一种植筋锚固承载力能力比对新方法

周恩泽，武海蔚，赵 斌

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省建筑科学研究院，河北 石家庄 050021）

0 引 言

植筋是以专用的有机或无机胶粘剂将带肋钢筋或全螺纹螺杆种植于混凝土基材中的一种后锚固连接方法［1］，其原理是通过化学胶粘剂的粘结作用将植筋所承受的力传递到混凝土中，以此为被连接体提供锚固力。因其具有工艺简单、施工快捷、力传递明确等特点，在结构加固、补强、新老混凝土连接、补埋钢筋、后埋钢构件等工程中得到广泛应用［2］。

实际工程中，植筋要承受来自被连接体的荷载，其锚固质量直接影响被连接体的工作性能，因此，对植筋的锚固承载力进行检测和确认不容忽视。日常工作中，通常由建设单位委托的第三方检测单位对植筋的锚固承载力进行检测，检测单位的试验能力水平会直接影响结果的真实性、可靠性和代表性。因此，需对检测单位的能力进行确认，能力比对为常用的确认手段，但由于植筋锚固试件的不稳定及其试验荷载、破坏状态的不可控性，针对植筋锚固承载力检测一直没有行之有效的能力比对方法。为了解决这一问题，笔者在分析植筋受力原理及工作时的影响因素的基础上设计了一种数据稳定、结果可控的植筋锚固承载力能力方法，并经小批量试验验证后组织了一次植筋锚固承载力能力比对活动。

1 方案制定

1.1 植筋受力原理分析

植筋依靠粘附于基材上的胶体与钢筋表面的粘结作用提供锚固力。从其作用原理分析，影响植筋锚固承载力的因素较多，主要有植筋的有效锚固深度、基材混凝土强度、成孔质量、植筋胶的性能、钢筋表面状态及工人施工水平等［3］。以原位试验的方式进行的植筋锚固承载力能力比对试验时，影响因素众多且存在交叉作用，致使样品的均匀性与测值的稳定性不易得到保证，并且原位试件的破坏状态也不可控。因此，为了减少不利因素影响，使试验结果定向可控，笔者所在团队设计了一种先批量制作植筋模拟试件，然后将模拟试件植入混凝土基材中，待胶体固化后统一进行试验的能力比对方法。

1.2 试件制作方法

模拟试件由套管、堵头、待测钢筋及充盈在套管中的胶体组成，其构造示意如图1所示。

图1 植筋模拟试件示意图

具体做法为：将植筋胶注入带堵头的套筒中，然后插入钢筋并定位使钢筋竖直居中，待胶体固化后取出平置，完成试件制作，加工成品如图2所示。

图2 植筋模拟试件成品图

1.3 试件特点及受力状态

利用植筋模拟试件作为植筋能力比对试件的方法具有以下优点：

1）关键试件（模拟试件）可以提前在室内批量制备，除了能控制环境条件的一致性外，还能够控制试件各部品的材质、加工质量，达到有效保证试件的均匀性和稳定性的目的；

2）因套筒直径大于钢筋直径，相应地，套筒与胶体的接触面积大于钢筋与胶体的接触面积，避免试件发生混凝土劈裂破坏或锥体破坏，保证了破坏只会发生在试件内，有效消除了成孔质量、试件植入施工水平、植入试件胶体质量及固化时间等因素的不利影响；

3）可以通过在钢筋上预设缺陷使试验结果定向可控制，例如可以通过改变钢筋的锚固长度或植入部分的直径来设置钢筋的破坏类型及试验荷载。

由以上分析可知，植筋模拟试件的破坏状态由钢筋的抗拉承载力与抗拔承载力决定，钢筋的抗拉承载力与抗拔承载力计算值分别见式（1）、式（2）。

式中：Nd为钢筋的抗拉承载力，N；fstk为钢筋的抗拉强度标准值，N/mm2；As为钢筋最小横截面积，mm2；Nt为钢筋的抗拔承载力，N；d为钢筋公称直径，mm；le为钢筋锚固长度，mm；fbd为植筋用胶黏剂的粘结强度设计值，N/mm2。

由式（1）、式（2）可知，选用同一批次的钢筋及同一规格型号、性能稳定的植筋胶后，改变钢筋的最小横截面积或者调整钢筋的总锚固长度就可以预设试件的破坏形式并控制试件的试验荷载，且存在如下关系：

当Nd＜Nt，试验状态为试件植筋被拉断，极限抗拔力由钢筋的抗拉承载力控制；当Nd＞Nt，试验状态为试件植筋被拔出，极限抗拔力由钢筋的抗拔承载力控制。

由于钢筋的材质均匀、稳定，同批钢筋制作的试件，在相同的预设缺陷条件下，其试验荷载值趋于集中分布，提高了统计分析时对离群数值的敏感度，便于筛选出不理想数据，达到能力比对的目的。

