（土木工程专业论文）钢筋混凝土植筋锚固构件抗震性能试验研究及有限元分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缉翻煎日期：型丝：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：客翻盗z 导师签名：日期： 摘要 摘要 植筋技术是一种比较成熟的混凝土结构加固施工技术，它以施工方便、工作 效率高和适应性强等优点在新增结构构件的施工中得到普遍应用。植筋技术最关 键的问题就是植筋的深度，因为植筋系统主要是依靠植筋胶与钢筋的粘结传力， 植入钢筋越深，其能承受的拉拔力就越大。随着世界各地地震灾害的频频发生， 建筑结构的抗震性能一直是土木工程专业人员非常重视的内容之一，通过植筋技 术连接的新增钢筋混凝土锚固构件的抗震性能也是土木工程界近年来非常关注 的方面。因此，对植筋系统的抗震性能研究具有重要的工程实际和理论意义。本 文从试验、理论计算和设计分析三方面较系统地研究了钢筋混凝土植筋锚固构件 的抗震性能，主要内容和成果如下： ( 1 ) 进行了1 个整体浇筑钢筋混凝土构件和4 个植筋钢筋混凝土锚固构件 在低周反复荷载下的抗震性能试验研究，较系统地对比分析了其破坏形态、承载 力j 滞回特性、延性、刚度衰减过程、耗能能力及钢筋应变等，分析了植入钢筋 直径和锚固深度等因素对其性能的影响。结果表明：随着锚固深度的增加，植筋 锚固构件的承载能力、刚度、延性及耗能能力均有所提高。 ( 2 ) 通过对1 个植筋深度为1 0 d 的钢筋混凝土锚固构件和5 个由锚栓加固 后的植筋构件在低周反复荷载下的试验研究分析，较系统地比较了其破坏形态、 承载力、滞回特性及延性等抗震性能。研究结果表明：试验中所用锚栓在承受反 复拉拔力时锚固效果良好，提高了构件的屈服强度和峰值荷载，改善了构件的延 性，尤其在试验后期，锚栓在限制构件承载力下降和位移增大方面起了重要作用； 单锚构件的承载力和延性均优于双锚构件，在有限的范围内锚固多根锚栓，容易 造成原有混凝土结构截面的削弱，导致构件加固效果反而降低。 ( 3 ) 以1 个整体浇筑构件和2 个j c t 牌植筋锚固构件的抗震性能试验结果 为基础，将试验结果数据与试验构件的承载力理论计算结果进行对比分析，可以 得到以下结论：弹塑性截面分析方法可以应用于计算植筋钢筋混凝土构件的屈服 承载力，理论值与试验值吻合良好。 ( 4 ) 利用a b a q u s 有限元分析软件，建立三个三维实体模型，对其进行模 拟位移加载，对比分析了构件模型的破坏形态、钢筋应力应变和承载力等。并将 有限元分析结果与低周反复加载试验结果数据进行对比，研究结果表明：植筋深 度为1 5 d 和2 0 d 的构件可以满足设计要求；用非线性弹簧单元s p r i n g a 模拟锚 固深度范围内植筋胶与钢筋的粘结作用可以作为植筋构件受力分析的参考；钢筋 应变集中在植入钢筋锚固段的上部，下部钢筋应变小。 ( 5 ) 依据相关植筋技术文献、行业标准和设计规范对植筋工程施工工艺流 程、质量检验评定标准及现行规范的设计方法进行了系统的总结。 北京_ 丁业大学t 学硕士学位论文 关键词：植筋；抗震性能；化学锚栓；有限元：施工质量验收 i i a b s t r a c t a bs t r a c t p o s t i n s t a l l e dc h e m i c a l l yr e b a ri sar e l a t i v e l ym a t u r et e c h n o l o g yo fc o n c r e t e s t r u c t u r e sr e i n f o r c e dc o n s t r u c t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e c o n s t r u c t i o no f c o n c r e t es t r u c t u r e sr e i n f o r e e db e c a u s eo fc o n v e n i e n c e ，h i 曲l ye f f i c i e n c ya n d a d a p t a b i l i t y t h ed e p t hi st h em o s tc r i t i c a li s s u e so fe m b e d d e dr e b a r , b e c a u s ea n c h o r s y s t e r nr e l i e sm a i n l yo nt h ec o h e s i v ef o r c eb e t w e e nt h er e b a ra n dt h ea d h e s i v e t h e m o r ed e e p l ye m b e d d e dr e b a r , t h eg r e a t e rt h ep