植筋加固桥面板静力受弯试验研究

■乐 游，彭翊博 ■湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201

随着我国经济高速发展，交通量的需求越来越大;原有的桥梁在经过长时间的服役后，出现了不同程度的病害，有的甚至成为了危桥;对旧桥进行维修加固越来越受到重视。

化学植筋技术作为桥梁加固技术的一种，在国内工程界具有较为普遍的运用，它的作用原理是在原有的混凝土结构构件上钻孔，清理干净孔中的灰尘及杂物后往孔中填入植筋胶，然后把钢筋或锚固螺杆植入注胶后的混凝土钻孔内，通过胶的粘接力把钢筋混凝土组合成一个整体。当植入钢筋的深度达到一定长度后，植入的钢筋由于植筋胶的粘结锚固能够拥有比较大的抗拉拔力，且自身在外荷载作用下的滑移量很小，从而对植入钢筋的锚固粘结力强度及持久强度有很大的提升。植筋加固技术的应用范围较广，能够在已有的结构构件对的加固补强中，实现新旧混凝土的连接;还能够用于新建工程的混凝土结构，对新建工程的混凝土构件中所出现的钢筋错埋、遗漏、钢筋位置偏离等问题进行有效解决。

化学植筋技术在运用上可以不受施工的限制，也不需要预先进行设计，相比于预埋锚固技术较为简单快捷。而且化学植筋技术有很大的灵活性，施工作业难度比较小，作业速度快。在近些年来化学植筋技术的运用范畴越来越普及，尤其是在旧建筑改造、扩建、结构抗震加固、设备安装及幕墙施工中，化学植筋技术凭借自身效率高、灵活性强、实惠、便捷等优势，越来越受到加固改造工程的重视。

本文以实际工程为背景，通过试验研究及理论计算，研究了植筋锚固深度对构件承载力的影响并对挠度计算公式进行了相应的修正。

1 试验构件的制作

本次试验共有3 个构件进行静力试验，植筋锚固深度分别为10d=120mm，15d=180mm，20d=240mm。植筋保护层均为3cm。

试验板的几何尺寸以及截面配筋如图1.1 所示。构件的制作分为两个部分进行，首先对两边的板进行施工浇注并养护28 天。然后进行植筋对接，对接好后将施工界面处进行粗糙处理并实行混凝土的二次浇注，养护28 天后进行试验。

图1 试验构件尺寸及配筋

板中的主拉受力钢筋采用的是HRB335 级钢筋，直径为12mm。植入钢筋为HRB335 级钢筋，直径为12mm。试验构件的混凝土强度等级为C25，实测混凝土立方体抗压强度fcu=29.1MPa。植筋的钻孔直径为18mm。使用的植筋胶型号为FISV360S 的德国慧鱼植筋胶粘剂。加载方式采用两端锚固，中间两集中力加载方式。分别在植入钢筋及混凝土受拉区布置应变片观测应力应变变化;在跨中位置布置百分表观测挠度变化情况。

2 试验结果与分析

2.1 承载力极限状态分析

根据GB 50010 -2010《混凝土结构设计规范》［1］在试验前对混凝土受弯构件的承载力进行了计算，再将计算结果与试验结果进行对比。从试验中得出的构件极限承载力受到植入钢筋的深度的影响。当植入钢筋的深度为20d 时，其构件的极限承载力与计算值比较接近，而小于20d 时，承载力是随着植入钢筋深度增加而增大的。

所以，在行进植筋加固构件的承载力理论计算时，应该分为两部分进行计算。影响的主要因素在于植入钢筋的锚固深度。当植入钢筋的锚固深度hf≥20d 时，此时构件的破坏特征与混凝土受弯构件的破坏特征相似，其极限承载力可以根据普通钢筋混凝土受弯构件的正截面受弯计算公式进行计算。而当植入钢筋的锚固深度hf＜20d 时，这种情况下的构件中的植入钢筋没有屈服，植入钢筋的滑移量大且容易发生拔出混合破坏;对极限承载力的影响较大。所以，极限承载力的计算要基于是入钢筋的锚固深度hf来进行。

