既有承台墩身帮宽植筋锚固扣界面提升性能机理研究

许明明江 冰王悦石付 强陶 琦

（1.中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028；2.淮阴工学院交通工程学院，江苏 淮安 223003；3.江苏省交通运输与保障重点实验室 江苏 淮安 223003）

1 引言

植筋技术是建筑结构抗震加固工程上的一种钢筋后锚固利用结构胶锁键握紧力作用的连接技术，是结构植筋加固与重型荷载紧固应用的最佳选择。植筋后加固效果如何，植筋界面为施工工艺中关键一环，施工工艺中界面包含植筋界面和新旧混凝土界面，二者协同作用，对于植筋加固后结构整体力学行为，起到重要的影响，因此各国学者开展了较为广泛的界面力学性能研究。

方志等［1］对新旧混凝土黏结试件的直剪、拉拔、拉剪受力性能进行了试验研究，获得了拉剪破坏时结合面剪应力和正应力相关关系；Yin［2］等为了考察粗糙的FRP布表面，对混凝土-FRP界面力学性能的影响规律，研发了RFRP片材，通过混凝土试件的界面黏结性能进行了研究，分析了RFRP中火山石、玻璃丝以及混凝土中掺入纳米高岭土三参数对RFRP-混凝土试件法向黏结性能的影响，并利用SEM检测技术对复合材料体内部进行微观检测，来解释黏结增强机理；潘传银等［3］试验研究了植筋方向对黏结面抗剪性能的影响，结果表明，植筋方向垂直于黏结面时，能获得最好的黏结效果；丁铸等［4］试验研究了粗骨料粒径和植筋率对结合面抗剪性能的影响，结果表明，试件开裂强度与极限强度均随植筋率的增加而增大，但植筋率达到1.8%时，则趋于平稳，不再增长。殷雨时等［5］通过设置不同粗糙程度的混凝土表面，开展了混凝土外贴FRP布的单向剪切试验，得到混凝土表面粗糙度对界面力学性能有十分重要的影响，但并不是混凝土表面越粗糙越好，最佳粗糙度值为0.34。

通过上述可以发现，各国学者开展了较为广泛的混凝土表面、钢筋表面的界面力学性能研究，形成了较为系统的界面研究状况，但对于结构局部改良上，罕为见到相关系统性研究。界面是加固双项体重要的链接结构，因此关注界面性能的提升，对于结构加固具有重要现实意义。本文以新建连云港至镇江铁路淮安地区预留宁淮铁路宁盐上下行联络线既有承台墩身帮宽为工程背景，通过在普通螺纹钢筋表面设置等距不同型式锚固扣，拟实现植筋-混凝土界面黏结性能提升，并对界面锚固增强机理做以解释。文中通过设置锚固扣间距、锚固扣径向半径、锚固扣类型3个参数，考察其对界面力学性能影响的规律。以期对墩台植筋加固提供理论依据和试验基础，为后续进一步开展植筋界面性能研究奠定理论依据。

2 工程概况

宁盐上下行联络特大桥S45、S46、S47、S48、S49、S50、X24、X25、X26、X27、X28为利用既有4.2×2.3m（宽×厚）单线圆端实体桥墩（坡度45∶1）进行帮宽施工。其中S46-S50号墩采用植筋法加固后，承台新建部分与既有结构连成整体共同承受力。X25-X28号墩采用植筋法加固后，承台新建部分与既有结构连成整体共同承受力。墩身帮宽植筋采用Φ20钢筋，植筋钻孔直径为25mm，钢筋间距30cm，梅花形布设。所植钢筋总长度为132cm，植入既有墩身50cm，外露60cm+22cm直角弯钩。植筋与混凝土外边缘距离不小于5d（10cm），植筋布置和大样见图1、图2所示。