u l l i n gf o r c e a st h ee a r t h q u a k eh a p p e n s f r e q u e n t l y , s e i s m i cp e r f o r m a n c eo fb u i l d i n gs t r u c t u r e s h a sb e e na t t a c h e dg r e a t i m p o r t a n c et oc i v i le n g i n e e r i n gi nt h ew o r l d i t sa l s ot o t h ea n c h o rs y s t e m i th a s i m p o r t a n te n g i n e e r i n ga n dt h e o r e t i c a lv a l u e t h i sp a p e rr e s e a r c h e ss y s t e m a t i c a l l yt h e s e i s m i cp e r f o r m a n c eo fa n c h o rs y s t e mi nt h r e ea s p e c t si n c l u d i n ge x p e r i m e n t s ，t h e o r y a n dd e s i g nm e t h o d ，m a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) i no r d e rt or e s e a r c ht h ed y n a m i cp r o p e r t i e so f f r a m ej o i n t sw i t hp o s t i n s t a l l e d c h e m i c a l l yr e b a r , f i v er cm e m b e r s w e r et e s t e du n d e rc y c l i cl o a d ，f o u ro ft h e mw e r e p o s t i n s t a l l e dc h e m i c a l l yb o n d e dl o n g i t u d i n a lr e b a r , a n dc o m p a r e st h er e s u l t sw i t h o n ec a s t i n p l a c em e m b e r u n d e rl o wf r e q u e n c yc y c l i cl o a d i n g ，t e s tp h e n o m e n aa r e d e s c r i b e d ，e x p e r i m e n t a ld a t aa r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d ，a n dt h ee f f e c t so ft h e e m b e d d e dd e p t ha n dt h er e b a rd i a m e t e ro nt h es e i s m i cb e h a v i o ra r es t u d i e d r e s u l t s s h o wt h a tt h es e i s m i cb e h a v i o rc a nb ei m p r o v e df o rr cs t r u c t u r ew i t hi n c r e a s i n gt h e b o n ds t r e n g t h ，i n c l u d i n gt h ed u c t i l i t y , e n e r g yd i s s i p a t i o n , a n dt h eb e a r i n gc a p a c i t y ( 2 ) i no r d e rt or e s e a r c ht h ea n c h o rw h e t h e rc a l lb eu s e di ns e i s m i ca r e ao rt e n s i l e r e g i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t em e m b e r s ，s i xr cm e m b e r sc o n f i n e db ya n c h o rw e r e t e s t e du n d e rc y c l i c1 0 a da n dc o n s t a n ta x i a l e x p e r i m e n t a ld a t aa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a