無機錨固材料植筋群錨效應試驗研究

梁玉國，魯曉琳，宋麗娟

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

植筋錨固技術，即在已有混凝土結構上根據設計在相應位置進行鉆孔，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，共同受力，使所植鋼筋發揮設計所期望的性能。

植筋技術以其設計靈活、定位準確及施工方便等特點在建筑物的加固、改造工程中得到了較為廣泛的應用［1］。目前在中國所使用的植筋錨固料大致可分為有機錨固料和無機錨固料，與有機錨固料相比，無機錨固料強度的熱穩定性、抗滲性、護筋性好，且耐老化性與混凝土結構相一致。因而無機錨固料在植筋工程中的應用也越來越廣泛。在建筑改造加固工程中進行的植筋通常為在一定范圍內植入多根鋼筋，然而關于采用無機錨固料植筋的研究還較少，且多是針對單根植筋性能的研究［2-4］，如高天寶等在不同強度等級（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（鋼筋拉斷、鋼筋拔出、混凝土錐形破壞、復合破壞），導出了單根植筋的基本錨固長度公式。然而對于工程實際所采用的群錨植筋的研究很少，因而有必要對雙筋和多筋的錨固性能進行研究。本文對單根、雙根、三根、四根、五根植筋進行了單向拉拔試驗研究，分析了單錨和群錨承載力、破壞特征等性能，得出了群錨效應折減系數。

1 試驗概況

本試驗采用的混凝土強度等級為C20，試驗鋼筋采用HRB335級螺紋鋼筋，鋼筋直徑為12mm，鋼筋植入深度為10d（d為所植入鋼筋直徑），試驗所用錨固料為北京奧泰利CGM無機錨固料。為了避免混凝土基體在運輸過程中發生斷裂，試件按構造配適量鋼筋，同時為減小箍筋對植筋抗拉強度的影響，箍筋頂部斷開，試件混凝土基體尺寸及配筋如圖1所示。本文對單根、雙根、三根、四根和五根植筋共5組試件進行了拉拔試驗，為保證測試結果的準確性和可信度，每一組做3個測試點，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 試驗加載裝置Fig.3 Loading system

2 試驗結果及分析

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

在試驗鋼筋的根部安放位移傳感器（量程50 mm），以測出鋼筋的滑移。壓力傳感器連接到錨具和千斤頂之間，以測出拉拔力。本試驗加載過程如下：初加載10kN，位移計調零，以抵消錨固件和夾具的位移，然后分級加載，每級5kN，直至錨固破壞。

初始荷載時，荷載-位移近似為線性關系，此時界面間連接完好，未出現破壞。隨著荷載的增大，曲線出現轉折，并達到極限值，在此階段混凝土出現錐形破壞，界面間發生粘結破壞，鋼筋滑移量增大。在承載力達到極限值后，隨著植入鋼筋應變的增加，結構膠與鋼筋間化學粘結力逐漸破壞。在植筋被拔出的過程中，破壞面間的機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，在群錨拉拔試驗中，群錨承載力不為單錨承載力與植筋數量的乘積，而是會有一定的折減，這是由于錨筋周圍的混凝土會出現應力重疊所致。現就C20混凝土基體上植入直徑12mm的HRB335級螺紋鋼筋，植入深度為10d時的群錨承載力進行分析。雙根、三根、四根總承載力增長明顯，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，可以預測在一定的面積內加大植入鋼筋數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中折減系數一欄可得出：隨著植筋數量的增加，平均每根鋼筋的承載力呈下降趨勢，鋼筋發揮作用較小。

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

2.3 各試件的破壞形態分析

本試驗中植筋的破壞形態主要有如下3種。

1）鋼筋達到極限強度，植筋拉斷破壞；

2）粘結破壞（主要為鋼筋與無機錨固料間的粘結破壞）；

3）復合破壞（上部混凝土錐體破壞，下部沿結構膠、混凝土界面拔出）。

在單根植筋中，主要發生植筋拉斷破壞和復合破壞，與高天寶、曹稹試驗得出的破壞形態基本一致［5-6］；在雙根和三根植筋中，主要發生植筋與無機錨固材料間的粘結破壞和復合破壞；在四根植筋和五根植筋中主要發生復合破壞。在雙根植筋中，兩根植筋周圍的混凝土會產生應力重疊，在兩根植筋中間的混凝土會產生垂直植筋連線的裂縫。在三根、四根、五根植筋中，混凝土基體產生明顯的輻射狀裂縫，發生群錨破壞。

3 結 論

通過對錨固深度為10d，混凝土基體強度為C20，植筋為采用HRB335級螺紋鋼筋，采用無機錨固材料錨固的不同數量的鋼筋進行拉拔試驗，通過試驗現象與對試驗結果的分析，得出如下結論。

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

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

3）當在一定面積內，植筋達到一定數量時，多發生復合破壞，混凝土基體產生明顯的輻射狀裂縫，發生群錨破壞。

／References：

［1］隋 東，章東林，陳錦耀.植筋施工技術在工程中的應用［J］.浙江建筑，2007（1）：33-34.SUI Dong，ZHANG Donglin，CHEN Jinyao.Application of planting bar technology in engineering［J］.Zhejiang Construction，2007（1）：33-34.

［2］司偉建，周新剛，黃金枝，等.混凝土結構植筋粘結錨固性能的試驗研究［J］.建筑結構，2001（3）：9-12.SI Weijian，ZHOU Xingang，HUANG Jinzhi，et al.Experimental research on the bonding and anchoring behaviours of reinforced bars inserted in concrete structure［J］.Building Structure，2001（3）：9-12.

［3］高天寶，史文利，楊樹標，等.混凝土無機料植筋拉拔試驗研究［J］.河北建筑科技學院學報，2005（3）：36-38.GAO Tianbao，SHI Wenli，YANG Shubiao，et al.Experimental research on planting bars with inorganic material in concrete［J］.Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology，2005（3）：36-38.

［4］劉紅陽.影響植筋粘結錨固性能主要因素的試驗研究［J］.山西建筑，2006，32（14）：148-149 LIU Hong-yang.Experimental study on the factors influencing the anchorage performance of planting reinforcing barp［J］.Shanxi Architecture，2006，32（14）：148-149.

［5］高天寶，楊樹標，吳 斌.混凝土植筋破壞形態分析［J］.工業建筑，2005，35（sup）：872-874 GAO Tianbao，YANG Shubiao，WU Bin.Failure mode analysis of planting bars in concrete［J］.Industrial Construction，2005，35（sup）：872-874.

［6］曹 稹，米承勇.混凝土植筋復合破壞形態分析［J］.山西建筑，2008（2）：90-91.CAO Zhen，MI Chengyong.Performance-based analysis of multiplex failure mode of post-embedded bars in concrete［J］.Shanxi Architecture，2008（2）：90-91.