植筋加固橋面板靜力受彎試驗研究

■樂 游，彭翊博 ■湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201

隨著我國經濟高速發展，交通量的需求越來越大;原有的橋梁在經過長時間的服役后，出現了不同程度的病害，有的甚至成為了危橋;對舊橋進行維修加固越來越受到重視。

化學植筋技術作為橋梁加固技術的一種，在國內工程界具有較為普遍的運用，它的作用原理是在原有的混凝土結構構件上鉆孔，清理干凈孔中的灰塵及雜物后往孔中填入植筋膠，然后把鋼筋或錨固螺桿植入注膠后的混凝土鉆孔內，通過膠的粘接力把鋼筋混凝土組合成一個整體。當植入鋼筋的深度達到一定長度后，植入的鋼筋由于植筋膠的粘結錨固能夠擁有比較大的抗拉拔力，且自身在外荷載作用下的滑移量很小，從而對植入鋼筋的錨固粘結力強度及持久強度有很大的提升。植筋加固技術的應用范圍較廣，能夠在已有的結構構件對的加固補強中，實現新舊混凝土的連接;還能夠用于新建工程的混凝土結構，對新建工程的混凝土構件中所出現的鋼筋錯埋、遺漏、鋼筋位置偏離等問題進行有效解決。

化學植筋技術在運用上可以不受施工的限制，也不需要預先進行設計，相比于預埋錨固技術較為簡單快捷。而且化學植筋技術有很大的靈活性，施工作業難度比較小，作業速度快。在近些年來化學植筋技術的運用范疇越來越普及，尤其是在舊建筑改造、擴建、結構抗震加固、設備安裝及幕墻施工中，化學植筋技術憑借自身效率高、靈活性強、實惠、便捷等優勢，越來越受到加固改造工程的重視。

本文以實際工程為背景，通過試驗研究及理論計算，研究了植筋錨固深度對構件承載力的影響并對撓度計算公式進行了相應的修正。

1 試驗構件的制作

本次試驗共有3 個構件進行靜力試驗，植筋錨固深度分別為10d=120mm，15d=180mm，20d=240mm。植筋保護層均為3cm。

試驗板的幾何尺寸以及截面配筋如圖1.1 所示。構件的制作分為兩個部分進行，首先對兩邊的板進行施工澆注并養護28 天。然后進行植筋對接，對接好后將施工界面處進行粗糙處理并實行混凝土的二次澆注，養護28 天后進行試驗。

圖1 試驗構件尺寸及配筋

板中的主拉受力鋼筋采用的是HRB335 級鋼筋，直徑為12mm。植入鋼筋為HRB335 級鋼筋，直徑為12mm。試驗構件的混凝土強度等級為C25，實測混凝土立方體抗壓強度fcu=29.1MPa。植筋的鉆孔直徑為18mm。使用的植筋膠型號為FISV360S 的德國慧魚植筋膠粘劑。加載方式采用兩端錨固，中間兩集中力加載方式。分別在植入鋼筋及混凝土受拉區布置應變片觀測應力應變變化;在跨中位置布置百分表觀測撓度變化情況。

2 試驗結果與分析

2.1 承載力極限狀態分析

根據GB 50010 -2010《混凝土結構設計規范》［1］在試驗前對混凝土受彎構件的承載力進行了計算，再將計算結果與試驗結果進行對比。從試驗中得出的構件極限承載力受到植入鋼筋的深度的影響。當植入鋼筋的深度為20d 時，其構件的極限承載力與計算值比較接近，而小于20d 時，承載力是隨著植入鋼筋深度增加而增大的。

所以，在行進植筋加固構件的承載力理論計算時，應該分為兩部分進行計算。影響的主要因素在于植入鋼筋的錨固深度。當植入鋼筋的錨固深度hf≥20d 時，此時構件的破壞特征與混凝土受彎構件的破壞特征相似，其極限承載力可以根據普通鋼筋混凝土受彎構件的正截面受彎計算公式進行計算。而當植入鋼筋的錨固深度hf＜20d 時，這種情況下的構件中的植入鋼筋沒有屈服，植入鋼筋的滑移量大且容易發生拔出混合破壞;對極限承載力的影響較大。所以，極限承載力的計算要基于是入鋼筋的錨固深度hf來進行。