n dt h ee f f e c t so fa n c h o ro nt h es e i s m i cb e h a v i o ra r es t u d i e d r e s u l t ss h o w t h a tt h es e i s m i cb e h a v i o ro fr cc o u l db ei m p r o v e di ft h ec o n f i n e da n c h o rw o r k sw e l l ， i n c l u d i n gt h ea n c h o r i n ge f f e c t i v e n e s s ，t h ed u c t i l i t y a n dt h eb e a r i n gc a p a c i t y e s p e c i a l l yn e a rt h ee n do ft h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，a n c h o rp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei n p r e v e n t 廿l ef m ld o w n o f t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h ei n c r e m e n to fd i s p l a c e m e n t ( 3 ) b a s e d o nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fo n ec a s t - i n - p l a c em e m b e ra n dt w om e m b e r s w i t hp o s t i n s t a l l e dc h e m i c a l l yb o n d e d ，g o o da g r e e m e n tb e t w e e n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t a n dt h et e s tr e s u l ti so b t a i n e d ( 4 ) b yt h eu s eo fa b a q u s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ef a i l u r em o d e so f c o m p o n e n tm o d e l ，s t r e s so fr e b a ra n db e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e dw e r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta n c h o rd e p t ho f15 da n d2 0 do ft h ec o m p o n e n t s i i i 北京工业大学工学硕十学位论文 m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h em e t h o do fu s i n gn o n l i n e a rs p r i n ge l e m e n tc a nb e u s e da sar e f e r e n c ei nt h es t r e s sa n a l y s i s s t r a i nc o n c e n t r a t i o ni nt h eu p s i d eo ft h e i m p l a n t e dr e b a r ( 5 ) b a s eo nt h er e l e v a n tt e c h n i c a ll i t e r a t u r e ，s p e c i f i c a t i o n so ft h ee m b e d d e ds t e e l b a r sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h ed e s i g nm e t h o d ，t h ei n d u s t r yq u a l i t ya s s e s s m e n t s t a n d a r d sa n dc o n s t r u c t i o n p r o c e s so ft h ep o s t i n s t a l l e dc h e m i c a l l yr e b a rw e r e s u m m a r i z e d k e y w o r d s ：p o s t