混凝土結(jié)構(gòu)多筋植筋的錨固性能試驗(yàn)研究

趙 軍，唐興榮，劉啟真

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

近年來(lái)，后植筋錨固技術(shù)在建筑改造、結(jié)構(gòu)加固等實(shí)際工程中得到較為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同規(guī)格結(jié)構(gòu)膠的植筋錨固粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析；但比較多的是對(duì)單筋植筋錨固性能進(jìn)行研究[1-5],對(duì)多筋植筋錨固性能的研究還不多，對(duì)單筋、雙筋、三筋、四筋和五筋同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)性地拉拔試驗(yàn)研究更不常見[6-10]，且目前有關(guān)規(guī)范僅對(duì)植筋深度做了規(guī)定，沒有明確規(guī)定群錨效應(yīng)對(duì)多筋植筋拉拔承載力的折減系數(shù)。因此，有必要開展多筋植筋錨固性能的對(duì)比研究，探討混凝土結(jié)構(gòu)多筋植筋的拉拔破壞形式及錨固性能。本文主要研究了多筋植筋錨固性能，并在試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮群錨效應(yīng)影響的多筋植筋錨固承載力的計(jì)算公式，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

以植筋鋼筋數(shù)目為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了單筋、雙筋、三筋、四筋和五筋植筋試件，同時(shí)還設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)埋試件進(jìn)行對(duì)比。其中，試驗(yàn)的植筋深度la均為10d（d為植筋鋼筋直徑），植筋鋼筋之間的錨固間距S為100 mm。采用650 mm×300 mm×2 600 mm混凝土塊為基材，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35，所有試件的植筋鋼筋均為HRB400級(jí)鋼，直徑均為16 mm。植筋膠采用杭州鑫球科技有限公司生產(chǎn)的XQ360E雙組份環(huán)氧注射式植筋膠。各試件的設(shè)計(jì)參數(shù)和配筋見表1所列和圖1所示；各材料力學(xué)性能如下。

植筋鋼筋：屈服強(qiáng)度435.5 MPa，極限強(qiáng)度670.5 MPa，彈性模量203 000 MPa；

混凝土基材：立方體抗壓強(qiáng)度33.3 MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度26.4 MPa，彈性模量30 831 MPa；

XQ360E雙組份環(huán)氧植筋膠：劈裂抗拉強(qiáng)度≥8.5 MPa，抗彎強(qiáng)度≥50 MPa，抗壓強(qiáng)度≥60 MPa，鋼對(duì)鋼拉伸抗剪強(qiáng)度≥10 MPa，約束拉拔條件下帶肋鋼筋與混凝土（C30）粘結(jié)強(qiáng)度≥11 MPa。

表1 各試件設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)主要結(jié)果

圖1 多筋植筋鋼筋布置圖

1.2 植筋錨固的施工工藝

植筋錨固的施工工藝：鉆孔→清洗→注膠→植筋。成孔后采用專用膠槍從孔底部注射雙組份環(huán)氧植筋膠，植筋膠面距試件表面約1/4埋置深度，將準(zhǔn)備好的植筋鋼筋慢慢旋入孔中，待植筋膠從孔邊溢出，并清理多余植筋膠，植筋錨固施工結(jié)束。植筋后室外養(yǎng)護(hù)3 d即可進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

1.3 加載裝置及加載方式

試驗(yàn)為無(wú)約束靜力單向拉拔試驗(yàn)，采用液壓千斤頂加壓和自制反力架進(jìn)行加載試驗(yàn)。傳力路徑為液壓千斤頂→加載頂板→加載拉桿→加載底板→預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋→植筋鋼筋。加載裝置見圖2。

正式開始加載之前進(jìn)行預(yù)加載，根據(jù)每一根植筋鋼筋應(yīng)變對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整，確保每一根植筋鋼筋共同均勻受力。正式加載制度：峰值拉拔荷載前采用荷載控制加載，峰值拉拔荷載后采用位移控制加載，直至拉拔試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 測(cè)量?jī)?nèi)容及測(cè)量方法

試驗(yàn)測(cè)量主要內(nèi)容包括：試件的破壞形式和拉拔承載力；混凝土結(jié)構(gòu)表面、植筋鋼筋端部及加載底板的拉拔荷載-位移曲線；植筋鋼筋的應(yīng)變。位移計(jì)的布置見圖2。所有應(yīng)變片及位移計(jì)通過DN3821型號(hào)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集儀采集；荷載采用荷載傳感器及讀數(shù)顯示器測(cè)讀。

圖2 加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

試件的破壞形態(tài)如圖3所示，可以結(jié)果得出，多筋植筋均發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞。

當(dāng)植筋數(shù)目單根和兩根時(shí)，隨著荷載的逐漸增大，鋼筋先達(dá)到屈服，植筋鋼筋周圍混凝土出現(xiàn)裂縫，并發(fā)展為環(huán)形裂縫形成明顯的錐面，繼續(xù)加載發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，見圖3（a）、圖3（b），整個(gè)錨固系統(tǒng)喪失承載力；當(dāng)植筋數(shù)目為三根和四根時(shí)，隨著荷載的逐漸增大，植筋鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生裂縫，繼續(xù)加載裂縫發(fā)展呈輻射狀，且混凝土基材上產(chǎn)生橫向裂縫，裂縫繼續(xù)加載發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，見圖3（c）、圖3（d），整個(gè)錨固系統(tǒng)喪失承載力，植筋鋼筋均未發(fā)生屈服；當(dāng)植筋數(shù)目為五根時(shí)，隨著荷載的逐漸增大，植筋鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生輻射狀裂縫，且延伸至整個(gè)混凝土基材橫斷面，繼續(xù)加載基材劈裂，見圖3（e），整個(gè)錨固系統(tǒng)喪失承載力，植筋鋼筋均未發(fā)生屈服。

