植筋技术的探讨

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(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

1 背 景

纯碱公司投产近30年来，原有装置不断进行技术改造升级，同时伴随着已有建构筑物改造、结构加固补强，因此混凝土结构后锚固植筋技术得到了广泛的应用。但是在工程实践中，有些设计人员在混凝土结构植筋连接的设计中不符合《后锚固技术规程》。本文对此进行分析探讨。

2 承重后锚固受拉连接中，本地区应优先选用植筋

植筋是指以专用有机或无机胶粘剂将带肋钢筋或全螺纹螺杆种植在基材混凝土中的后锚固连接方法见图1。

图1 后锚固连接方法分类

从图1中可知，植筋是后锚固的一种连接方法。

机械锚栓因锚杆与孔壁存在间隙，普通材质的碳素钢、合金钢的锚杆不适用腐蚀环境；普通化学锚栓不适用受拉连接；特殊倒锥形化学锚栓，在设防烈度8度、0.2 g的抗震区，适用于受拉连接，但由于它是定型产品，面对复杂的工程设计，给设计者选择范围带来了限制。而植筋后锚固连接钢筋与孔壁间隙被胶粘剂充实，钢筋、螺杆的直径、锚固深度可根据被连接件的受力大小，基材混凝土、胶粘剂的特性，现场环境，经专业设计人员经计算确定，设计者容易做到控制植筋为钢材受拉的延性破坏，而不是基材混凝土的脆性破坏。

本地区Ⅲ类场地土，抗震设防烈度8度、0.2 g，盐水、重碱、轻灰、重灰这些工序为化工腐蚀环境，根据《后锚固规程》第8章，抗震设防区后锚固受拉连接应优先采用植筋。因此，纯碱装置区后锚固连接采用植筋是最适用、最实用的。

3 一些不符合《后锚固技术规程》的植筋设计

1)对被连接件的受力状态、基材混凝土所处建设场地类别、抗震设防烈度、环境腐蚀特点、使用环境温度、现有基材混凝土强度等级、配筋率没有进行认真的分析，导致施工后的植筋达不到设计的承载能力和耐久性，过早破坏。

2)对植筋位移延性的影响、植筋与基材混凝土边缘的限制等没有进行认真的分析，施工后同样导致承载力达不到设计要求。

3)植筋选材不正确。在实际设计中，使用光圆钢筋、光圆地脚螺栓，甚至在高大的、大型转动设备的后锚固地脚螺栓中，使用Q235螺杆的现象非常普遍；对胶粘剂及类别未提要求，导致植筋施工使用非专用的植筋胶粘剂，或胶粘剂类别不符合安全等级的要求，甚至使用普通的环氧树脂。

4)植筋深度全篇一律按钢筋直径的15倍或按厂家说明书进行设计施工，造成植筋锚固长度不足，导致钢筋、螺杆没有充分发挥设计强度值，混凝土基材表面过早破坏，钢材拔出。

5)对耐久性、定期检查维修没有作出任何说明。植筋使用多年后，受到环境腐蚀、胶粘剂老化、超载、材料性能劣化等不利因素的综合作用，导致未达到设计使用年限，植筋连接过早失效。

6)对植筋施工注意要点没有说明。导致植筋的施工质量达不到设计要求。施工现场经常发现植筋采用先植后焊方式，对植筋作业温度不采取任何冷却措施，如此加速了胶粘剂过早老化，植筋承载力降低；还有寒冷的冬季室外，为抢工期仍然在植筋作业。

7)将植筋和化学锚栓两种后锚固连接概念不清，混为一谈。

4 提出符合《后锚固技术规程》的植筋设计

4.1 基材混凝土

因此不能简单地依据原始数据判断混凝土的强度等级，而应深入工程现场，以现场实际检测、试验结果为准。

近几年按照设计图纸施工验收合格，混凝土结构没有腐蚀环境中，无严重的性能退化时，植筋时可采用原设计图纸中的混凝土强度等级。

4.2 植筋材料

4.2.1 钢筋、螺杆

依据植筋的概念，钢筋应使用带肋钢筋，螺杆采用全螺纹，严禁使用光圆钢筋、锚入部位无螺纹的螺杆。本地区为抗震烈度为8度，0.2 g的地震设防区，因此应选用HRB400E，根据现行GB50010-2010《混凝土结构设计规范》表4.2.2-1，可知钢筋屈服强度标准值为400N/mm2；根据表4.2.3-1，钢筋设计强度值取360 N/mm2；如果HRB400E钢筋后锚固植筋露出基材混凝土外面螺纹用于锚板，根据9.7章节，植筋的钢筋设计强度值应取≤300 N/mm2。

全螺纹螺杆应采用Q345级，屈服强度标准值为345 N/mm2,用于锚板连接时作者推荐螺杆的设计强度值取≤300 N/mm2；如果全螺纹螺杆植筋作为设备地脚螺栓或柱脚抗拉(抗弯)螺栓，根据GB50017-2003《钢结构设计规范》中表3.4.1-4，设计强度值应取≤180 N/mm2。

4.2.2 胶粘剂

应采用改性环氧树脂类或改性乙烯基酯类材料。基材混凝土长期使用温度应≤50 ℃ ，否则应对其采取防护措施，保证胶粘剂的耐久性。安全等级为一级(破坏后果很严重)采用A级胶，安全等级为二级(破坏后果严重)可采用 B级胶或无机类胶。但从安全角度出发，无论后锚固连接安全等级为一级还是二级，作者推荐都应使用A级胶。