i n s t a l l e dc h e m i c a l l yr e b a r , s e i s m i c ，a n c h o r , f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ，q u a l i t yi n s p e c t i o na n da s s e s s m e n tm e t h o d so fc o n s t r u c t i o n 1 4 国内外研究进展3 1 4 1 植筋锚固拉拔试验及破坏机理研究3 1 4 2 植筋构件节点抗震性能的试验研究6 1 4 3 植筋系统受力机理研究及有限元分析1 1 1 5 本课题的研究意义和主要内容1 4 1 5 1 研究意义1 4 1 5 2 研究内容1 4 1 6 本章小结1 5 第2 章试验概况1 7 2 1 试件的设计、制作及材料性能1 7 2 1 1 模型设计及制作1 7 2 1 2 材料力学性能1 9 2 2 试验加载方案及测点布置2 0 2 2 1 试验加载方案2 0 2 2 2 测试内容及测点布置2 1 2 3 本章小结2 1 第3 章钢筋混凝土植筋锚固构件抗震性能试验研究结果分析2 3 3 1 各试件破坏形态对比分析2 3 3 2 承载力实测结果及分析2 4 3 3 滞回曲线及分析2 5 3 4 骨架曲线2 7 3 5 延性分析2 8 3 6 刚度退化。2 8 3 7 抗震分析2 9 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ _ o - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ 一 北京下业大学工学硕十学位论文 3 8 钢筋应变分析：3 0 3 9 本章小结3 4 第4 章化学锚栓加固植筋构件的抗震性能试验研究结果及分析3 7 4 1 试件破坏形态及分析3 7 4 2 承载力分析3 8 4 3 重复加卸载下构件的荷载一位移关系曲线3 9 4 4 抗震性能和延性分析4 1 4 5 本章小结4 2 第5 章钢筋混凝土植筋锚固构件承载力计算分析4 3 5 1 基本假定4 3 5 2 材料力学模型4 3 5 3 钢筋混凝土植筋锚固构件承载力理论计算4 4 5 3 1 受拉混凝土开裂状态4 4 5 3 2 纵向受拉钢筋屈服状态4 6 目录 7 4 对化学植筋施工工艺的要求6 7 7 5 植筋深度的设计要求：6 9 7 6 本章小结7 0 结论和展望7 1 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表论文及参与科研项目7 7 致谢7 9 i i i 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 我国是地震灾害多发的国家，处于世界上两个最活跃的地震带上，一个是环 太平洋地震带( 我国东部地区) ，另一个是欧亚地震带( 我国西部及西南部地区) 。 我国地震震害严重的主要原因有以下几个方面：地震区分布广；震源浅，强度大； 建设工程抗震能力低；位于地震区的大中城市多；强震的重演周期长。近年来， 我国相继发生了多次强烈地震，造成人员伤亡、经济损失惨重的主要原因是房屋 破坏、倒塌。 随着我国国民经济的高速增长，一些危旧建筑开始与高速发展的生产需要不 相适应。这些建筑物随着时间的流逝，因劣化、损伤造成使用性能下降，或因技 术条件限制无法继续使用，存在安全隐患；过去不够科学的设计理论、不够成熟 的施工和管理等因素也给建筑物留下了许多安全隐患。因此，有必要对这些建筑 物重新通过结构设计，进行有效的加固改造。 抗震加固是提高既有建筑抗震能力最有效的手段，对未设防的现有工程进行 抗震鉴定与加固是当前我国抗震工作的重点。近几年来，我国各省市对已有建筑 物加固改造的工程规模不断扩大，工程界的研究人员对加固改造技术的研究正处 于全面起步阶段，发展迅速。 目前建筑结构加固改造工程中常用的施工方法主要有粘贴钢板加固、粘贴碳 纤维加固、外包钢板加固、注浆加固、增大截面法、化学植筋加固、预应力加固 和改变结构受力体系等。结构加固的抗震设计也应该得到工程界的重视，加固后 的建筑应满足国家有关的抗震设防要求。 1 2 植筋技术的特点及应用范围】 混凝土新技术和新材料在工程改建和加固中普遍开始应用，植筋已经是一种 较为成熟的混凝土加固改造技术。植筋，它是在需连接的旧混凝土构件上根据结 构的受力特点，确定钢筋的数量、规格和位置，在旧构件上经过钻孔、清孔、注 入植筋胶粘剂，再插入所需钢筋，使钢筋与混凝土通过结构胶粘结在一起，然后 浇筑新混凝土，从而完成新旧钢筋混凝土的连接，达到共同作用、整体受力的目 的。作为一种有效的加固技术，植筋具有以下优点： ( 1 ) 施工方便、工作面小、工作效率高； ( 2 ) 适应性强、适用范围广、锚固结构的整体性能好、价格低廉； 北京t 业大学工学硕j _ 学位论文 ( 3 ) 不必在原有钢筋混凝土上进行大量开凿挖洞，只需在植筋部位钻孔后， 利用植筋胶作为钢筋与混凝土的粘合剂就能保证钢筋与混凝土的良好粘结，减轻 了对原结构的损伤： ( 4 ) 对钢筋本身也没有任何损伤。 