圖3 各試件的破壞形態(tài)

發(fā)生上述破壞現(xiàn)象的原因，由于多筋（三筋、四筋、五筋）植筋之間的間距較近，植筋之間混凝土相互作用形成芯柱，當(dāng)達(dá)到拉拔峰值荷載時(shí)，多筋植筋外側(cè)混凝土表面發(fā)生錐體破壞，其受力機(jī)理如圖4所示。

圖4 錐體-粘結(jié)破壞受力機(jī)理示意圖

2.2 拉拔荷載-豎向位移曲線比較

圖5 給出了各試件拉拔鋼筋端部荷載-豎向位移曲線（P-δ）。由圖5可見，加載初期，拉拔荷載-豎向位移近似呈線性，此時(shí)界面間主要為膠結(jié)力起作用。隨著荷載的增大，拉拔荷載-豎向位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并達(dá)到峰值拉拔荷載，此時(shí)出現(xiàn)錐體破壞，界面主要發(fā)生粘結(jié)破壞，植筋的滑移量增大。在峰值拉拔荷載后，隨著植筋應(yīng)變的增加，植筋逐漸被拔出，沒破壞截面主要為機(jī)械咬合力和摩擦力，所以滑移量急劇增大，最后發(fā)生錐體-粘結(jié)破壞。

2.3 拉拔承載力分析

圖6給出了各試件拉拔承載力Pu,m與植筋數(shù)量n的關(guān)系曲線Pu,m-n，從圖6中可見，在植筋深度、植筋間距一定時(shí)，Pu,m隨著n的增加而提高。但植筋平均拉拔荷載（Pu,m/n）隨著n的增加而降低。但需要說明的是試件RAS-5-10d-100最后做的拉拔試驗(yàn)，混凝土基體已出現(xiàn)裂縫致使試件的拉拔承載力有所降低。

圖5 各試件P-δ

圖6 各試件Pu,m-n

定義多筋植筋拉拔承載力降低系數(shù)φ為多筋植筋平均拉拔承載力Pu,m/n與單植筋拉拔承載力Pu,s的比值，即φ=（Pu,m/n）/Pu,s。各試件承載力降低系數(shù)與植筋數(shù)量關(guān)系如表2所列，從中可以看出，多筋植筋拉拔承載力不等于單植筋拉拔承載力與植筋數(shù)量的乘積，而是有一個(gè)折減，這是由于多筋植筋周圍混凝土破壞錐體會(huì)出現(xiàn)重疊所致。

表2 各試件承載力降低系數(shù)φ

3 多筋植筋拉拔承載力計(jì)算

試驗(yàn)中多筋植筋拉拔試驗(yàn)大多發(fā)生錐體-粘結(jié)復(fù)合破壞，本文主要分析復(fù)合破壞時(shí)多筋植筋拉拔承載力計(jì)算方法。已有的試驗(yàn)研究和理論分析表明[6-10]，多筋植筋拉拔承載力與植筋間距s、植筋邊距c和植筋埋深la等因素有關(guān)。參考文獻(xiàn)[10]，拉拔承載力降低系數(shù)φ

式中，φb為植筋埋深及受力不均勻?qū)Τ休d力的影響系數(shù)，φb≤1.0；φc為邊距影響系數(shù)，φc≤1.0；φs為間距影響系數(shù)，φs≤1.0；d為植筋鋼筋直徑。

多筋植筋拉拔承載力計(jì)算公式可表示為

式中，Pu,s為單根植筋發(fā)生錐體-粘結(jié)破壞時(shí)拉拔承載力

式中，Ac（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；x0為拉拔承載力取最小值時(shí)混凝土錐體高度；D為植筋孔直徑；ft為混凝土軸線抗拉強(qiáng)度；α為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.7；τm為植筋膠與混凝土截面的平均粘結(jié)應(yīng)力；θ為混凝土錐面與水平面的夾角，根據(jù)已有植筋試驗(yàn)可取30°。

表4給出了本次試驗(yàn)多筋植筋試件的拉拔承載力與按式（5）的計(jì)算值的比較。由表4可見，各試件的拉拔承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為1.064 4，均方差為0.249 1，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，說明計(jì)算公式具有較好的適用性。

表4 多筋植筋拉拔承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值比較

4 結(jié)論

（1）在植筋深度、植筋間距一定時(shí)，植筋總拉拔承載力隨著植筋數(shù)目的增加而提高，但植筋平均拉拔荷載隨著植筋數(shù)目的增加而降低。

（2）當(dāng)多筋植筋拉拔破壞為錐體-粘結(jié)破壞時(shí)，多筋植筋拉拔承載力小于單植筋拉拔承載力與植筋數(shù)量的乘積，即，應(yīng)考慮多筋植筋拉拔承載力降低系數(shù)的影響。

（3）當(dāng)多筋植筋拉拔破壞為錐體-粘結(jié)破壞時(shí)，多筋植筋承載力可表示為多筋植筋拉拔承載力降低系數(shù)與植筋數(shù)量和單筋植筋拉拔承載力乘積，公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好，說明公式具有較好的適用性，對(duì)其他受力情況下的準(zhǔn)確計(jì)算與分析尚有待進(jìn)一步研究。