图1 承台值筋平面及立面布置图

图2 承台值筋大样图

2.1 植筋操作平台搭设

开始施工前围绕墩身需植筋部位搭设支架和作业平台，辅助钻孔和植筋等工作。盘扣架搭设场地必须平整、坚实、不沉陷、不积水，S46#、S47#、S50#墩身外围脚手架搭设在承台顶面上。X25#-X28#、S48#、S49#墩承台尺寸不能满足搭设要求，对立杆下基础做加固压实处理，承台四周回填夯实后采用C15混凝土进行硬化，厚度20cm，防止不均匀沉降。同时在立杆底部垫放20cm宽，5cm厚木跳板。双排架采用盘扣式脚手架，步距1.5m，横向立杆间距120cm，两排架立杆间距90cm，每层每6根立杆设置1根斜撑杆，工作面板采用方木与竹胶板制作而成的可拆卸面板，方木下方设置卡槽固定在盘扣架横杆上。为了预防支架倾覆，自地面以上每隔3m用钢管扣件在帮宽墩身外侧将两侧支架连接加固，靠近墩身侧采用直径20拉筋与既有墩身进行连接加固 （墩身侧植筋作为拉杆，植入深度30cm）。爬梯宜设置在盘扣架框架内，钢梯宽度应为廊道宽度的1/2，钢梯可在一个框架高度内折线上升;钢架拐弯处应设置钢脚手板及扶手杆。作业平台四周搭设Φ50钢管围栏，高度1.2米，围栏四周挂安全网。

2.2 植筋锚固扣参数设置

为了考察植筋锚固扣对界面力学性能的影响规律，采用HRB400钢筋为植筋，植筋直径为16mm。通过在热压植筋表面设置锚固扣，见图3、图4所示，拟提升界面黏结性能。同时为了系统研究锚固扣对界面影响规律，设置锚固扣间距、锚固扣径向半径、锚固扣类型3个参数，并编制植筋构件编号，列于表1所示。所有钢筋试件埋入预制混凝土，为了降低养护中钢筋锈蚀对界面黏结性能影响，采用钢筋外露部分涂环氧树脂胶，并在孔道内灌注植筋胶的措施。7天后待环氧树脂胶和植筋胶完全固化后，将试件整体平稳放入标准养护室（20±1℃，湿度95%以上）进行养护，28天后取出做上拉拔架子上开展拉拔试验。

表1 钢筋构件参数编号设置

图3 热轧带肋钢筋表面

图4 锚固扣（飞碟扣）

植筋中植筋胶采用水泥砂浆植筋胶，其原材料有：石井牌P.F.32.5粉煤灰硅酸盐水泥、最大粒径为1.18mm的河砂和自来水。水泥砂浆配制采用的水灰比为0.4，砂灰比为1.5。

2.3 植筋基材制备

为了考察钢筋与基材的黏结性能，试验中制作混凝土基体－植筋拉拔试验试件27个，每种参数对应3个拉拔试件。为了保证基材在试验过程中可靠不破坏，基材采用混凝土C50高强混凝土，尺 寸 为1050mm（长）×1050mm（宽）×450mm（高），钢筋采用HRB335型钢筋。试验前根据 《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T384-2016）［6］，对混凝土基体进行钻芯取样，芯样为67mm×67mm（高度）的圆柱体，实测的3个芯样的抗压强度平均值为57.5MPa。

在基体上表面垂直钻孔，孔径取25+Dmm，D为锚固扣径向半径；孔深为15倍的孔径。用小毛刷和高压气枪清理孔内残余粉尘，然后注入水泥砂浆植筋胶，旋转植入钢筋，最后通过水平尺调整钢筋垂直度并加以临时固定，待后期进行拉拔试验。图5、图6分别为加载前试件和加载装置图。

图5 拉拔试件示意图

图6 拉拔装置示意图

3 试验现象

3.1 试件破坏现象

试验中拉拔端连接量程为200kN的电子万能试验机，基材采用钢框架固定到下夹头上，试验加载采用位移控制，速率为0.2mm/min。以钢筋拔出或者界面破坏为试验终止条件。试验中可以发现，无论何种植筋胶，以C50高强混凝土为拉拔基材，无一破坏，较好地保证了数据的可靠性。

随着加载的进行，无论哪种锚固扣形式、锚固扣间距和半径，试验中试件均发出“啪啪”的响声。钢筋界面出现滑移破坏，并以钢筋位置为圆心，裂缝径向开展到孔道界面边缘，呈现太阳光放射状，而放射不具有规律性，但裂缝到孔道外界边终止，此时试验终止。记录破坏荷载和滑移位移。