在实际工程中，由于建筑功能改变、承受荷载增加或者因质量事故等原因造 成原结构构件承载力不足，或因布局改变，要新增梁、板、柱和墙，要扩大断面 新增钢筋等，采用钻孔植筋技术能取得良好的效果。 植筋技术的主要施工工艺流程为以下几个步骤：定位一钻孔一清孔一钢筋除锈 一注胶一植筋一固化： ( 1 ) 定位：根据设计要求在原结构上标记植筋孔位置，若与基材上原有受 力钢筋位置重合，则可以进行适当的调整，但应保证植入钢筋后，新增构件位置 的合理性； ( 2 ) 钻孔：用电锤或其他冲击钻钻孔。钻孔孔径应符合设计要求。施工中 可以使用钢筋探测仪，应尽量避开原构件钢筋，减少对原结构的损伤，尽量保证 一次钻孔成功，避免重钻； ( 3 ) 清孔：清孔是植筋施工工艺中一个非常重要的步骤，在钻完后孔洞内 第1 章绪论 ! 皇曼苎曼! 曼! ii i 曼皇曼曼! 皇曼! ! 烹曼! 曼曼曼! ! ! ! ! 曼鼍曼曼! 鼍! 鼍! 曼曼苎曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼! 皇曼曼曼曼蔓曼! 鼍 1 3 化学锚栓技术的特点及应用范围卜2 】 有机化学锚栓由不锈钢或镀锌螺杆，有机化学胶管和垫圈及螺母组成，其中 有机化学胶管含有反应环氧树脂、硬化剂、石英砂及玻璃管。 在节点的阴角处加固，工程中常采用“锚固角钢+ 化学锚栓”进行锚固传力， 即用l 7 5 5 短角钢紧贴构件节点位置，以化学锚栓植入构件内部，固定角钢， 使之与构件成为一体。化学粘结型锚栓最适合用在新旧结构受力连接上，它不仅 施工方便，并且有很高的抗弯、抗剪能力，适用于各种混凝土结构。既不用担心 它产生侧向应力，也不会发生松弛，更不会发生水气自孔口渗入，是一种比较理 想的螺栓。目前，国内外对锚栓承载力的设计计算，主要是建立在锚栓单向拉拔 试验的受力机理，关于其在动力作用、地震作用及开裂混凝土上的适用性研究很 少。 1 4 国内外研究进展 1 4 1 植筋锚固拉拔试验及破坏机理研究 目前国内外的研究人员已经做了大量钢筋锚固的静力拉拔试验，即钢筋被锚 固在大块的预制混凝土试块中，然后施加单向拉拔力直至破坏。 图1 1 拉拔试验加载装置示意图 f i g1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p u l l o t i tt e s ts e t u p 北京工业大学工学硕士学位论文 美国科学家c o o k 等人通过对大量试验结果的总结和分析【3 4 1 ，将化学植筋锚 固的破坏形态分为材料破坏和界面破坏两大类，其中，界面破坏发生在混凝土、 植筋胶以及钢筋三种材料相互接触的接触面上；对于材料破坏，可以分为混凝土 拉裂破坏和钢筋拔断破坏。 根据材料破坏的破坏形式又可以分成五类：混凝土锥形体破坏；混凝土一植 筋胶界面破坏，这种破坏的现象主要是由于清孔不干净，植筋胶与孔壁的粘结效 果差，造成钢筋与植筋胶共同被拔出，顶部带有混凝土浅锥体破坏；钢筋一植筋 胶界面破坏，顶部带有混凝土浅锥体破坏，发生这种破坏的主要原因是钢筋与植 筋胶的粘结效果差；混合界面破坏，即混凝土一植筋胶、钢筋一植筋胶两个界面同 时破坏；钢筋破坏，钢筋被拉断，断裂前顶部带有混凝土浅锥体破坏。c o o k 等 人总结了大量试验结果【5 l ，他们认为：如果钢筋的埋深很小，植筋拉拔将发生混 凝土锥体破坏，如果埋深较大，将发生混合破坏；如果埋深非常大，植筋胶足够 强，可能发生钢筋破坏，即钢筋达到极限抗拉强度，钢筋断裂。 l 十十t f ( a ) 锥形体破坏( b ) 混凝土- 胶破坏( c ) 钢筋- 胶破坏( d ) 混合界面破坏( e ) 钢筋破坏 1 2 拉拔试件破坏形态图 f i g1 2f a i l u r em o d e so fp u l l - o u ts p e c i m e n s c o o k 等人分析了植筋深度和破坏形态的关系3 卅：混凝土锥形破坏形态是在 第1 章绪论 iii|m 当植筋深度很大时，发生钢筋屈服或者钢筋被拉断，此时钢筋的抗拉强度低 于粘结锚固强度，破坏前有明显预兆，属于延性破坏。这时混凝土的抗拉应力还 未充分发挥，而且浪费了植筋胶的使用和增加了施工难度，因此钢筋被拉断不是 植筋技术理论上的最理想应用，但是锚固深度的增加能够保证构件的安全性能。 所以，现在的植筋设计采用的是钢筋破坏模型下的保险系数较高的设计方法，使 结构破坏出现在钢筋屈服以后。 东南大学淳庆、邱洪兴等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1 7 】，包括不同直径钢筋、不同深度、不同间距等因素对结构锚 固性能的影响，得出了一些重要结论：双筋植筋破坏时的锥体深度和锥体半径均 随植筋孔净距的增大而减小。