影响群筋锚固承载力的因素分析

影响群筋锚固承载力的因素分析

1植筋锚固技术国内外研究现状目前，后锚固化学植筋技术是我国工程领域广泛应用的后锚固连接技术。近年来,在建筑物改造、扩建、加固、维修中应用较多。国内外对于植筋锚固技术的研究较多,但主要集中在单根植筋的研究上,对群筋的粘结锚固性能、承载力计算及设计研究较少。本文分析了影响群筋承载力的因素,根据破坏模式给出群筋的极限承载力公式,并介绍了我国规程中的植筋锚固设计方法及采取的构造措施。2影响集体能力的因素影响群筋承载力的因素比单根植筋要复杂得多,根据目前国内外的研究成果,影响群筋承载力的因素主要有以下几点:(1)化学胶及化学胶的作用有关的试验结果表明:随着混凝土强度的提高,混凝土和化学胶之间的吸附力及机械锁键作用提高,能延缓基材混凝土内部裂缝的出现及抑制基材混凝土内部裂缝的发展,提高群筋的极限承载能力。(2)化学植筋埋深埋置深度是影响植筋承载力的一个重要因素,不同的埋置深度将产生不同的承载力、破坏形式,化学植筋的埋置深度在8～10d(d为钢筋直径)时,一般为锥体-粘结复合型破坏,埋深15d以上时则通常钢材可以达到屈服,为钢筋拉断破坏,极限承载力由钢筋强度控制,植筋承载力与植筋深度无关。(3)植筋深度对群筋承载力的影响群锚的间距对承载力的影响比较大,间距过小,表面混凝土破坏锥体可能会重叠,从而降低承载力。群筋间距随着植筋深度的增加对群筋承载力的影响越来越小。当植筋深度较小时,群筋发生混凝土锥体破坏时,由于锥体面的重合会导致群筋承载力的减小;当植筋深度适中时,群筋发生混合型破坏时,由于上部破坏的锥体面会重合而导致群筋承载力中混凝土锥体部分的抗力减小;当植筋深度足够大时,群筋发生钢筋颈缩断裂破坏时,群筋的锚固效果等同于预埋的钢筋群,群筋的承载力与植筋间距无关。(4)混凝土受力状态混凝土基材内部配置钢筋或者有较厚的保护层,能有效限制混凝土的横向变形,约束混凝土基材内部裂缝的产生和发展,使混凝土处于双向甚至三向受压的受力状态,从而提高极限抗拉承载力。但混凝土基材内部配筋过多过密且植筋深度较小时,可能形成混凝土锥体受拉破坏模式。这时,因钢筋的隔离作用,而出现表层保护层先行剥离,从而降低有效锚固深度,降低群筋的极限抗拉承载力。影响群筋承载力的因素还有很多,如植筋的边距、植筋的直径、植筋的外形、植筋的植入角度、钻孔孔径、植筋胶的种类、植筋的施工质量、植筋的受力方式、植筋的使用环境、基材混凝土的厚度及是否开裂等其他一些因素。3该框架的破坏模式和承载能力的计算3.1锚固技术及方程当钢筋埋深小于6d时易发生混凝土锥体破坏,锥体破坏受混凝土强度影响,对于直接承受荷载的化学植筋应避免这类破坏形式的发生,因为这时化学胶和钢筋的材料强度都没有充分发挥作用,将造成浪费。在混凝土锥体破坏的情况下,Eligehausen提出植筋的极限抗拔力等于锥体水平投影面积上拉力之和,见图1。因此,发生混凝土锥体破坏时,单根植筋的极限承载力为Ac(x)=π[(xtanθ+D/2)2-(D/2)2](1)pc(x)=ftAc(x)(2)Ac(x)=π[(xtanθ+D/2)2−(D/2)2](1)pc(x)=ftAc(x)(2)式中θ一般取45°,式(2)可以改写成pc(x)=ftπ(x2+Dx)(3)pc(x)=ftπ(x2+Dx)(3)式中pc(x)——锥体破坏时极限承载力;ft——混凝土抗拉强度;x——混凝土锥体高度;θ——混凝土锥体破坏的角度;D——锚固体的直径。我国《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ145-2004以下简称《规程》)给出了混凝土锥体破坏时化学植筋受拉计算公式:Νuc=15(hef-30)1.5√fcu(4)Nuc=15(hef−30)1.5fcu−−−√(4)式中hef——钢筋或螺杆的锚固深度;fcu——混凝土立方体极限抗压强度。Eligehausen等人针对化学锚栓提出混凝土锥体破坏时的计算公式:Ν0=0.92√fcuh2ef(5)N0=0.92fcu−−−√h2ef(5)以上两个公式均是通过大量试验结果回归得出,由于所用材料特性、试验方法等因素的差异,公式表达并不相同,但共同点在于承载力均与埋深、基材混凝土强度密切相关。3.2粘结应力模型结构胶的粘结作用对植筋承载力至关重要,由于混凝土的抗剪强度比胶体的粘结抗剪强度低,另外受胶体性能、环境因素、施工等因素影响,故沿着胶体与混凝土界面可能发生粘结破坏。目前,国内外最常用的粘结应力模型采用均布粘结应力,如图2所示。粘结应力均布模型假设应力沿埋深均匀分布,未考虑混凝土、胶体、植入钢筋间的变形协调。该模型简捷方便,在设计时经常被采用,其公式如下:p=τ0πd0hef(6)p=τ0πd0hef(6)式中τ0——胶-混凝土粘结强度;d0——钻孔直径;hef——钢筋埋深。