約束拉拔植筋錨固性能的試驗研究

劉啟真， 唐興榮

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

混凝土結(jié)構(gòu)植筋系統(tǒng)包括混凝土基體、結(jié)構(gòu)植筋膠和植筋鋼筋，存在兩個接觸界面，即植筋膠與植筋界面（簡稱“膠-筋”界面）、植筋膠與混凝土界面（簡稱“膠-混”界面）。 由于結(jié)構(gòu)植筋膠與鋼筋間的粘結(jié)應(yīng)力要大于結(jié)構(gòu)植筋膠與混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力， 一般混凝土結(jié)構(gòu)植筋系統(tǒng)大多發(fā)生結(jié)構(gòu)植筋膠-混凝土界面的滑移破壞。 目前，后植筋技術(shù)在結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者針對不同規(guī)格的結(jié)構(gòu)膠植筋粘結(jié)性能進行了大量的試驗研究和理論分析[1-4]，但開展對粘結(jié)-滑移關(guān)系的試驗研究和理論分析還不多，且大多通過鋼套筒拉拔試驗對膠-筋界面粘結(jié)-滑移關(guān)系進行研究， 對工程實際應(yīng)用中植筋膠與混凝土界面粘結(jié)-滑移的研究還很少[5]，因此有必要開展植筋膠-混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的研究。 本文以植筋深度、植筋膠厚度、植筋表面特征等為設(shè)計參數(shù)，進行了7 組19 個單筋約束拉拔試驗，研究不同參數(shù)對約束拉拔承載力的影響，以及膠-混界面破壞時粘結(jié)滑移關(guān)系，為植筋結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用和有限元模擬分析提供了技術(shù)依據(jù)。

1 約束拉拔試驗概況

1.1 試件設(shè)計

以膠層厚度、埋深深度、鋼筋表面形狀為參數(shù)，設(shè)計了7 組19 個混凝土結(jié)構(gòu)植筋約束拉拔試件，各試件參數(shù)見表1 所列和圖1 所示。 其中第1、2、3、4 組主要對比了不同膠厚的影響，第1、5、6 組主要對比了不同埋深的影響。 第1、7 組主要對比了不同鋼筋表面形狀特征的影響。

1.2 材料力學(xué)性能

各組試件混凝土基體的設(shè)計強度等級均為C35，混凝土配合比見表2 所列。實測混凝土立方體抗壓強度（150 mm×150 mm×150 mm）為29.7MPa，棱柱體抗壓強度（100 mm×100 mm×300 mm）為27.0 MPa。 鋼筋HRB400 級，屈服強度為426 MPa，極限強度為612 MPa，彈性模量2.97×104MPa。

表1 試驗參數(shù)一覽表

圖1 各試件截面尺寸及配筋

表2 混凝土配合比

結(jié)構(gòu)植筋膠采用國產(chǎn)的鑫球牌植筋結(jié)構(gòu)膠，型號為XQ-360E，植筋膠力學(xué)指標如下。

XQ360E 雙組份環(huán)氧植筋膠：劈裂抗拉強度≥8.5 MPa，抗彎強度≥50 MPa，抗壓強度≥60 MPa，鋼對鋼拉伸抗剪強度≥10 MPa，約束拉拔條件下帶肋鋼筋與混凝土（C30）粘結(jié)強度≥11 MPa。

1.3 植筋工藝

植筋工藝：采用試模澆筑試件混凝土基體并養(yǎng)護成型→采用水鉆鉆孔→植筋孔打毛、清理→注植筋膠（約植筋埋深的1/2～2/3）→植筋→養(yǎng)護。需要說明，為了防止成孔時電鉆的沖擊力致使試件混凝土基體開裂，植筋孔采用水鉆成孔，并采用鋼絲刷進行反復(fù)打毛。 由于植筋孔采用對穿設(shè)計，為了防止植筋時漏膠，在每個試件下墊一塊中間帶孔（直徑22 mm）尺寸為150 mm×150 mm 木板，并用透明膠帶密封。 帶肋鋼筋植筋

