钢筋混凝土结构的植筋技术及工程应用_淳庆

第23卷　第1期　

2006年3月

特　种　结　构

Vol.23　No.1

March2006

钢筋混凝土结构的植筋技术及工程应用

淳庆1　邱洪兴1　黄志诚1　方志保2

(1.东南大学土木工程学院　南京210096;2.江苏东南特种技术有限公司　南京210018)

(1.CollegeofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096;2.Jiangsu

SoutheastSpecialTechnicalEngineeringCorporationLt,Nanjing210008)

[摘要]对加固改造工程中钢筋混凝土结构的双筋植筋进行了系统的试验研究,包括不同直径钢筋、不同

深度、不同间距对植筋锚固性能的影响,得出了一些重要的结论:当植筋深度为15d,且植筋孔净距大于或等于80mm时,可以不考虑单筋锚固强度的折减,当植筋孔净距小于80mm时,需要考虑单筋锚固强度约11%～17%的折减。并用此结论较好地指导了两个植筋工程的设计,可供加固改造中多筋植筋设计时参考。

[关键词]钢筋混凝土结构　加固改造　植筋　锚固性能ABSTRACT:TheanchorageperformanceofdoubleadhesiveanchorsforRCstructuresinreinforcementandreconstruc-tionengineeringwasstudiedsystematicallybyexperiments,whichincludingthedifferentdiameteranchorsanddifferentdepthsanddifferentspacehoweffectontheanchorageperformance.Someimportantconclusionswereobtained.There-sultsshowthatwhentheanchoragedepthis15dandthenetanchoragespaceisgreaterthan80mm,theanchorageper-formanceissimilartothesingleanchordoes.Whenthenetanchoragespaceislessthan80mm,the11%～17%dis-countofsingleanchor'sanchorageperformanceshouldbetakenaccountof.Theconclusionswereusedtodirectthede-signoftwoplantingreinforcingbarprojects,theycanprovidesomereferencestothedesignofanchorgroups.KEYWORDS:RCstructures　Reinforcementandreconstruction　Post-embeddedbars　Anchorageperformance前言

随着植筋技术在工程中的广泛应用,许多学者对此展开了一系列的研究和分析,获得许多有用的成果,有些还在工程实践中得到了应用。但是,目前国内外关于钢筋植筋的试验研究、理论分析以及提出的一些设计公式大多是建立在素混凝土基础上,对在钢筋混凝土基材上的植筋研究较少,文献[1,6,7]研究了钢筋混凝土基材上单筋植筋的锚固性能,文献[2,3,5]研究了素混凝土基材上双筋植筋的锚固性能。另外,植筋间距对钢筋锚固性能的影响分析也少有人进行过试验研究。但是,在实际加固改造工程中,由于构件尺寸及承载力要求的约束,经常会遇到植筋间距较密的问题,因此,进行双筋或多筋的钢筋混凝土植筋拉拔试验研究和分析是很有必要的。目前规范仅对植筋深度做了规定,而对植筋间距尚无界定。本文希望通过对钢筋混凝土基材上双筋植筋的拉拔试验,观察植筋的破坏形态,了解钢筋直径、锚固深度、锚固间距对植筋锚固性能的影响,并得出双筋植筋的极限承载力的折减系数,可供工程人员进体-粘结复合破坏,见图1d。

2　试验方案及试件制作

本文通过试验研究,讨论钢筋混凝土基材上双筋植筋的锚固性能及破坏形式与钢筋直径、锚固深度及锚固间距之间的关系。试验钢筋采用二级螺纹钢,直径分16mm和20mm两种,每组植筋孔净间距分别为30mm、50mm、80mm、120mm、150mm,锚固深度分别为6d、8d、15d。混凝土浇筑28d的实测轴心抗压强度为42.2MPa,抗拉强度为3.05MPa;钢筋实测屈服强度为350MPa,极限抗拉强度为530MPa;结构胶采用THG-N型建筑结构胶,其主要力学性能指标见表1。