将公式(2)代入公式(3)来对极限承载力进行计算:

计算结果如表1 所示。

表1 承载力实测值与计算值

2.2 挠度分析

钢筋混凝土受弯构件的挠度一般采用最小刚度法则来进行计算;根据文献［1］规定，钢筋混凝土受弯构件的挠度计算须按荷载效应标准组合并在考虑荷载长期作用影响的刚度下进行计算。考虑到钢筋混凝土结构能够带裂缝正常工作的特性，在进行挠度计算时以最小刚度原则来计算。

而相对于植筋加固的桥面板而言，植入钢筋与混凝土基材之间靠植筋胶连接。在受到外荷载作用时，植入钢筋会产生较大滑移，滑移量的增加会使截面的受压区高度x 发生变化，而受压区高度x 的变化会导致截面的惯性矩发生变化，从而使截面的刚度变小，构件的挠度值也随之增大。

在对植筋加固构件进行挠度计算时，先应计算出植入钢筋的滑移量。本文中的滑移量计算基于文献［2］提出的植筋粘结滑移系统的本构关系得到的粘结滑移量计算公式来进行:

其中τe为弹性粘结强度，取τe=0.75τu。τu为极限粘结强度，按以下公式计算:

式中:Nu为植筋受拉承载力设计值;hf为植筋有效锚固深度。

因植入钢筋的滑移会对挠度产生影响，引入一个挠度增大系数γ来表示滑移之前的刚度与滑移之后的刚度的关系作为挠度的增大系数。根据平截面假定，受弯构件在短期荷载的作用下截面的应变关系如下所示:

式中ξ—短期荷载作用下的截面相对受压区高度;

ρ—构件受拉钢筋的配筋率;

ρ' —构件受压钢筋的配筋率;

ω—植入钢筋与混凝土的弹性模量的比值;

μ' —受压钢筋保护层厚度跟构件截面高度h0的比值。

图2 截面初始应变图

图3 产生滑移后的截面应变图

根据应变关系图，结合前面的公式，对系数γ 进行计算:

将计算结果与试验结果进行对比，发现植入钢筋的滑移量对挠度的影响较小。

图4 部分构件挠度计算值与实测值

3 结论

通过本次静力试验，得出以下几点结论:(1)试验中的3 块板都是由于植筋粘结锚固破坏而导致的板的破坏。而且随着植筋锚固深度的不同，破坏形式也不同;当锚固深度较浅时，易发生钢筋拔出破坏即脆性破坏。而随着锚固深度的增加，破坏形式向钢筋混凝土受弯构件的适筋破坏形式靠近。为了防止结构发生脆性破坏，应该适当增加植筋的锚固深度。(2)在试验中，3 块板的截面及配筋率是相同的;随着植筋锚固深度的不同，板的抗弯刚度的差异不大，但是极限承载力的区别是比较大的。从试验结果及计算结果可以看出，植筋的锚固深度越大，对构件的承载力有明显的提高。(3)通过理论计算及试验比较，构件中植入钢筋通过植筋粘结剂与混凝土基材结合，在外力作用下会产生滑移，会导致截面刚度的变化;进而对挠度产生影响。在此基础上，提出了挠度的修正系数来对挠度进行有效计算，计算结果与试验结果较为符合;可以为实际工程提供一定的计算参考。

［1］《混凝土结构设计规范》(GB 50010 -2010).

［2］舒睿彬。植筋系统粘结滑移性能及受力机理研究［D］.上海:同济大学，2008.

［3］《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367 -2013).

［4］史三元，崔立杰.混凝土植筋群锚效应试验分析［J］，煤炭工程，2014 -3 -25.

［5］张建荣，舒睿彬，萧雯，杨建华，黎群.植筋搭接混凝土梁粘结性能的试验研究［J］.工业建筑，2007 增刊.