3.2 锚固扣类型对界面破坏荷载的影响

为了考察不同锚固扣类型对界面黏结性能影响的规律，分别开展了飞碟扣、球形扣、方形扣和无扣的植筋-基材界面拉拔试验。从试验结果可以看到，飞碟扣的破坏荷载最高，为199.88kN；其次为方形扣，破坏荷载为186.25kN；再次为球形扣，破坏荷载为125.13kN，无扣的螺纹钢筋在拉拔试验中，破坏荷载最小，为53.78kN。可以明显看到，采用“锚固扣”的植筋抗拉拔力均高于无扣螺纹钢筋，采用蝶形扣的界面抗拉力高于无扣螺纹钢筋约270%。究其原因在于蝶形扣有较大的机械咬合力，蝶形边缘宽余其他扣型，且不存在应力集中，在钢筋-基材界面机械咬合力占主要影响情况下，其力学性能较优；方形扣对结构承载力仅次于蝶形扣，由于方形扣边长小于蝶形扣，虽有最大的机械咬合力，但由于边界存在应力集中，因此承载力略小于蝶形扣。但是通过试验结果来看，相比蝶形扣，承载力减少幅度仅为6.53%，若增加试件个数，可以进一步讨论减少幅值问题，可惜的是，此次试验未进一步开展；球形扣由于边缘弧度效应，在界面切向方向，产生切向剪切连续滑移面，因此在拉拔试验中，承载力最小，相比蝶形扣，承载力降低幅度高达37.40%。

3.3 锚固扣间距对界面破坏荷载的影响

为了考察不同锚固扣间距对界面黏结性能影响的规律，分别开展了不同间距的锚固扣钢筋-基材界面拉拔试验。从试验结果可以看到，7cm的锚固扣间距得到的破坏荷载最大，为16.73kN。分析规律可以发现，破坏荷载并不随着锚固间距密集越高，而是呈现逐渐增加后降低的趋势。原因在于界面中存在有效黏结长度这一概念，因此可以推断，此试验条件下界面有效黏结长度约为3-7cm，施工中，应该确定界面有效黏结长度，以设置合适锚固扣间距，最优发挥黏结效力和节省工时。若忽视植筋有效黏结长度，由于较多的设置蝶形锚固扣，不仅没有发挥黏结储备空间，而且增加施工时间，甚至影响施工工序。

3.4 锚固扣径向半径（名义）对界面破坏荷载的影响

为了考察不同锚固扣半径对界面黏结性能影响的规律，开展了拉拔强度黏结破坏试验。试验中可以看到，越大的锚固扣半径，试验破坏荷载越高，试件破坏试件越长。这与锚固扣间距对界面破坏荷载得到的结论是相反的。这是因为在钢筋纵向方向上存在有效黏结长度界面概念，而在钢筋横向上，根据加固理论，存在一定区间锚固应力集中区，在这个区域内，锚固半径越大，锚固力越高，试件抗破坏能力越强。另外从锚固扣横向维度分析，锚固扣可能存在横向最大锚固尺寸，这个效应和有效黏结长度是一致的，由于试验设置方案，未开展这一部分工作，但是从试验中可以发现，本试验中设置的蝶形锚固扣径向半径10mm，仍在有效黏结长度范围内，后续试验可增设锚固扣径向半径，实现横向有效黏结长度的精准捕捉。

4 结论

本文通过以新建连云港至镇江铁路淮安地区预留宁淮铁路宁盐上下行联络线既有承台墩身帮宽为工程背景，创新性的采用在螺纹钢筋表面设置锚固扣，拟实现植筋-混凝土界面黏结性能提升，并对植筋界面增强机理做以解释说明。通过设置锚固扣间距、锚固扣径向半径、锚固扣类型3个参数，考察其对植筋界面力学性能影响的规律。通过试验数据对比分析，得到以下几点结论：

（1）植筋界面进行形貌改良，有利于提高界面黏结强度，锚固扣类型对界面黏结强度影响最大。

（2）设置飞碟扣的植筋对界面破坏荷载最高，其次为方形扣，再次为球形扣。相比普通热轧螺纹无扣钢筋，破坏荷载提高约270%。

（3）植筋-基材界面存在有效黏结长度。界面破坏荷载并不随着锚固扣间距密集而变大，试验中呈现先增大后降低的趋势；锚固扣径向半径越大，试验破坏荷载越高。植筋存在横向有效锚固长度，试验中10mm仍在有效锚固长度内，后续试验可增设锚固扣径向半径，获得横向有效黏结长度。