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行植筋设计时参考。

1　植筋的破坏模式

植筋的破坏模式可以分为4类:(1)钢筋拉

断,见图1a;(2)混

凝土锥体破坏,见图1b;(3)结构胶与混凝土粘结破坏,见图1c;(4)锥

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表1　THG-N型结构胶

SPST

抗拉

抗剪钢-混强度强度凝土抗剪34MPa20MPa混凝土破坏钢-混凝土轴心抗拉混凝土破坏钢-钢钢-钢抗剪轴心抗拉>18MPa>20MPa

植筋锚固的过程包括钻孔、清洗、调胶、植筋等工序。钻孔时,植筋孔的净距及深度与试验预先的设计值相同。植筋前,先将钢筋打磨除锈至露出金属光泽,钢筋锚固端用丙酮清洗干净。每一组试件之间留有一定的间距,便于布置加载试验装置和观察试验过程中的破坏现象。植筋后在室外固化48h后进行拉拔试验。试验构件见图2、加载装置见图3,传力路线为千斤顶※钢筋※分配梁(工字钢)※基座。3　试验结果分析3.1双筋植筋的破坏形态

本次试验30组双筋植筋的破坏形态见表2。从结果可以看出:钢筋混凝土结构双筋植筋的破坏形态主要有两种:锥体-粘结复合破坏、钢筋拉断。

表1　双筋植筋的破坏形态

钢筋

锚固植筋孔直径深度

6d6d6d6d6d8d8d

16mm8d

8d

8d15d15d15d15d15d

净距30mm50mm80mm

破坏形态复合破坏复合破坏复合破坏

钢筋锚固

6d6d6d6d6d8d8d8d8d15d15d15d15d15d

植筋30mm

50mm80mm120mm150mm30mm50mm80mm120mm150mm30mm50mm80mm120mm150mm

直径深度孔净距

破坏形态复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏复合破坏钢筋拉断钢筋拉断钢筋拉断

3.2双筋植筋的试验结果分析

1.当双筋植筋的锚固深度为6d时,对于植筋孔净距为30mm、50mm、80mm、120mm、150mm时,随着荷载的逐渐增大,钢筋周围混凝土出现裂缝,随即发生锥体-粘结复合破坏,整个锚固系统丧失承载力,钢筋未发生屈服。极限荷载与植筋孔净距的关系见图4,强度折减系数与植筋孔净距的关系见图5。

从图中可以看出,随着植筋孔净距的增大,直径为16mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约16%,直径为20mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约9%;当植筋孔净距>5cm时,净距对极限荷载几乎没有影响;直径为16mm的双筋植筋的强度折减系数在22%～33%之间,直径为20mm的双筋植筋的强度折减系数在14%～21%之间。

2.当双筋植筋的锚固深度为8d时,对于植筋孔净距为30mm、50mm、80mm、120mm、150mm,随着荷载的逐渐增大,钢筋先发生屈服,钢筋周围混凝土出现裂缝,继续加载,最后发生锥体-粘结复合破坏,整个锚固系统丧失承载力。极限荷载与植筋孔净距的关系见图6,强度折减系数与植筋孔净距的关系见图7。

120mm复合破坏150mm复合破坏30mm50mm80mm

复合破坏复合破坏

复合破坏20mm8d

120mm复合破坏150mm复合破坏30mm50mm80mm

复合破坏复合破坏钢筋拉断

120mm钢筋拉断150mm钢筋拉断

从图中可以看出,随着植筋孔净距的增大,直径为16mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约9%,直径为20mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约8%;当植筋孔净距>8cm时,净距对极限荷载几乎没有影响;直径为16mm的双筋植筋的强度折减系数在20%～27%之间,直径为20mm的双筋植筋的强度折减系数在4%～8%之间。

3.当双筋植筋的锚固深度为15d时,对于植

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筋孔净距为30mm、50mm时,随着荷载的逐渐增

大,钢筋先发生屈服,钢筋周围混凝土出现裂缝,继续加载,锚固钢筋与混凝土之间的相对滑移迅速增大,最后发生锥体-粘结复合破坏,整个锚固系统丧失承载力。对于植筋孔净距为80mm、120mm、150mm,随着荷载的逐渐增大,钢筋先发生屈服,钢筋周围混凝土出现裂缝,继续加载,锚固钢筋与混凝土之间的相对滑移增大,但总滑移量仍然较小,最后发生钢筋拉断破坏,整个锚固系统丧失承载力。极限荷载与植筋孔净距的关系见图8,强度折减系数与植筋孔净距的关系见图9

