混凝土结构四筋植筋粘结锚固性能试验研究

李 刚，唐兴荣

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏苏州215011）

后植筋锚固技术在建筑结构构件加固改造中被广泛应用，但是目前大多采用单筋植筋或双筋植筋的拉拔试验来研究植筋混凝土结构粘结锚固性能[1-4]；然而实际工程中，由于构件配筋过多等条件的限制，经常会遇到植筋锚固长度不满足设计要求的情况，这时候就需要采用多筋植筋技术；国内外学者对多筋植筋粘结锚固性能的研究还较少，研究的主要参数多为植筋的锚固长度[5-9]。已有的研究表明，多筋植筋存在群锚效应，即多筋植筋拉拔承载力小于单筋植筋拉拔承载力与植筋数量的乘积[10-14]，影响群锚效应的因素包括植筋数量、植筋间距、植筋边距、植筋锚固长度等[15-16]。

本文主要研究植筋间距和边距对四筋植筋粘结锚固性能的影响，并在试验结果分析的基础上，考虑四筋植筋间距、边距折减系数的影响，建立了四筋植筋拉拔承载计算模型和计算公式，为多筋植筋实际工程的应用提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 试件设计

为了研究植筋间距、边距对多筋植筋锚固性能的影响，选择四筋植筋混凝土结构进行拉拔试验，以植筋间距、边距等为设计参数，设计制作了9组四筋植筋混凝土结构试件，其中A组试件变化植筋间距，归属试件AN4-s80-10d、AN4-s100-10d、AN4-s120-10d、AN4-s150-10d、AN4-s200-10d；B组试件变化植筋边距，归于试件AN4-s120-10d-c100、AN4-s120-10d-c120、AN4-s120-10d-c150、AN4-s120-10d-c200。

各试件混凝土基体几何尺寸均为800 mm×300 mm×2 500 mm，混凝土强度等级C35，采用商品混凝土；植筋钢筋采用直径16 mm的HRB400级钢，植筋钻孔直径（D）均为20 mm，锚固长度（la）均为10d（160 mm）。植筋胶采用上海HM-500改性环氧注射式植筋胶。试件几何尺寸及配筋见图1和表1所列。

图1 各试件几何尺寸及配筋（单位：mm）

表1 各试件几何尺寸及配筋

为了保证植筋的施工质量，严格按照后植筋施工工艺（即定位—钻孔—清孔—注胶—植筋—养护），并由苏州中固建筑科技有限公司制作。

1.2 试件材料性能

实测植筋钢筋和混凝土的材料力学指标经测试如下。

植筋钢筋其型号为HRB400；屈服强度：416.62 MPa；极限强度：665.33 MPa；弹性模量：203 000 MPa。

混凝土基材采用的混凝土强度等级为C35；立方体抗压强度：34.55 MPa；棱柱体抗压强度：25.36 MPa；弹性模量：30 926 MPa。

HM-500植筋胶的劈裂抗拉强度：≥8.5 MPa；抗弯强度：≥50 MPa；抗压强度：≥60 MPa；钢对钢拉伸抗剪强度：≥10 MPa；约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土（C30）粘结强度：≥11 MPa。

1.3 试验装置与加载制度

采用具有自主研发的[16]加载装置，可实现多筋植筋的拉拔试验，采用500 kN液压千斤顶和500 kN荷载传感器加载，加载装置如图2所示。

图2 加载装置

加载制度如下所述。

（1）预加载：为了保证多筋植筋的每根植筋的受力均匀，在正式开始试验前，施加预估峰值荷载2%的荷载，利用每根植筋上粘贴的应变片，判断植筋是否均匀受力。若每根植筋的应变相同或相近，可以认为植筋均匀受力，否则应通过植筋上的预应力螺母进行调整，直至满足要求为止。

（2）正式加载：峰值荷载前采用荷载控制加载，荷载增量ΔP约为预估峰值荷载的2%；峰值荷载后改为位移控制加载，通过控制液压千斤顶的加载杆数，基本保证每次加载位移相同，直至拉拔试验结束。