3.3胶-钢筋界面一般来说,该类破坏形式多发生在粘结胶体强度较低,基材混凝土强度过高,锚固区配筋较多或者钢筋表面较光滑(如光圆钢筋)等情况下,我国《规程》中规定胶-钢筋界面破坏时承载力可按下式计算:Νu,pc=1.75hefd√fcu(7)Nu,pc=1.75hefdfcu−−−√(7)式中Nu,pc——单根钢筋极限承载力;hef——锚栓埋置深度;fcu——混凝土立方体抗压强度;d——锚栓直径(mm)。也可按照粘结应力平均分布,类似于胶-混凝土界面破坏的计算公式如下:Νu,pc=τπdhef(8)Nu,pc=τπdhef(8)式中,τ为胶-钢筋粘结强度(N/mm2)。3.4混凝土破坏深度对于满足一定锚固深度的化学植筋最终破坏时可能发生上部为小的混凝土锥体破坏,下部为粘结拔出破坏,其简化计算模型如图3所示。一般认为混凝土锥体破坏和胶体粘结破坏同时发生,此时承载力由两部分组成:混凝土承载力和粘结承载力,计算公式表达为Νu=Νcone+ΝbondNu=Ncone+Nbond如采用均布粘结应力模型,参照公式(5)和(6)有Νu=0.92h2cone√f′c+τ0πd0(hef-hcone)(9)Nu=0.92h2conef′c−−−√+τ0πd0(hef−hcone)(9)对上式求导可得出混凝土破坏时的最小锥体高度:dΝudhcone=0hcone=τ0πd01.84√f′c(10)dNudhcone=0hcone=τ0πd01.84f′c√(10)Cook,Eligehausen等人通过研究发现,当埋深hef≤hcone+40√d0hef≤hcone+40d0−−√,实际应用中可按照均布粘结应力模型计算混凝土锥体高度,超过该深度后混凝土锥体的深度和其对植筋承载力的作用都随之降低,因此锥体的贡献也可以忽略不计。计算粘结植筋的方法可归纳如下:当hef<hcone,Νu=0.92h2ef√f′c(11)当hef<hcone,Nu=0.92h2eff′c−−−√(11)当hcone<hef<40√d0+hconehcone<hef<40d0−−√+hcone,采用均布粘结应力模型,则有Νn=τ0πd0(hef-hcone)+0.92h2cone√f′c[40√d0-(hef-hcone)40√d0](12)3.5钢筋破坏时延性破坏设计值当植筋深度足够大(一般15d以上)时,一般发生钢材拉断,在钢筋产生屈服颈缩断裂后,化学胶的粘结仍没有破坏,如图4所示。因为是钢筋屈服后发生破坏,故属于延性破坏,为较理想的破坏形式。我国《规程》中单根植筋极限承载力计算公式如下:ΝRd⋅s=Asfstk/γRs⋅Ν(13)式中NRd·s——钢筋破坏受拉承载力设计值;As——钢材截面积;γRs·N——钢材破坏时受拉承载力分项系数,对结构构件取1.3stk/fyk≥1.55;fyk,fstk——钢材屈服强度标准值,钢材极限抗拉强度标准值。对于大多数钢材来说均可满足1.3fstk/fyk≥1.55,故公式(13)又可写成NRd·s=Asfyk/1.3。4集体肌肉设计4.1锚固连接重要性系数我国《规程》根据国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》,参考《混凝土用锚栓欧洲技术批准指南》,采用了以试验研究数据和工程经验为依据,以分项系数为表达形式的极限状态设计方法。后锚固连接承载力应采用下列设计表达式进行验算:无地震作用组合γAS≤R(14)有地震作用组合S≤kR/γRE(15)R=Rk/γr(16)式中γA——锚固连接重要性系数,对一级、二级的锚固安全等级,分别取1.2及1.1,且rA≥r0,γ0为被连接结构的重要性系数;S——锚固连接荷载效应组合设计值;R——锚固承载力设计值;RK——锚固承载力标准值;k——地震作用下锚固承载力降低系数;γRE——锚固承载力抗震调整系数;γR——锚固承载力分项系数。公式(14)中的γAS,即内力设计值N,M,V。锚固承载力设计表达式按我国《建筑结构可靠度设计统一标准》规定采用,左端作用效应引入了锚固重要性系数γA,γA≥γ0。右端锚固抗力设计值R与一般设计规范不完全相同,是按R=Rk/γ*R确定,Rk为锚固抗力标准值,γ*R为锚固抗力分项系数,而非材料性能分项系数;锚固抗力标准值Rk直接由锚固抗力试验统计平均值及其离散系数确定,而非材料强度离散系数。后锚固连接设计,应控制为锚栓或植筋钢材破坏,不应控制为混凝土基材破坏;对于满足锚固深度要求的化学植筋及长螺杆,不应产生混凝土基材破坏及拔出破坏(包括沿胶筋界面破坏和胶混界面破坏)。4.2群锚锚栓最小间距值我国《规程》对锚固基材的厚度、群锚间距及边距等最小值做了如下规定:(1)混凝土基材的厚度h,对于化学植筋,h≥hef+2d0且h>100mm,其中hef为植筋的埋置深度,d0为钻孔的直径。(2)群锚锚栓最小间距值Smin和最小边距值cmin不应小于下列数值:化学植筋S