4.3 承受轴向力的承重构件后锚固采用植筋

在专业设计时，应在锚固长度计算、植筋构造上严格控制，防止基材混凝土破坏及拔出破坏，按照充分利用钢材强度设计值计算植筋的锚固长度。

4.4 植筋的耐久性

设计文件应写明植筋设计使用年限，应与被连接件的使用年限一致，且≥30年。应写明定期检查植筋的工作状态，检查间隔，第一次检查时间不应大于10年，使建设单位及时发现胶粘剂老化、使用不当带来的结构隐患。

4.5 植筋后锚固的构造措施

1)边距，中心距。植筋中心与基材混凝土边缘宜≥5d，植筋中心距宜≥5d，d为钢筋直径。

2)基材混凝土配筋。植筋的基材不适用素混凝土，应为钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土，与植筋垂直的横向钢筋的配筋率应≥φ8@100或其等量钢筋截面积。

3)钻孔直径。当采用有机胶粘剂时，钢筋直径8 mm≤d≤18 mm,钻孔直径为d+4 mm；直径d为20 mm、22 mm、25 mm、28 mm、32 mm,对应钻孔直径分别为25 mm、28 mm、32 mm、35 mm、40 mm。当采用无机胶粘剂时，钻孔直径宜≥有机胶粘剂时的钻孔直径。

5 植筋的钢材受力特点决定了钢筋、螺杆的计算方法

依据《后锚固技术规程》，植筋宜仅承受轴向力。此时应按照钢筋、螺杆充分发挥钢材强度设计值。

实际工程基材混凝土不能满足计算的植筋锚固长度时，可采取其它有效的锚固措施，但是必须保证钢筋、螺杆先于混凝土破坏。但是确实不能保证时，虽为植筋但应按化学锚栓的要求设计。

植筋承受剪力时，应按化学锚栓设计，并应满足化学锚栓的相应构造要求。

6 设计文件中应对植筋施工提出专业要求

1)应由有资质的专业队伍施工。

2)温度，含水率。植筋时，基材混凝土表面温度宜≥15 ℃，孔内表层含水率应符合胶粘剂使用说明书的要求。

3)对使用专用的胶粘剂及类别提出要求。

4)连接接头。植筋接头宜采用机械连接，也可采用焊接连接。但焊接连接时宜先焊后植。如现场一定先植后焊，应断续施焊，施焊部位与基材已注胶孔顶面的距离≥20倍钢筋直径，且≥200 mm，同时应用冷水或冰水浸透的湿布包裹钢筋根部外露部分，保证钢筋根部的温度满足胶粘剂使用说明要求。

7 举例计算：植筋的基本锚固长度、植筋锚固长度设计值

7.1 举例1

重碱车间碳化混凝土框架加固补强，采用增加截面法。经计算框架柱纵筋采用HRB400E，φ20钢筋@100，采用植筋生根于原有钢筋混凝土筏板基础。钢筋充分发挥抗拉设计强度值，基础混凝土原设计250#，胶粘剂采用A级胶，其他满足植筋构造要求。依据《后锚固技术规程》第6.3章节,计算柱纵筋的基本锚固长度，植筋锚固长度设计值。

7.1.1 计算基本锚固长度

植筋表面至筏板基础边缘距离，植筋边距c=1 500 mm>5d=5×20=100 mm，故取混凝土劈裂影响计算系数αspt=1.0。

植筋受拉承载力设计值取fy=360 N/mm2。

A级胶粘剂，植筋间距s=100=5d=5×20=100 mm，c>2.5d,故基础混凝土C20时，胶粘剂粘接强度设计取值2.3 N/mm2，基础混凝土C25时，胶粘剂粘接强度设计值取值2.7 N/mm2，实际混凝土筏板基础混凝土250#，相当于现在的混凝土强度等级C23，内插法求得胶粘剂粘接强度设计值fbd=2.54 N/mm2。

因此植筋基本锚固长度ls=0.2αsptdfy/fbd=0.2×1.0×20×360/2.54=566.9 mm。

7.1.2 计算植筋锚固长度设计值

7.1.2.1 计算修正系数ψN

此混凝土柱为非悬臂的重要构件，结构构件受力状态对承载力影响系数取ψbr=1.15。

基础位于地下，且本地区为沿海地区，地下水位较高，地表下0.8～1.0 m，植筋孔壁潮湿影响系数取ψw=1.1。

基础位于地下，常年温度基本不变，小于50 ℃，使用环境的温度影响系数取ψt=1.0。

因此不利因素对植筋受拉承载力影响锚固深度修正系数ψN=ψbr×ψw×ψt=1.15×1.1×1.0=1.27。

7.1.2.2 修正系数ψae取值

基础混凝土强度等级相当于C23，小于C30，本地区Ⅲ类场地土，抗震设防烈度8度，0.2g，植筋位移延性要求的修正系数取ψae=1.25。

因此植筋锚固长度设计值ld≥ψNψaels=1.27×1.25×566.9=900 mm，折合45d，d=20 mm。

7.2 举例2

假设重碱车间碳化混凝土框架新增混凝土悬臂梁，纵筋采用HRB400E，φ20钢筋后锚固连接，充分利用钢筋设计强度值，其他条件与上述一样。则混凝土结构构件受力状态对承载力影响系数取ψbr=1.5。

ls=0.2αsptdfy/fbd=0.2×1.0×20×360/2.54=566.9 mm(无变化)

ψN=ψbr×ψw×ψt=1.5×1.1×1.0=1.65

ψae=1.25(无变化)

ld≥ψNψaels=1.65×1.25×566.9=1169 mm，折合58d，d=20 mm。

悬臂结构如此长的植筋锚固长度设计值是一般的植筋设计者没有预料到的。以上的定量计算充分证明简单地以钢筋直径的某一固定倍数或厂家说明来确定植筋钢筋的锚固长度是不符合规范的，甚至给工程留下严重的安全隐患。