钢筋直径越大，则极限荷载、锥体深度及锥体半径 越大，但强度的折减系数越小。 当锚固深度为1 5 d ，且植筋孔净距大于8 0 m m 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3 0 - 8 0 r a m 之 间时，建议按单筋锚固强度的8 3 - 8 9 叠加计算多筋植筋的锚固强度，植筋的 锚固深度为1 5 d 时，在达到极限荷载时，结构胶会发生部分脱落现象，钢筋在拉 断之前均发生不同程度的滑移，植筋孔净距较小时滑移较大，植筋孔净距较大时 滑移较小。 司伟建、周新刚等对工程中较有代表性的环氧砂浆植筋锚固技术进行了系统 的试验研究【8 】，试验主要内容包括环氧砂浆的基本力学性能和钢筋混凝土植筋锚 固构件钢筋的粘结锚固性能。根据试验结果探讨了钢筋混凝土植筋锚固构件的破 坏机理、锚固特性。得到了重要结论：在植入钢筋满足1 5 d 锚固长度的情况下， 环氧砂浆与混凝土的粘结能较好地保证后锚固钢筋充分发挥强度，植筋锚固构件 的粘结锚固破坏实质上市钢筋锚固头与混凝土的粘结失效。因此，在植入钢筋长 度满足1 5 d 的情况下，植筋锚固构件后锚钢筋的静力性能是可靠的。 同济大学张建荣、石丽忠等进行了5 组1 8 根钢筋的混凝土植筋锚固拉拔试验。 通过对试验过程的观察、特征荷载的测定、破坏形态的分析，研究了植筋锚固的 受力性能及破坏机理【9 】。在分析试验结果和总结前人研究成果的基础上，给出了 混凝土植筋锚固承载力计算公式等设计建议：锚固设计可按混凝土开裂荷载进行 正常使用极限状态设计，按极限拉拔荷载进行承载能力极限状态设计。在工程中 应通过限制最小植筋深度来避免混凝土锥体破坏形式的出现。 福州大学刘强、杨建华等利用钢筋混凝土结构梁式试件在静力荷载作用下的 试验，分析钢筋混凝土植筋梁在静力荷载作用下的受力性能，研究混凝土植筋锚 固构件的破坏机理、锚固特性【l0 1 。他们对试验的现象和数据进行了详细的分析， 并对试验成果进行总结，提出了一些建议：新旧混凝土结合界面，应重视原混凝 土表面的打磨处理，增强新旧混凝土的粘结；随着植筋锚固长度的增加，裂缝发 展越充分，破坏时的构件产生的裂缝越多，但产生的裂缝间距较均匀；主要竖向 北京工业大学工学硕士学何论文 裂缝均产生在植筋与预埋钢筋接头的两端；开裂前，植筋锚固长度不同的梁抗弯 刚度相同，而开裂后，植筋锚固长度越长，梁抗弯刚度越大；开裂荷载随植筋锚 固长度或搭接长度的增加而增大；当植筋达到一定长度( 1 2 d ) ，在加载后期，钢 筋的粘结应力沿锚长的分布出现两头大中间小的趋势，与普通混凝土直接锚固钢 筋的情况一致。 张建荣等为研究混凝土结构在受拉区进行植筋锚固的粘结锚固机理和破坏 形态，进行了采用植筋技术进行受拉主筋搭接的钢筋混凝土梁受弯试验，包括3 根植筋深度分别为8 d 、1 0 d 、1 2 d 的正向加载简支试验梁，4 根植筋深度分别为 1 5 d 、2 0 d 、2 5 d 、3 0 d 的反向加载两端悬挑简支试验梁【1 1 ”】。试验钢筋采用h r b 3 3 5 级钢筋，钢筋直径为2 2 m m ，混凝土强度等级为c 3 0 ，植筋钻孔直径均为2 8 m m 。 得到的结论如下：植筋深度小于1 5 d 时，试验中植筋与混凝土产生滑移发生混合 界面拔出破坏，植筋未屈服，梁发生脆性破坏；植筋深度大于或等于1 5 d 时，试 验中植筋与混凝土产生滑移发生混合界面拔出破坏，钢筋屈服，梁发生塑性破坏。 试验结果说明：植筋在梁受拉区时，其粘结锚固性能有很大的下降。 综上所述，当植入钢筋深度达到1 5 d 以上时，构件的破坏一般都在钢筋屈服 第1 章绪论 皇晕曼曼! 曼! ! 曼皂曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼皇曼皂皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓! 曼! m -i i ：i l l i l l i i 曼曼鼍曼璺曼! 曼曼鼍皇曼曼鼍曼! 曼曼皇曼曼曼璺 钢筋混凝土整体浇筑试件进行对比。梁柱节点是钢筋混凝土框架中梁与柱相交的 结构部位，其在地震情况下为框架最易受损的部位，梁柱节点的典型破坏有以下 几种【1 4 - 1 6 】： ( 1 ) 梁端弯曲破坏，受拉钢筋屈服，受压区混凝土被压碎，保护层剥落， 梁上出现交叉斜裂缝，梁端形成塑性铰。 ( 2 ) 柱端压弯破坏，在轴向压力及弯矩共同作用下，柱端混凝土受压破坏， 柱筋呈现外鼓或崩断，柱端形成塑性铰。 ( 3 ) 钢筋锚固破坏，梁受力钢筋锚固长度不足( 钢筋植入深度不够) ，在反 复荷载的作用下，钢筋与混凝土的粘结首先破坏，钢筋出现滑移现象；混凝土被 压碎，梁筋甩出，而此时的钢筋混凝土梁受力钢筋尚未达到屈服强度。 ( 4 ) 核心区出现剪切破坏，在反复荷载作用下，框架出现侧移，节点核心 区混凝土抗剪强度不足，产生斜向对角裂缝或交叉斜裂缝，破坏严重时混凝土整 块脱落，箍筋外鼓或崩断，柱筋屈曲成灯笼状。 