混凝土化学植筋锚固性能的试验研究_张建荣

Experimental Research on the Behavior of Chemical Adhesive Steel Bar in Concrete Under Tensile Load Zhang Jianrong , Shi Lizhong , Yang Jianhua , Wu Jin , Zhang Xin , Zhang Mengwei (1 Tongji University , Shanghai 200092 , China ; 2 Fischer (Taicang)Fixings Co ., Ltd ., Taicang 215400 , China) Abstract:The experiment of adhesive steel bars in concrete under tensile load is finished .Through observing the experiment process and measuring the displacement and strain of steel bars , the behavior of adhesive steel bar in concrete is analyzed . Some important problems such as the failure process , the failure model , the bond mechanism , the distribution of shear stress in adhesive steel bar are all discussed .It is suggested that adhesive steel bar should also be designed according to displacement .The failure process of the steel bar under tensile load is suggested as 4 phases .The basic formula of stressdisplacement relationship for adhesive steel bar is presented , which could be used in nonlinear finite element analysis . Keywords :adhesive steel bar ;embedment ;bond ;slide displacement
试件 SA3 :拉拔力至 110kN 时 , 混凝土 表面 出现裂 缝 。拉拔至 150kN , 混凝土 隆起 , 并 且有一 段时 间拉力 不再上升 。拉 力达 到最 大 值 171.5kN 时 开 始回 落 , 降 至 165.3kN 时 , 钢筋被拉断 。钢筋拉 断前 , 出现 明显钢 筋颈缩现象 , 产生巨大的破坏声音 , 并伴随 着混凝土碎 块四处迸溅 。混凝土锥体破 坏的半径 70 ～ 80mm , 深度 约 40mm 。属于钢筋破坏 。
数之和即为拉 拔力 , 拉 力端 和自由 端的 位移百 分表均 接入自动 数据 采 集系 统并 通过 电 脑自 动 生成 数 据文 件 。贴在钢筋槽内的应变片也通过自动 数据采集系统 自动生成数据文件 。 1.4 加载制度
参照《混凝 土结构 试验 方法标 准》的 要求 , 按 照试 验研究的目标 , 将试验加载分为三个阶 段 :第一阶段为 预加载 , 目的是检验仪器安装的可靠性 ;第二阶段为加 载-卸载 试验 , 最 大加 载值为 植筋的 承载 力设计 值(即 为按《慧鱼锚固技术手册》计算所得到的 植筋设计承载 力), 见表 1 , 目的 是研 究使 用状 态短 期 荷载 作用 下的 锚固性能 ;第三阶段为破坏加载试验 , 逐 级加载直至试 件破坏 。 2 植筋锚固拉拔破坏形态 2.1 破坏模式
＊德国技术合作公司(GTZ)PPP 项目资助 。
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开的钢筋槽内等间距布 置应变片 , SA1 ～ 3 钢 筋槽内的 应变片间距分别为 50 ,66 ,80mm 。图 1 为试件 SA1 钢筋 对剖后的电阻应变片粘贴位置 。
图 1 试件 SA1 钢筋对剖铣槽后应变片粘贴位置
1.3 传 递 荷载 的 方式 与 预埋 或 机械 锚 固不 同 ,植筋锚固系统的传力是靠化学粘结 、机械摩擦和机 械锁固作用 来完 成的 。根据 植筋 拉拔试 验结 果[ 9] , 并 综合分析 前 人的 研究 成果[ 1, 3] , 化 学 植筋 的破 坏 模式
图 2 植筋拉拔试验加载示意图
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可分为图 3 所示 的 5 种 类型 。在 所有 的破 坏模 式中 , 在顶部都会带有混凝土浅锥体破坏 。
