植筋式后置設備地腳螺栓應用及研究

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月設備大修時,由于工期緊、任務急,水泵房更換大量設備,必須改變傳統的檢修辦法,所以采用陜西大唐加固技術有限公司的植筋式后置設備地腳螺栓;單就水泵房2 m×2 m×2 m 1臺設備基礎新的辦法和傳統的辦法比較,其經濟性和功效性明顯得到大幅提高。

植筋式后置設備地腳螺栓應用于中國煉油設備檢修,國內還沒有相關的參考設計依據,為慎重起見,在施工前設計了相關試驗進行研究。

2 試驗設計及步驟

2.1 試驗設計

植筋試驗在已經澆筑好的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面的剪切應力分布,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變片(每根鋼筋3個～5個應變片,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變,由此推算出粘結面上測點之間的平均剪應力分布。

2.2 試驗設備與試驗步驟

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:當植筋深度較深時,不會出現混凝土破壞,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,再從應變儀中讀取每一測點的應變值。

3 試驗結果與分析

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果平均而得),從表1中可看出:植筋呈現3種破壞形式。

1)混凝土錐面破壞。當植筋深度較淺(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力,出現混凝土錐面拔出,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力,混凝土不再破壞,當荷載較大時,出現粘結力不夠,致使鋼筋拔出。此時,植入鋼筋抗拔力受植筋深度和粘結質量的控制。3)鋼筋頸縮后斷裂。當植筋深度較大時(he＞10d),鋼筋與混凝土孔壁的粘結力大于鋼筋的極限強度,因此出現鋼筋屈服、頸縮直至斷裂的現象,植入鋼筋抗拔力受鋼筋極限強度的控制。

表1 植筋試驗結果表

3.2 粘結剪應力沿植筋深度分布

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

從圖2中可以總結剪應力分布具有如下幾個特點:

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

2)荷載較大且植筋深度較淺時,剪應力分布接近均勻,如圖2b)所示。

3)荷載較大且植筋深度較深時,出現兩種情況:剪應力在鋼筋端部以外的部位分布接近均勻,在端部應力仍較小或是剪應力在靠近混凝土表面的部位的應力較小,而在其他部位分布接近均勻,如圖2c),2f)所示。

3.3 設計公式

根據前面的分析與總結和其他文獻里的試驗結果,推薦下面抗拔力的設計公式:

當 hc＜he＜10d+hc,抗拔力取:

其中,hc為混凝土錐的最大深度。

當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。