1.4 测试内容和测量方法

（1）拉拔荷载值：采用500 kN液压千斤顶及配套的载荷仪（WH-1000型）测读，在试验前应对液压千斤顶和载荷仪配套标定；

（2）植筋钢筋应变：在每根植筋钢筋上均黏贴应变片，用作试件对中及测量拉拔加载过程中植筋应变的变化规律；

（3）混凝土基体表面位移：在植筋两侧对称布置两个位移计①测读混凝土基体表面位移；

（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，对称布置两个位移计②测读植筋的位移；

（5）植筋端部的位移：在每个植筋的端部布置1个位移计③，测读植筋端部位移；

（6）加载板顶部的位移：在加载板的顶部对称布置两个位移计④，测读加载板的位移。位移计的布置见图2，所有应变片及位移计均通过DN3821型号静态电阻应变仪采集仪采集。

2 试验结果分析

2.1 试验现象描述

为了便于描述试件破坏现象，对四筋植筋钢筋按照顺时针方向依次编号，如图3所示的数字顺序。从破坏形式上看，四筋植筋试件拉拔破坏形态均为复合破坏。

图3 植筋钢筋编号

（1）A组试件。试件AN4-s80-10d基体表面混凝土开裂情况较轻，混凝土锥体隆起明显且表面裂缝数量较少，植筋周围基体表面有着宽度较小的近于45°斜裂缝，最终破坏形态见图4（a）。试件AN4-s100-10d基体表面混凝土破碎情况较试件AN4-s80-10d严重，混凝土锥体向2、3号钢筋方向倾斜，锥体表面有许多宽度较大的裂缝，钢筋根部有着近于45°斜裂缝，2、3、4号钢筋存在着明显的劈裂裂缝，最终破坏形态见图4（b）。试件AN4-s120-10d基体表面混凝土破碎情况更为严重，1、4号植筋根部有着许多宽度较大的裂缝，2、3号植筋周围基体表面也存在着近于45°斜向裂缝，各植筋之间存在着明显的劈裂裂缝，最终破坏形态见图4（c）。试件AN4-s150-10d基体表面混凝土破碎情况较轻，植筋周围基体表面有着细微的近于45°斜裂缝，植筋与植筋之间无劈裂裂缝，最终破坏形态详见图4（d）。试件AN4-s200-10d单根钢筋混凝土周围有环状裂缝但是并未形成明显锥体，各植筋之间均存在劈裂裂缝，各植筋周围基体表面均有细微的近于45°斜裂缝，最终破坏形态见图4（e）。

图4 不同植筋间距各试件最终破坏形态

（2）B组试件。各试件的最终破坏形态见图5。试件AN4-s120-10d-c150、试件AN4-s120-10d-c200植筋四周有近于45°斜向裂缝，而试件AN4-s120-10d-c100、试件AN4-s120-10d-c120植筋周围没有发生45°斜向裂缝。

每个试件在植筋边距最小侧出现混凝土倒锥体（见图5），试件AN4-s120-10d-c200、试件AN4-s120-10d-c150侧面倒锥体高度均为145 mm；试件AN4-s120-10d-c120侧面倒锥体高度为140 mm；试件AN4-s120-10d-c100侧面倒锥体高度为130 mm。

图5 不同植筋边距各试件最终破坏形态

2.2 植筋端部荷载-位移曲线分析

图6 所示为不同植筋间距时，各试件植筋端部荷载-位移曲线（P-δ）。由图6可见，加载初期，拉拔荷载-位移近似呈线性关系，此时植筋与混凝土界面粘结力主要为化学粘结力。随着荷载的增大，拉拔荷载-位移曲线呈非线性关系，此时植筋与混凝土界面粘结力主要为机械咬合力，但很快达到峰值荷载，植筋周围混凝土出现环状裂缝，植筋的滑移量增大。峰值荷载后，随着植筋应变的增加，植筋逐渐被拔出，此时植筋与混凝土界面粘结力主要为摩擦力，所以植筋的拉拔荷载明显下降，滑移量急剧增大，最后发生锥体-粘结破坏。

图6 不同植筋间距各试件P-δ曲线

图7 所示为不同植筋边距时，各试件植筋端部P-δ曲线。由图7可见，峰值荷载前，各试件的拉拔荷载-位移曲线大致呈线性关系，此时植筋与混凝土界面粘结力以化学粘结力和机械咬合力为主。峰值荷载时，植筋周围混凝土出现环状裂缝，植筋的滑移量增大。峰值荷载后，随着植筋应变的增加，植筋逐渐被拔出，此时植筋与混凝土界面粘结力主要为摩擦力，所以植筋的拉拔荷载明显下降，滑移量急剧增大，最后发生锥体-粘结破坏。随着植筋边距的增大，试件的拉拔峰值荷载提高，峰值荷载对应的滑移量也随之增大。