時，為了使植筋膠能夠填充滿肋間，應(yīng)將鋼筋旋入，同時需保持植筋鋼筋的垂直度。

1.4 加載裝置

采用蘇州科技大學(xué)建材試驗室的WE-600 型液壓式萬能試驗機進行拉拔試驗，采用荷載控制分級加載。 拉拔反力架采用混凝土握裹力試驗裝置，如圖2 所示。

1.5 測量內(nèi)容及方法

采用YWD-50、YWD-100 位移計測量試件植筋自由端和拉拔端的豎向位移（位移計布置見圖2）； 采用鋼筋應(yīng)變片測量植筋鋼筋的應(yīng)變；WE-600 型液壓式萬能試驗機測讀拉拔荷載等。 位移計及電阻應(yīng)變片采用DH3821Net 靜態(tài)電阻采集箱進行采集。

圖2 混凝土握裹力試驗裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 主要試驗結(jié)果

各組試件主要試驗結(jié)果見表3 所列。 由表3 可見，絕大部分約束拉拔試驗發(fā)生膠-混界面破壞。

2.2 加載端拉拔荷載-位移曲線

圖3 給出了各試件約束拉拔荷載-豎向位移曲線（P-δ）。 由圖3（a）到圖3（f）變形鋼筋的拉拔荷載-豎向變形曲線可見，拉拔荷載-豎向變形曲線呈三階段模式，見圖4。

（1）彈性粘結(jié)段：在加載初期，拉拔荷載與豎向位移曲線近似線性變化，拉拔荷載與豎向位移曲線為通過坐標原點的斜直線。

表3 主要試驗結(jié)果

圖3 各組試件加載端P-δ 曲線

圖4 膠-混界面粘結(jié)-滑移曲線理論模型

（2）滑移段：隨著拉拔荷載的增加，試件拉拔荷載-豎向位移曲線開始出現(xiàn)明顯的非線性，在曲線上出現(xiàn)較為明顯的彎折。 在幾何特征上，可以看作為二次拋物線，且拋物線的頂點為峰值拉拔荷載。

（3）摩擦滑移段：當(dāng)約束拉拔試件達到峰值拉拔荷載時，粘結(jié)界面應(yīng)力主要為摩擦力，拉拔荷載-豎向位移曲線呈直線下降段。

2.3 拉拔承載力分析

（1）植筋膠厚度對拉拔承載力的影響。 試件PBAC-1 至PBAC-4為其他條件相同，植筋膠厚度分別為3.5、2.5、4、5 mm，其峰值拉拔荷載分別為87.5、85.3、90.5、92.5 kN，峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移分別為1.22、1.06、1.31、1.37 mm。圖5 給出峰值拉拔荷載-植筋膠厚度關(guān)系曲線（Pu-ts）。隨著ts增大，植筋膠與混凝土界面接觸面積增大，約束拉拔試件的Pu提高，Pu對應(yīng)的豎向變形增大。

（2）植筋錨固長度對拉拔承載力的影響。 試件PBAC-1、試件PBAC-5 和試件PBAC-6 為其他條件相同，植筋埋深不同，依次為6d、5d、7d，其峰值拉拔荷載分別為87.5、75.5、93.5 kN，峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移分別為1.22、1.21、1.32 mm。 圖6 給出了峰值拉拔荷載-植筋相對埋深的關(guān)系曲線（Pu-la/d）。 由圖6 可見，隨著la/d的增大，植筋體系的粘結(jié)剛度增大，Pu基本呈線性提高，但峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移沒有明顯變化。

