焊接高温对钢筋混凝土结构植筋锚固性能影响的分析

闫玉红

(山西建筑职业技术学院,山西 太原 030006)

0 引 言

植筋加固用于在原来结构上新增梁板柱等构件或者加大原有构件的截面,主要有:改造工程中梁生根的植筋锚固[1,2],加层改造中钢筋生根锚固[3]等诸多方面。近年来有不少大型工程都使用了结构胶植筋技术[4],如北京的中山公园音乐堂改造,中国日报报社大楼加层,上海浦东的金茂大厦等工程均采用了这一技术,取得了良好的经济效益和社会效益。在结构加固和改造过程中,焊接成为不可或缺的钢筋连接方式。本文将分析探讨诸如这样的高温环境,对钢筋混凝土植筋结构的锚固性能影响。

1 试验概况

为了研究焊接温度对植筋的粘结性能影响,进行了不同锚固深度和焊接位置,不同钢筋直径的粘结性能试验研究,主要包括:

(1)通过对不同直径钢筋(Φ 12、Φ 16和Φ 25)焊接温度测试的试验;

(2)通过不同锚固深度、不同焊接位置(焊接位置距离结构胶表面距离为0mm,100mm和200mm)焊接后的拉拔试验。

2 植筋焊接后的拉拔试验

2.1 试件设计制作

植筋受到焊接温度影响的拉拔试验在钢筋混凝土梁上进行。

试验梁尺寸和配筋情况如图1所示,共3根,混凝土设计强度C30,实测平均抗压强度为38.5 N/mm2。植入钢筋Φ 12和Φ 16两种,孔径分别为 18mm和22mm。钢筋材料试验结果:Φ 12钢筋屈服强度 401 N/mm2,极限强度574.7 N/mm2,延伸率24.4%;Φ 16钢筋屈服强度385 N/mm2,极限强度548.7 N/mm2,延伸率22.3%。拉拔试验的设计参数包括锚固长度(7D、10D和15D三种)和焊接位置(焊接点到混凝土表面胶层的距离有0mm、100mm、200mm三种)。

图1 试验梁尺寸和配筋情况

2.2 试验与试验现象

实验采用油压千斤顶对植入的钢筋施加拉拔力,使用ZDY-300kN筒式传感器和JCQ-301静力荷载测试仪测量拉拔力的大小。试验中,钢筋采取分级加载,加载等级10 kN,每级加载的同时由YHD30百分表测得此时钢筋相对滑移量,数据由TDS303数据采集仪自动采集,直到破坏。试验加载和测量装置见图2。

加载初期,钢筋所受到的拉力和钢筋根部的位移呈线性关系,此时结构胶处于弹性范围内。当荷载继续加大,钢筋周围的混凝土出现不同程度的竖向和斜向裂缝,开裂形式与钢筋直径和锚固深度有关。详细的试验现象如表1所示,图3为植筋试件试验全貌图。

图2 试验加载与测量装置

表1 试件分组和相应的试验现象

图3 植筋试件试验拉拔试验后全貌图和部分试件的试验现象

2.3 试验结果分析

2.3.1 极限承载力

从图4～图6中可知,随着锚固长度的增加,植筋极限承载力有所提高。锚固深度的增加有利于植筋极限承载力的提高。另外,从图中可以看出,焊接位置的确定对极限承载力起到决定性作用,焊接位置距离结构胶层表面越近,焊接温度对结构胶的影响就越明显,极限承载力就越低。

图4 锚固长度7D焊接位置不同时的极限荷载

图5 锚固长10D焊接位置不同时的极限荷载

2.3.2 拉拔力-滑移(P-s)曲线关系

试验中测得同种钢筋,相同锚固长度,不同焊接位置的P-s曲线如图7所示。分析P-s曲线可得到以下结论:

图6 锚固长度15D焊接位置不同时的极限荷载

在混凝土开裂前,曲线为线性关系,钢筋的滑移量很小,表现出较大刚度,此时,直线斜率大小和焊接位置的距离成反比,钢筋焊接位置对拉拔力大小有明显影响。在混凝土开裂时,大部分构件的P-s曲线出现转折,曲线斜率变小。混凝土开裂后,植筋屈服前,曲线仍近似为线性,但是曲线斜率和开裂前比较相差明显。植筋屈服达到极限荷载,或者结构胶层发生破坏,达到极限承载力,曲线斜率急剧变小,滑移急剧增加,滑移量在一定范围内保持稳定或者上升的趋势,具有较好的残余粘结力。当焊接位置距离胶层0mm时,胶层受到温度影响比较明显,滑移量比较大,极限承载力有很大的降低;当焊接位置为100mm和200mm时,植筋的承载力和滑移量相差不大,拉拔力-滑移量曲线比较接近。

图7 不同焊接位置的荷载-滑移曲线

2.3.3 植筋滑移量比较

植筋滑移量的大小是植筋锚固性能的一个重要指标。保证小的滑移量是锚固良好的基本条件,也是判断植筋破坏的标志。

锚固深度的影响:锚固深度的增加在相同焊接位置时可以减少最终的滑移量;在焊接温度的作用下,尤其是近距离焊接,锚固深度的增加不能减少初始滑移量;由于钢筋的导热性能,焊接温度对植筋胶层上层部分的性能有明显的削弱作用,这在锚固深度比较大的植筋构件中更为明显。

不同焊接位置对P-s曲线的影响:焊接位置距离结构胶层越近,P-s曲线的初始斜率越小,即粘结刚度越小,极限荷载越小,滑移量越大;由于焊接的温度作用,在结构胶层上部产生的影响,增加锚固长度减弱焊接温度对植筋性能的影响;焊接位置到结构胶层表面距离小于100mm,锚固长度的增加对滑移量的增加没有明显作用。

钢筋直径的影响:钢筋直径越大,在受到相同焊接温度影响时,滑移量减小,极限荷载的减少速度增加;随着钢筋直径的增加,P-s曲线的初始斜率变大,即为初始粘结刚度随着钢筋直径的增加而变大。

3 结 论

通过以上分析,可以得到以下主要结论:

(1)通过拉拔试验,对两种钢筋(Φ 12和 Φ 16)采用了三种锚固长度(7D、10D和15D,D为钢筋直径),在三种不同的焊接位置(测得距离落弧点分别为0mm、100mm和200mm)焊接。结果表明:焊接位置距离为0mm时,滑移量都很大,极限承载力受到极大影响。随着锚固长度的增加,植筋的滑移量逐渐减少;当焊接位置大于100mm时,焊接温度对初始滑移有明显影响,但是对极限承载力和滑移总量影响较小。焊接位置距离为200mm时,焊接温度对植筋的影响不明显。

(2)施工建议:锚固长度过小直接影响到极限承载力,增大植筋的滑移量,所以,植筋的锚固深度必须符合设计的要求;适当地增加锚固深度有利于植筋极限承载力的提高。但是为了防止初始滑移量的增大,在植筋中焊接位置距离植筋胶层应大于200mm,或者采取适当的降温措施。

[1]刘向华.植筋粘结锚固性能的试验研究及可靠度分析[D].合肥:合肥工业大学,2004.

[2]黄怀信.某购物广场植筋加建楼面的结构性能测试[J].广东土木与建筑,2002,7(4):62-64.

[3]汪文忠.北京大学理科教学楼群独立基础植筋锚固技术[J].建筑技术,2001,32(6):397.

[4]闫玉红.高温对钢筋混凝土结构植筋锚固性能影响的研究[D].北京:中国矿业大学,2006.