上述四种典型破坏中的梁端弯曲破坏和柱端压弯破坏均属于延性破坏，其余 两种皆为脆性破坏，应设法避免。发生在核心区的破坏主要是锚固破坏和核心区 剪切破坏。因此，在抗震设计中要求节点具有足够的强度和必要的延性，即使在 强烈地震作用下，也不会有剪切破坏和锚固破坏的情况发生。 1 4 2 2 植筋深度不同的影响 合肥工业大学周安、陈春雷等通过一个整浇钢筋混凝土节点和三个不同植筋 深度的植筋节点试件在低周反复荷载作用下的抗震性能试验，对比研究了植筋节 点的破坏形态、开裂荷载和极限承载力、滞回曲线与骨架曲线、耗能与变形等特 性l l7 。从而说明：植筋深度增加，植筋节点各项性能指标与整浇节点较接近，说 明化学植筋用于抗震结构具有可行性。他们在试验中发现：植筋深度为l o d 的构 件在反复荷载作用下明显钢筋被拔出了，梁柱交界处新老混凝土严重剥离，裂缝 没有充分开展，混凝土未被压碎，构件的破坏形态属于脆性破坏，是实际工程中 不允许出现的；在施工质量有保证的情况下，植筋锚固长度在1 5 d 以上的植筋试 件在低周反复荷载作用下表现出良好的延性和耗能能力，其破坏形态、极限承载 力、变形能力和耗能能力与整浇构件十分接近。植筋锚固长度在1 5 d 以上时，试 件为延性破坏，即使是进行大位移试验，也没有出现植筋从梁柱结合处被拔出的 现象，锚固良好。根据试验结果，可以认为1 5 d 的锚固长度满足抗震要求。试验 研究结果表明：钢筋植筋深度过小时，锚固破坏属于脆性破坏。工程中应该杜绝 出现；而当植筋深度满足一定锚固长度时，锚固破坏属于延性破坏，在试件破坏 时，仍具有变形能力，破坏有预兆，可以用在工程中。周安在进行实验后认为： 植筋深度为l o d 的构件刚度小，开裂后构件的刚度退化加快，试件屈服后，滞回 北京 二业大学工学硕士学何论文 曲线出现明显的“尖点 ；植筋锚固深度达到1 5 d 以上的植筋钢筋混凝土构件具 有良好的延性，位移延性比都达到了4 0 以上。植筋构件与整浇构件在延性方面 也没有大的差异，刚度退化曲线也与整浇构件比较相似，滞回曲线上升下降段都 比较平缓。因此，在满足植入钢筋锚固深度足够的前提下，植筋节点能够达到建 筑物的抗震设防要求，达到关于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防 标准。 周新刚、司伟建等在研究钢筋混凝土植筋锚固构件粘结锚固性能的基础上， 分析比较了植筋锚固钢筋混凝土受弯构件和钢筋混凝土整浇受弯构件受低周反 复荷载作用的恢复力特性，探讨了植筋锚固构件的延性和耗能能力【1 8 】。通过对试 验结果的对比，得到的结论是：植筋锚固构件在周期反复荷载作用下，钢筋达到 屈服后，构件仍具有较好的变形能力，其延性虽不如整体浇注构件，但只要保证 施工质量，植入钢筋深度1 5 d 以上就可以达到可靠的锚固效果，并提出为确保植 筋的质量，钢筋的锚固长度可适当增加到2 0 d 。 周新刚、吴江龙等为研究植筋构件的延性和抗震性能，设计制作了两组六个 钢筋混凝土压弯构件，一组为整体浇注的构件，一组为植筋构件。通过试验，对 比分析了两组构件在反复周期荷载作用下的滞回曲线饱满程度、骨架曲线、极限 承载力、极限变形能力及延性，并进行了理论分析【l9 1 。对比分析表明：在植筋深 度满足2 0 d 的情况下，植筋钢筋混凝土压弯构件在反复周期荷载作用下，钢筋屈 服后，仍具有较好的变形能力和延性。当塑性铰区的钢筋压屈，混凝土压碎脱落 时，植筋锚固钢筋锚固在节点中的部分与混凝土之间没有滑移。在反复周期荷载 作用下植筋锚固构件和整浇构件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、屈服位移、 极限位移、位移延性比等主要指标基本相同，无明显的变化。植筋构件和整浇构 件的滞回曲线与骨架曲线也基本一致，说明植筋钢筋混凝土构件具有良好的变形 能力和延性。 第1 章绪论 量曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼孽i l l= i i i i 一一i i 二i i 皇曼! 曼曼皇苎曼! 舅曼! 曼! ! 曼! 詈! 曼! ! ! 曼 相近；在相同的轴压比0 3 情况下，锚固长度换成1 0 d 的j g n 胶植筋混凝土柱在 反复荷载作用下的延性和耗能能力不足；轴压比保持0 3 不变，锚固长度为1 5 d 的j g n 、r e 5 0 0 结构胶植筋混凝土柱在低周反复荷载作用下具有良好的延性和耗 能能力，其破坏形态、承载力、位移延性比、刚度退化曲线及平均耗能能力均与 非植筋柱相近。 欧阳坚、程文滚等对1 4 个建筑结构胶锚固试件在单调拉拔和重复拟动力下 的粘结锚固性能进行了试验研究，其中1 0 个试件为采取在钢筋内开槽、贴片精 确量测和由加载端、自由端滑移推算内滑移分布的方法，探索了粘结锚固剪切应 力一位移关系以其沿锚固长度变化的规律【2 l 】。