图7 不同植筋边距各试件P-δ曲线

2.3 拉拔承载力分析

图8 所示为不同植筋间距时，拉拔峰值荷载与植筋间距的关系（Pm-s），图9所示为不同植筋边距时，拉拔峰值荷载与植筋边距的关系（Pm-c）。由图8可见，在其他条件相同时，随着植筋间距的增大，四筋植筋的拉拔峰值荷载增大，单根植筋的平均拉拔峰值荷载也随之增大。

图8 不同植筋间距各试件Pm-s图9 不同植筋边距各试件Pm-c

由图9可见，在其他条件相同时，随着植筋边距的增大，四筋植筋的拉拔峰值荷载增大，单根植筋的平均拉拔峰值荷载也随之增大。

2.4 多筋植筋拉拔承载力折减系数

由上分析可知，四筋植筋拉拔承载力小于单根植筋拉拔承载力和植筋数量的乘积，存在群锚效应。影响群锚效应的主要因素为植筋间距、植筋边距、植筋锚固长度等。如图10与图11所示。

图11 φc-s/d关系

定义植筋间距对多筋植筋拉拔承载力折减系数φs为多筋植筋平均拉拔承载力P su，m/n与单植筋拉拔承载力P0u，m的比值，即φs=Psu，m/P0u，m（n为植筋数量）。

图10 给出了其他条件相同，不同植筋间距时，多筋植筋拉拔承载力折减系数φs与植筋间距（s/d）的关系。根据试验数据（见图10和表2所列），采用线性回归（R2=0.885 5）可得植筋间距对拉拔承载力折减系数定义植筋边距对多筋植筋拉拔承载力折减系数φc为多筋植筋平均拉拔承载力P cu，m/n与单植筋拉拔承

图10 φs-s/d关系

?

表2 各试件拉拔承载能力降低系数载力P0u，m的比值，即：φc=Pcu，m/P0u，m（n为植筋数量）。

图11 给出了在其他条件相同，而植筋边距不同时，多筋植筋拉拔承载力折减系数与植筋边距的关系（φc-s/d）。根据试验数据（见图11和表2所列），采用线性回归（R2=0.913 3）可得

3 多筋植筋拉拔承载力计算

植筋间距（s）、植筋边距（c）、植筋锚固长度（la）对多筋植筋拉拔承载力的影响，采用拉拔承载力降低系数

式中，φs、φc按式（1）、式（2）计算；φb为植筋锚固长度及受力不均匀对多筋植筋拉拔承载力折减系数，根据文献[14]，按下式（4）计算，多筋植筋拉拔承载力计算公式可表示为式（5）

式中，Pu，s为单根植筋发生锥体-粘结破坏时拉拔承载力，按下式计算[15]

式中，Ac（x0）为锥体-粘结复合破坏时，混凝土锥体的水平投影面积，按式（7）计算；x0为拉拔承载力取最小值时混凝土锥体高度，按式（8）计算；D为植筋钻孔直径；ft为混凝土轴线抗拉强度；α为混凝土轴心抗拉强度降低系数，取0.7；τm为植筋胶与混凝土界面的平均粘结应力；θ为混凝土锥面与水平面的夹角，根据文献[4]试验结果可考虑可取30°。

表3 给出了各试件的拉拔承载力计算值Pcalu，m与试验值Ptestu，m比较，Pcalu，m/Ptestu，m的平均值为1.083 7（文献[4]的比值为0.929），离散系数为0.101 2，计算值与试验值符合较好。

表3 各试件计算值与试验值比较

4 结论

（1）随着植筋间距的增大，四筋植筋的拉拔峰值荷载增大，单根植筋的平均拉拔峰值荷载也随之增大；

（2）随着植筋边距的增大，四筋植筋的拉拔峰值荷载增大，单根植筋的平均拉拔峰值荷载也随之增大；

（3）植筋间距、植筋边距是影响多筋植筋拉拔承载力群锚效应的主要因素，当植筋锚固长度为10d（d指直径）时，建议植筋间距对多筋植筋拉拔承载力的折减系数按式（1）计算，植筋边距对多筋植筋拉拔承载力的折减系数按式（2）计算；

（4）考虑植筋间距、植筋边距和植筋锚固长度对多筋植筋拉拔承载力折减的影响，建立了锥体-粘结复合破坏时四筋植筋拉拔承载力计算公式，计算值与试验值符合较好。