。

筑物原设计为6层钢筋混凝土框架结构,并建有1层地下停车库。主体结构高度为21.6m,总建筑面积约13000m2。该建筑物原设计用途1～3层为商场,4～6层为住宅。实际使用中上面3层作为该商场的办公用房和仓库。随着商场经营规模的扩大,需要增大商场的营业面积。业主决定将原4～6层改为2层,增大层高,作为商场使用。为满足改造后的功能要求,需要将原5层和6层楼面拆除,在其中间新加1层。本工程采用了新加框架梁筋植入原框架柱中形成刚性节点后进行加层的方法,并且在框架柱新加节点核心区采用增大截面的加固方法。本工程的植筋深度为15d,由于设计植筋的最小孔净距仅30mm,故设计时考虑了11%的强度折减系数。为保证连接面的抗剪力,本工程在连接处原柱表面凿深约25mm,间距为150mm的沟槽。新加梁的截面及加固框架节点见图10

。

从图中可以看出,随着植筋孔净距的增大,直径为16mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约17%,直径为20mm的双筋植筋的极限荷载可以提高约12%;当植筋孔净距>8cm时,净距对极限荷载几乎没有影响;直径为16mm的双筋植筋的强度折减系数在0～17%之间,直径为20mm的双筋植筋的强度折减系数在0～11%之间。

从上述试验的结果,并结合有关文献的研究成果,可以得出以下结论:当所植钢筋直径在16～25mm之间、锚固深度15d时,如果钢筋的植筋孔净距小于80mm时,建议对钢筋的锚固强度折减11%～17%;而对于植筋孔净距大于或等于80mm时,可以不考虑钢筋锚固强度的折减。即,当S=30～80mm时:

Ncu,n=(0.83～0.89)nNcu(1)

当S>80mm时:

Ncu,n=nNcu(2)式中:S为植筋孔净距;Ncu,n为多根钢筋的极限

承载力;n为钢筋的数量;Ncu为单根钢筋的极限承载力,Ncu的取值可以依据《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ145-2004)中关于单根植筋的极限承载力计算。4　　工程应用4.1　工程实例1

江苏省如皋市某大型商场,位于如皋市市中心附近,于20世纪90年代中后期设计并建成,建该工程于2004年5月开始施工,7月结构主体基本完工。从完工后至今,商场已经营业1年多了,而且其中经历了商场举行优惠活动时的人流量高峰期,结构完好,使用正常。4.2　工程实例2

江苏省徐州市某大型商场,为某高层建筑的

裙楼,地下2层,地上8层的框架结构,主体高度为30.35m,总建筑面积约70000m2。因业主要求对原结构进行改扩建,在原结构2至6层上扩建部分楼面,需新加框架梁和悬挑梁,框架梁截面尺寸为400mm

×1000mm,悬挑梁挑出长度5210mm长,截面尺寸

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为500mm×700mm～1100mm,新加梁的受力筋均植入原框架柱中。本工程的植筋深度为15d,由于新加梁设计植筋的最小孔净距仅40mm,故设计时考虑了10%的强度折减系数。为保证连接面的抗剪力,本工程也在连接处原柱表面凿深约25mm,间距为150mm的沟槽。新加框架梁和悬挑梁的截面分别见图11和图12。

由于该工程悬挑梁长度较大,故在悬挑梁端部采取了钢板附加锚固措施,以提高结构的安全度。整个改造工程于2003年9月开始施工,12月结构扩建基本完工,从完工后至今,商场已经营业2年多了,结构完好,使用正常。5　结语

对于钢筋混凝土结构,当锚固深度为15d,且植筋孔净距大于或等于80mm时,可以不考虑钢筋锚固强度的折减;但如果受结构连接设计或结构尺寸的限制,植筋孔净距在30mm～80mm之间(上接第81页)