试验结果表明 , 如果钢筋的埋深很小 , 植筋拉拔将 发生混凝土锥体破坏(图 3a)。对于直接承受荷载的化 学植筋应避免这一类破坏形式的发生 。植 筋胶生产厂 家一般都会给出 植筋 深度的 建议 值 , 大于 给定 的植筋 深度一般都可避免出现混凝土锥体破坏 。 如果埋深非 常大 , 胶足够强 , 则可能 发生 钢筋破 坏 , 即钢 筋受 拉屈 服或拉断(图 3e)。钢筋破坏的最小植筋深度代表实际 基本要求的长度 , 这个 基本埋 深受 钢筋材 料性 能的限 制 , 也受胶组成成分和性能的限制 。
0 前言 植筋锚固受力性能研究的特点是以大量的试验为
基础 。Cook 在 280 个试验结果[ 1] 的基础 上总结了破坏 模式 , 提出了设计方法[ 3] 。Cook 等人用 12 个厂家的 20 种产品做了 765 个试 验[ 5] , 分析 的影 响因 素包括 钻孔 条件 、混凝土强度 、混凝土级配 、较短的 粘结养护期 、高 温的受力环境等 。Higgins 等人研究了植筋在使用过程 中暴露的环境因素的影响[ 4] 。国内有关植筋技术的研 究起步较晚 , 也 有人进 行了 静力荷 载作 用下粘 结锚固 性能研究[ 6] 和在低周反复力作用下的恢复力特性等的 研究[ 7] 。但研究 偏 重于 对 极限 拉 拔承 载 力的 检 验测 试 ,而对植筋或锚栓的变形 、位移及粘结 滑移的本构关 系等基本受力性能的研究却关注不够 。 在实际工程中 特别是当 植筋 技 术用 于 结构 加 固 、改 造 、拓延 等 情况 时 ,植筋的滑移变形将影响结构的变形 和裂缝开展 , 影 响结构的正常使用 。下面介绍 3 个植筋 锚固试件受静 力拉拔的位移 和应力 测试 结果 , 其 目的 是通过 测量在 不同荷载作用下的钢筋伸长量 、钢筋滑 移 、钢筋应力分 布并通过观察 试件受 力破 坏过程 , 探讨 化学植 筋的粘 结锚固机理 。 1 试验方案 1.1 混凝土试件制作
3 个试件 的基 材混 凝土 块的 尺寸 为1 000 ×800 × 300(厚)。设计混凝土强度等级为 C30 。钢筋强度等级 为 HRB335 , 直径为 22mm 。为防止 混凝土试件 开裂 , 沿 试件厚度方向配了两道箍筋 , 箍筋直径为 6mm , 箍筋四 角 用直径为 10mm 的短钢筋定位 , 保护层厚度为 25mm 。 试件 SA1 ～ 3 植筋深度分别为 176 , 220 , 264mm 。 1.2 锚筋的制作
3 植筋拉拔位移及变形的试验结果 3.1 加载-卸载试验钢筋受力端位移
三个试件加载再卸载所得到的受力端位移曲线如 图 4 所示 。相应于最大加载值的受力端 位移和卸载后 受力端残余变 形值 见表 1 。由 图可 见 , 三个 试件 的拉 力-位移曲线的变化规律 基本 一致 。值得注意 的是 , 当 试件卸载至零时 , 受力端钢筋变形并不能回到零 。这说 明植筋试件在正常 使用阶段即 有粘结滑移产 生 。而 粘 结滑移是不可恢复的 , 因 此 , 当锚筋所受 的荷载值发生 变化时会引起 锚栓的 松动 及安装 设备的 变位 , 也可能 由于植筋的粘结滑移引起构件中不可闭合的裂缝 。
升 , 当加到 100kN 时发现钢筋根部混凝土隆 起 , 周围出 现裂缝和起皮现 象 , 这 时能听 到轻 微的混 凝土 开裂的 声音 。继续加载 不时会 突然 出现很 大的 崩裂声 音 , 有 时溅出混凝土碎块 。当拉力达到 115kN 时 可见混凝土 表面出现不 规则的 圆形 破坏面 , 钢筋被 徐徐 拉出 。混 凝 土锥 体 破 坏面 的 半 径 70 ～ 80mm , 深 度 25 ～ 30mm 。 属于混合界面破坏 。
为了测定钢筋 锚固 区范围 内的 应力变 化 , 采 用将 钢筋对剖后开槽粘贴应变片的方法 。钢筋 由线切割数 控机 床对剖 , 然 后在圆 心处铣出 断面 3mm ×6mm 的凹 槽 。合拢后形成 6mm ×6mm 的出线孔 。槽内贴箔式电 阻应变片 , 导线从钢筋的受拉端引出 。
试件采用电锤钻孔工艺成孔 , 与实际 工程相一致 。 植筋按与实际工程相同的施工操作要求 完成 。采用慧 鱼牌 FISV360S 植 筋胶 。钻 孔深度 为 300mm , 穿透 整个 试块 。钢筋插 入孔 内深 度为 264mm , 即 钢筋 自由 端离 混凝土底面 36mm , 试验时百分表伸入孔内 顶住钢筋端 头可以测得钢筋滑移量 。试件 SA1 , SA2 植筋时端头分 别为 88 , 44mm 长度范围用 塑料纸 包裹数 层作 为护套 , 使钢筋与胶无法 直接 接触 , 即 粘结 范围分 别为 剩余的 176 , 220mm 。在粘结 范 围内 从受 力 端起 10mm 后 在剖
当埋深居中时 , 将发 生图 3(b), (c), (d)所 示的界 面破坏 。混合界面破坏的次序总是在接近 拉力端发生 胶与混凝土界面 破坏 、在远离 拉力 端发生 钢筋 与胶的 界面破坏 。
图 3 化学植筋的破坏模式
2.2 试验中观察到的破坏过程 试 件 SA1 :加 载 初 期手 动 控 制加 载 , 拉 力 稳步 上
第 36 卷 第 3 期
建 筑 结 构
2006 年 3 月
混凝土化学植筋锚固性能的试验研究 ＊
张建荣 石丽忠 杨建华
吴 进 张 欣 张孟威