2 试验验证

为了验证方案的可行性，制作部分模拟试件并按照胶体固化时间、缺陷类型等进行试验。

2.1 钢筋力学性能试验

对所选定直径 6.5 mm 的 HPB 300 钢筋进行力学性能试验，分为两组。第一组为调直后无处理直径钢筋，第二组为调直后预设相同缺陷（加工使局部直径变小为5 mm）钢筋，每组 5 根，测试结果如表1所示。

表1 钢筋力学性能试验结果

两组钢筋屈服荷载及抗拉破坏荷载数据集中稳定且有明显区分，说明可以忽略钢筋材料抗拉强度对结果差异性的影响，同时验证了改变局部横截面积的预设缺陷方式是行之有效的。

2.2 不同缺陷类型试件的试验对比

同一条件下加工两组模拟试件，第一组试件钢筋为自然调直状态，但有效锚固长度小于设计计算值；第二组试件钢筋自然调直后加工至局部直径变小，但有效锚固长度大于设计计算值。两组试件实验结果如表2所示。

表2 不同缺陷类型试件试验结果

从表2可知，同种缺陷类型的试件破坏荷载值均匀稳定，破坏状态一致。两种缺陷类型试件之间的破坏荷载值及破坏状态区分明显。充分证明通过预设试件缺陷实现试验数值及状态的定向可控是行之有效的。

2.3 胶体固化时间的影响

制作一批钢筋自然调直，有效锚固长度一致且小于设计计算值的模拟试件，次日将模拟试件植入混凝土台座中，按照不同养护龄期（模拟试件加工时间）进行破坏性试验，记录破坏荷载值，以此分析胶体固化时间的影响。试验结果如表3所示。

表3 不同养护龄期的模拟试件抗拔试验结果

由表3试验数据可知，7 d 养护龄期之后数据趋于稳定，破坏状态不受养护龄期影响。组织能力比对活动时仍然使用同规格植筋胶，只要保证在模拟试件制作完成 7 d 后试验就可以忽略胶体固化时间的影响。

3 能力比对实施及结果评价

为了验证部分单位检测植筋锚固承载力的能力，组织了针对该项目的能力比对活动。按照方案要求加工两种缺陷类型的模拟试件，然后将模拟试件植入预钻孔的混凝土基材中，待植入试件所用胶体固化后就可以开展能力比对试验（见图3）。

图3 混凝土基材上植入能力比对试件

按照模拟试件的预设缺陷类型将参加单位分为A、B 两组，对各参加单位的考核分以下两方面：

1）对检测行为的考核，包括设备的选用、安装、操作及记录填写；

2）对所提交结果的考核，包括数据一致性、计算结果、检测结论等内容。

检测结果采用稳健统计方法，该方法是一种不易受到异常值影响的统计方法，以中位值代替平均值，以标准化四分位间距（IQR）代替标准偏差，在数据处理过程中，通常不需剔除异常值，因此能准确反映数据的统计特征［4］。稳健统计方法用Z值来评定参加能力验证的实验室的检测能力，计算公式如式（3）所示。

式中：Si为参加实验室的试验结果值。

当参加单位的|Z|≥3 时，认为是离群值，应当采取纠正措施。当 2＜|Z|＜3 时，表明结果可疑，应引起注意并查找原因。当|Z|≤2 时，表明结果满意。

本次能力比对活动结果如图4、图5所示。

图4 A 组 Z 比分数统计结果

图5 B 组 Z 比分数统计结果

从汇总后的数据来看，参加单位所提交结果总体上呈规律性分布，且能筛选出可疑值及离群值，一定程度上反映出参加单位的能力水平。

4 结 语

为了解决植筋锚固承载力检测项目缺少有效能力比对方法的问题，经过分析植筋受力原理，提出了一种通过预先加工的植筋模拟试件实施植筋锚固承载力能力比对的方法，该方法可利用试件的标准化、批量化制作有效消除成孔质量、基材混凝土强度及施工水平等不利因素的影响，并且通过在模拟试件上预设缺陷，实现了试验结果及现象的定向可控。并经试验验证，该方法能够有效体现组织者的意图，一定程度上能够区分参与者的能力水平。

同时，该方法目前还存在不足，主要是试件在预设缺陷后，其试验数据分布过于集中，从数值上降低了对检测单位测试水平的区分能力。因此，为了全面评价参与单位的能力水平，在试验数据之外还需要考虑参与单位的设备状态、检测操作、数据记录与处理及结果内容等方面，保证能力比对活动客观还原日常检测工作能力水平。