（3）鋼筋表面特征對拉拔承載力影響。試件PBAC-1 與試件PBAC-7 為其他條件相同，前者為帶肋鋼筋，后者為光圓鋼筋。試件PBAC-1 發(fā)生膠-混界面破壞，而試件PBAC-7 發(fā)生膠-筋界面破壞。圖7 給出了試件拉拔荷載-豎向位移曲線P-δ。由圖7 可見，試件PBAC-1 的峰值拉拔荷載大于試件PBAC-7 的拉拔荷載，峰值拉拔荷載對應(yīng)的豎向位移要小于試件PBAC-5 的豎向位移。 因此，混凝土結(jié)構(gòu)植筋應(yīng)優(yōu)先采用帶肋鋼筋。

圖5 Pu-ts 慣性系曲線

圖6 Pu-la/d關(guān)系曲線

圖7 試件P-δ 曲線

3 約束拉拔粘結(jié)-滑移特征值分析

（1）極限粘結(jié)應(yīng)力和對應(yīng)的位移特征值。 平均極限粘結(jié)應(yīng)力τu

式中，Pu為峰值拉拔荷載；D為植筋孔徑；la為植筋埋深。

Pu對應(yīng)的位移值用δu來表示。 由試驗結(jié)果可知，植筋埋深和膠厚均與呈正相關(guān)，則

式中，k1植筋埋深影響系數(shù)；k2植筋膠厚影響系數(shù)；b基準常系數(shù)。 擬合后k1=0.005，k2=0.14，b=0.13；得

試驗實測峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移值與按式（3）計算的峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移值的比值的平均值為1.0059，均方差為0.0415，可見符合較好，可以用來計算峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移值。

（2）彈性粘結(jié)應(yīng)力及對應(yīng)的位移特征值。彈性粘結(jié)應(yīng)力τe為粘結(jié)階段峰值拉拔荷載對應(yīng)的膠-混界面平均粘結(jié)應(yīng)力。 由試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，τe為極限粘結(jié)應(yīng)力的0.77 倍，即見表5 所列。

彈性位移值δe為彈性階段峰值點（彈性極限荷載Pe）對應(yīng)位移，δe為峰值拉拔荷載對應(yīng)的位移δu的0.51倍，即δe=0.51δu。 見表5 所列。

表5 各試件粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系特征點

（3）殘余粘結(jié)應(yīng)力及對應(yīng)的位移特征值。 殘余粘結(jié)應(yīng)力由破壞位移對應(yīng)拉拔荷載計算所得，破壞位移取極限位移的2 倍。 由于本文試驗無法得到下降段，殘余粘結(jié)強度的確定結(jié)果[5]采用殘余粘結(jié)強度

考慮到試驗數(shù)據(jù)樣本較少，為了保證拉拔承載力的可靠度，取具有一定保證率的膠-混界面粘結(jié)應(yīng)力

式中，τu為平均極限粘結(jié)應(yīng)力，按式（1）計算；δu為平均極限粘結(jié)應(yīng)力均方差。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按式（4）可得τu=7.43 MPa。

根據(jù)上述試驗回歸確定的約束拉拔粘結(jié)-滑移特征值， 可以得到膠-混界面破壞粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型的基本函數(shù)τ（δ），見式（5）。

由平均粘結(jié)強度理論對得到的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系基本函數(shù)進行計算，可以得到理論拉拔荷載-豎向位移曲線（圖3）。 由圖3 可見，拉拔荷載-豎向位移曲線（P-δ）理論值與試驗值符合較好，可以較好的反映試驗拉拔荷載-豎向位移曲線。

4 結(jié)論

通過試驗得到以下主要結(jié)論：絕大部分帶肋植筋鋼筋試件均發(fā)生植筋膠與混凝土之間界面破壞，能夠真實反映植筋膠-混凝土界面的粘結(jié)滑移； 植筋膠-混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力與滑移的曲線可簡化為彈性階段、粘結(jié)階段和破壞階段，根據(jù)試驗結(jié)果回歸確定的植筋膠-混凝土界面粘結(jié)-滑移理論模型可以用于混凝土植筋結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析；試驗結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，隨著植筋膠厚的增大，試件拉拔承載力和滑移值均增大；隨著植筋錨固深度的增大，試件拉拔承載力大致呈線性增大。