將公式(2)代入公式(3)來對極限承載力進行計算:

計算結果如表1 所示。

表1 承載力實測值與計算值

2.2 撓度分析

鋼筋混凝土受彎構件的撓度一般采用最小剛度法則來進行計算;根據文獻［1］規定，鋼筋混凝土受彎構件的撓度計算須按荷載效應標準組合并在考慮荷載長期作用影響的剛度下進行計算。考慮到鋼筋混凝土結構能夠帶裂縫正常工作的特性，在進行撓度計算時以最小剛度原則來計算。

而相對于植筋加固的橋面板而言，植入鋼筋與混凝土基材之間靠植筋膠連接。在受到外荷載作用時，植入鋼筋會產生較大滑移，滑移量的增加會使截面的受壓區高度x 發生變化，而受壓區高度x 的變化會導致截面的慣性矩發生變化，從而使截面的剛度變小，構件的撓度值也隨之增大。

在對植筋加固構件進行撓度計算時，先應計算出植入鋼筋的滑移量。本文中的滑移量計算基于文獻［2］提出的植筋粘結滑移系統的本構關系得到的粘結滑移量計算公式來進行:

其中τe為彈性粘結強度，取τe=0.75τu。τu為極限粘結強度，按以下公式計算:

式中:Nu為植筋受拉承載力設計值;hf為植筋有效錨固深度。

因植入鋼筋的滑移會對撓度產生影響，引入一個撓度增大系數γ來表示滑移之前的剛度與滑移之后的剛度的關系作為撓度的增大系數。根據平截面假定，受彎構件在短期荷載的作用下截面的應變關系如下所示:

式中ξ—短期荷載作用下的截面相對受壓區高度;

ρ—構件受拉鋼筋的配筋率;

ρ' —構件受壓鋼筋的配筋率;

ω—植入鋼筋與混凝土的彈性模量的比值;

μ' —受壓鋼筋保護層厚度跟構件截面高度h0的比值。

圖2 截面初始應變圖

圖3 產生滑移后的截面應變圖

根據應變關系圖，結合前面的公式，對系數γ 進行計算:

將計算結果與試驗結果進行對比，發現植入鋼筋的滑移量對撓度的影響較小。

圖4 部分構件撓度計算值與實測值

3 結論

通過本次靜力試驗，得出以下幾點結論:(1)試驗中的3 塊板都是由于植筋粘結錨固破壞而導致的板的破壞。而且隨著植筋錨固深度的不同，破壞形式也不同;當錨固深度較淺時，易發生鋼筋拔出破壞即脆性破壞。而隨著錨固深度的增加，破壞形式向鋼筋混凝土受彎構件的適筋破壞形式靠近。為了防止結構發生脆性破壞，應該適當增加植筋的錨固深度。(2)在試驗中，3 塊板的截面及配筋率是相同的;隨著植筋錨固深度的不同，板的抗彎剛度的差異不大，但是極限承載力的區別是比較大的。從試驗結果及計算結果可以看出，植筋的錨固深度越大，對構件的承載力有明顯的提高。(3)通過理論計算及試驗比較，構件中植入鋼筋通過植筋粘結劑與混凝土基材結合，在外力作用下會產生滑移，會導致截面剛度的變化;進而對撓度產生影響。在此基礎上，提出了撓度的修正系數來對撓度進行有效計算，計算結果與試驗結果較為符合;可以為實際工程提供一定的計算參考。

［1］《混凝土結構設計規范》(GB 50010 -2010).

［2］舒睿彬。植筋系統粘結滑移性能及受力機理研究［D］.上海:同濟大學，2008.

［3］《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367 -2013).

［4］史三元，崔立杰.混凝土植筋群錨效應試驗分析［J］，煤炭工程，2014 -3 -25.

［5］張建榮，舒睿彬，蕭雯，楊建華，黎群.植筋搭接混凝土梁粘結性能的試驗研究［J］.工業建筑，2007 增刊.