他们认为：与单调静力加载相比， 重复拟动力加载时的瞬间拉拔承载力要大一些，但是其延性却损失较大，因此在 确定动力荷载下的建筑结构胶植筋深度时必须考虑对承载力的折减；根据同级荷 载时钢筋粘结应力沿锚长的分布比较，建议建筑结构胶植筋按照静荷载锚固长度 的1 2 倍考虑动荷载下或地震作用下的锚固长度。 因此，植筋深度是影响植筋构件抗震性能的重要因素之一。 1 4 2 3 植筋胶种类的影响 周新刚、司伟建等在研究钢筋混凝土植筋锚固构件粘结锚固性能的基础上， 分析比较了植筋锚固钢筋混凝土受弯构件和钢筋混凝土整浇受弯构件受低周反 复荷载作用的恢复力特性，探讨了植筋锚固构件的延性和耗能能力【l8 1 。他们首先 对环氧砂浆( 无机有机混合产品) 的基本力学性能和环氧砂浆植筋锚固钢筋混凝 土试件的粘结锚固性能进行了系统的试验研究，在单向拉拔试验后进行了分析和 总结。试验结果表明：在锚固钢筋1 5 d 的情况下，环氧砂浆植筋锚固钢筋混凝土 试件的静力性能是可靠的。在这个基础上，他们用环氧砂浆作为植筋材料，锚固 长度为1 5 d ，对植筋构件进行了低周反复加载试验，探讨了环氧砂浆植筋锚固钢 筋混凝土受弯构件的滞回特性和变形性能。试验中，植筋梁钢筋有被拔出现象， 呈现脆性破坏。他对测得的钢筋应变进行分析后，认为钢筋已经达到了屈服强度， 钢筋拔出是环氧砂浆密实度不够造成的，只要采取措施增强环氧砂浆施工的密实 度，加强钢筋锚固部分与混凝土的粘结，则环氧砂浆植筋锚固技术也是可靠有效 的。为确保植筋质量，钢筋的锚固长度可以适当增加到2 0 d 以上。 闰锋、张惠英等在试验中采用了大连物化所生产的j g n ( 环氧树脂类) 、清 华大学化工系生产的q s c ( 环氧树脂类) 、北京喜利得公司生产的h y l 5 0 ( 无 机有机混合产品) 和r e 5 0 0 ( 树脂类) 作为植筋胶制作构件，进行了不同结构胶 植筋混凝土柱在反复荷载下的试验研究，并与非植筋的整浇钢筋混凝土柱受力性 能进行了比较【2 2 1 。结果表明：轴压比为o 3 ，植筋锚固长度为1 5 d 的植筋混凝土 柱在水平反复荷载作用下表现出良好的延性和耗能能力；结构胶植筋混凝土柱中 北京 一业大学工学硕十学位论文 v i 皇皇曼曼! ! 曼曼! 鼍 植筋的锚固长度达到1 5 d 时，其破坏形态、极限承载力、延性和耗能能力与非植 筋柱近似；按要求植筋1 5 d 的情况下，所有试件均为延性破坏，即使大位移试验， 也没有出现植筋从地梁中拔出的现象，锚固良好。在受力性能方面，可以认为 1 5 d 的锚固长度满足要求。 加固材料的选用是结构加固改造中直接关系到加固效果的因素，植筋胶与钢 筋、植筋胶与混凝土粘结效果的好坏直接关系到构件成形后的安全与否。植筋胶 材料分为有机和无机两大类，不同植筋材料的锚固效果是不相同的。我国混凝 土结构加固设计规范( g b 5 0 3 6 7 - 2 0 0 6 ) 规定：种植锚固件的胶粘剂必须采用专 门配制的改性环氧树脂类胶粘剂或改性乙烯基酯类胶粘剂( 包括改性氨基甲酸酯 胶粘剂) ，规范并对锚固用胶粘剂的各项力学性能指标进行了约束。因此，只要 采用正规厂家生产的有质量保证的植筋胶，植筋作为承重构件，是可以满足其抗 震设计要求的。 1 4 2 4 施工因素的影响 第1 章绪论 1 1 植筋混凝土柱的抗震性能无较大影响。 在植筋技术中，构件节点主要依靠植筋胶与钢筋的粘结传力，我国工程界目 前正在编写关于混凝土结构加固施工验收规范，植筋施工质量好坏直接影响加固 效果，应当引起足够的重视。 1 4 3 植筋系统受力机理研究及有限元分析 1 4 3 1 植筋系统粘结滑移受力机理的研究 普通浇筑混凝土对钢筋是直接的握裹，而植筋则在钢筋与混凝土之间有一层 胶粘剂，因此它们之间的传力形式是有区别的。由于胶粘剂是在混凝土成形后注 入，为保证传力的可靠性，植筋时胶的饱满度和粘结程度很重要。植筋的锚固受 力，首先是钢筋的肋与周围胶粘剂相互咬合和分子问的作用，在钢筋两肋之间， 还发挥的粘结作用由下列应力组合：沿钢筋表面的附着力而产生的剪应力；对肋 条侧面的压应力；作用在相邻两肋条之间胶粘剂圆柱面上剪应力。 因此，植筋胶对钢筋的锚固作用不是靠钢筋与基材的胀压与摩擦产生的力， 而是利用其自身粘结材料的锚固力，使钢筋与基材有效地锚固在一起，产生的粘 结强度与机械咬合力来承受受拉荷载，当植筋达到一定的锚固深度后，植入的钢 筋就具有很强的抗拔力，从而保证了锚固强度。粘结滑移破坏过程可以大致分为 三部分：首先是弹性阶段，此时钢筋的滑移量较小；钢筋屈服后，粘结滑移曲线 也出现了转折，粘结刚度迅速减小，滑移速度相应加快；当混凝土达到极限抗拉 强度，出现裂缝后，粘结刚度进一步降低，滑移速度则进一步加快，直至达到极 限承载力。 张建荣、黄河军等针对两种品牌的植筋胶和两种粘结长度进行了混凝土植筋 试件的约束拉拔试验【2 5 1 。试验结果表明：钢筋一植筋胶界面结合力与滑移的关系 可以简化为三阶段模型：粘结阶段、滑移阶段、拔出阶段。 尹纛 圪 尼 & & & s 图1 3 钢筋与植筋胶粘结滑移模型 f