表5　主塔初始有限元模型的动力特性

振型实测频率

Hz)阶数f0(123456789

0.2000.3500.7751.0751.4002.1002.1252.6252.675

振动模式一阶顺桥向弯曲一阶横桥向弯曲

一阶扭转二阶顺桥向弯曲二阶横桥向弯曲三阶横桥向弯曲

二阶扭转中塔柱局部相对弯曲三阶顺桥向弯曲

计算频率f(Hz)0.1960.3470.7361.1001.4022.1262.0452.4172.756

相对误差(%)2.0000.8575.0322.3260.1431.2383.7657.9243.028

时,建议按单筋锚固强度的83%～89%叠加计算

多筋植筋的锚固强度,直径小的植筋强度折减系数要大一些。由于植筋的锚固强度还与混凝土强度、原结构配筋情况等因素相关,为更好保证连接的可靠性,建议适当增加植筋的锚固深度,或采取一些附加锚固措施。

参考文献

[1]熊学玉,许立新,胡家智.化学植筋的拉拔试验研究.建筑技

术.2000(6).383～384[2]何勇.混凝土结构化学粘结锚杆锚固性能的研究.武汉大学硕

士学位论文.2001[3]何勇,徐远杰等.混凝土结构的双筋粘结锚固性能试验研究.

武汉大学学报.2003(4).88～91[4]司伟建,周新刚等.混凝土结构植筋粘结锚固性能的试验研

究.建筑结构.2001(3).9～12[5]周新刚,王尤选等.混凝土植筋锚固极限承载能力分析.工程

力学.2002(12).82～86[6]阎锋,张惠英.在钢筋混凝土基材上植筋的拉拔试验研究.建

筑技术.2003(6).442～444[7]柯梅生.化学植筋技术的试验研究与工程应用.施工技术.

2001(2).13～14

计算刚臂的弹性模量取为10E(E为C50混凝土

102

材料的弹性模量3.45×10N/m),刚臂的长度系数γ取为0.25。文献[1]将在本文基础之上,对初始有限元模型进行参数修正,并与实测结果对比来验证模型的正确性,从而最终建立润扬悬索桥主塔结构的基准有限元模型。

参考文献

[1]刘涛,李爱群,丁幼亮,刘毅.悬索桥主塔结构的有限元模拟方法

研究2.模型修正与验证[J].特种结构,2006年第2期(待刊).[2]ntaufixedcrossing:vibrationmonitoringofbridgetowers-Finalreportonthemodelingandtheplanofmeasurement

ofthefreestandingTsingMaBridgetowers[R].DepartmentofCivilandStructureEngineering,HongKongPolytechnic,HongKong,1994[3]范立础,袁万城,张启伟.悬索桥结构基于敏感性分析的动力

有限元模型修正[J].土木工程学报,2000,33(1):9-14.[4]周孟波等编著.悬索桥手册[M].北京:人民交通出版社,2003.80-95[5]MottersheadJE,FriswellM.Modalupdatinginstructuredynamics:a

survey[J].JournalofSoundandVibration,1993,167(2):347-375[6]东南大学土木工程学院.润扬长江公路大桥结构安全监测系统研究(南汊悬索桥南塔结构动力测试报告)[R].南京:东南大学,2002[7]BaoZW,KoJM.Ambientvibrationmeasurementandanalysesonex-istingtallbuildinginHongKong[J].Proceedingof6thInternationalModalAnalysisConference,1998

[8]江苏省交通规划设计院,北京建达道桥咨询公司.润扬长江公

路大桥施工图设计(南汊悬索桥)[R].2000[9]杨咏昕,陈艾荣,项海帆.桥梁结构动力特性分析中节点刚性区问题的处理[J].土木工程学报,2001,34(1):14-18

注:相对误差= f-f0 ×100%/f0

6　结语

利用环境振动测试结果来修正和验证有限元模型,从而建立一个可以全面正确反映实际结构力学性态的基准有限元模型,是对大型复杂结构进行有限元模拟的有效途径。本文以润扬悬索桥主塔结构为研究对象,对依据设计图纸建立的有限元模型进行了阶次误差、结构误差的分析和修正。阶次误差分析表明,在考虑全桥求解规模设定的最大单元划分数目的基础之上,主塔的线性离散所引起的阶次误差较小。结构误差分析表明,主塔结构的有限元模型必须考虑梁柱节点刚性区域的影响。本文采用刚臂模拟刚性区域,经

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/09ym.html