(shù)量增大到一定程度，總受拉承載力將不再增加。

2.3 各試件的破壞形態(tài)分析

本試驗(yàn)中植筋的破壞形態(tài)主要有如下3種。

1）鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度，植筋拉斷破壞；

2）粘結(jié)破壞（主要為鋼筋與無機(jī)錨固料間的粘結(jié)破壞）；

3）復(fù)合破壞（上部混凝土錐體破壞，下部沿結(jié)構(gòu)膠、混凝土界面拔出）。

在單根植筋中，主要發(fā)生植筋拉斷破壞和復(fù)合破壞，與高天寶、曹稹試驗(yàn)得出的破壞形態(tài)基本一致［5-6］；在雙根和三根植筋中，主要發(fā)生植筋與無機(jī)錨固材料間的粘結(jié)破壞和復(fù)合破壞；在四根植筋和五根植筋中主要發(fā)生復(fù)合破壞。在雙根植筋中，兩根植筋周圍的混凝土?xí)a(chǎn)生應(yīng)力重疊，在兩根植筋中間的混凝土?xí)a(chǎn)生垂直植筋連線的裂縫。在三根、四根、五根植筋中，混凝土基體產(chǎn)生明顯的輻射狀裂縫，發(fā)生群錨破壞。

3 結(jié) 論

通過對(duì)錨固深度為10d，混凝土基體強(qiáng)度為C20，植筋為采用HRB335級(jí)螺紋鋼筋，采用無機(jī)錨固材料錨固的不同數(shù)量的鋼筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，通過試驗(yàn)現(xiàn)象與對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出如下結(jié)論。

1）多根植筋的抗拉承載力小于單根植筋承載力與植筋數(shù)量的乘積，而是會(huì)有一定的折減，稱之為群錨效應(yīng)折減系數(shù)。本試驗(yàn)中雙根植筋折減系數(shù)為0.71，三根植筋折減系數(shù)為0.55，四根植筋折減系數(shù)為0.51，五根植筋折減系數(shù)為0.41。

2）在一定的面積內(nèi)，隨著植筋數(shù)量的增加，對(duì)提高其抗拉極限承載力有一定的作用，當(dāng)超過一定數(shù)量后（本試驗(yàn)中為4根），承載力基本不再增加。

3）當(dāng)在一定面積內(nèi)，植筋達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，多發(fā)生復(fù)合破壞，混凝土基體產(chǎn)生明顯的輻射狀裂縫，發(fā)生群錨破壞。

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