无机锚固材料植筋群锚效应试验研究

梁玉国，鲁晓琳，宋丽娟

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.河北省建筑科学研究院，河北石家庄 050021；3.河北体育学院，河北石家庄 050000；4.河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038）

植筋锚固技术，即在已有混凝土结构上根据设计在相应位置进行钻孔，采用专用的植筋锚固料将新增钢筋与混凝土基体牢固粘结，共同受力，使所植钢筋发挥设计所期望的性能。

植筋技术以其设计灵活、定位准确及施工方便等特点在建筑物的加固、改造工程中得到了较为广泛的应用［1］。目前在中国所使用的植筋锚固料大致可分为有机锚固料和无机锚固料，与有机锚固料相比，无机锚固料强度的热稳定性、抗渗性、护筋性好，且耐老化性与混凝土结构相一致。因而无机锚固料在植筋工程中的应用也越来越广泛。在建筑改造加固工程中进行的植筋通常为在一定范围内植入多根钢筋，然而关于采用无机锚固料植筋的研究还较少，且多是针对单根植筋性能的研究［2-4］，如高天宝等在不同强度等级（C15～C40）的混凝土基体上植入不同深度、不同植筋的钢筋，得出了单根植筋的几种破坏形态（钢筋拉断、钢筋拔出、混凝土锥形破坏、复合破坏），导出了单根植筋的基本锚固长度公式。然而对于工程实际所采用的群锚植筋的研究很少，因而有必要对双筋和多筋的锚固性能进行研究。本文对单根、双根、三根、四根、五根植筋进行了单向拉拔试验研究，分析了单锚和群锚承载力、破坏特征等性能，得出了群锚效应折减系数。

1 试验概况

本试验采用的混凝土强度等级为C20，试验钢筋采用HRB335级螺纹钢筋，钢筋直径为12mm，钢筋植入深度为10d（d为所植入钢筋直径），试验所用锚固料为北京奥泰利CGM无机锚固料。为了避免混凝土基体在运输过程中发生断裂，试件按构造配适量钢筋，同时为减小箍筋对植筋抗拉强度的影响，箍筋顶部断开，试件混凝土基体尺寸及配筋如图1所示。本文对单根、双根、三根、四根和五根植筋共5组试件进行了拉拔试验，为保证测试结果的准确性和可信度，每一组做3个测试点，共植筋45根。植入钢筋平面布置图见图2。

图1 混凝土基体尺寸及配筋Fig.1 Dimension and reinforcement design of original concrete

图2 植入钢筋平面布置图Fig.2 Plan of bonded rebars

单锚加载装置见图3a）、图3d），2～4根锚筋加载装置见图3b）、图3d），5根锚筋加载装置见图3c）、图3d）。

图3 试验加载装置Fig.3 Loading system

2 试验结果及分析

2.1 各试件的p-f曲线

各试件的p-f曲线见图4。

图4 各试件的p-f曲线图Fig.4 p-fcurve of every sample

在试验钢筋的根部安放位移传感器（量程50 mm），以测出钢筋的滑移。压力传感器连接到锚具和千斤顶之间，以测出拉拔力。本试验加载过程如下：初加载10kN，位移计调零，以抵消锚固件和夹具的位移，然后分级加载，每级5kN，直至锚固破坏。

初始荷载时，荷载-位移近似为线性关系，此时界面间连接完好，未出现破坏。随着荷载的增大，曲线出现转折，并达到极限值，在此阶段混凝土出现锥形破坏，界面间发生粘结破坏，钢筋滑移量增大。在承载力达到极限值后，随着植入钢筋应变的增加，结构胶与钢筋间化学粘结力逐渐破坏。在植筋被拔出的过程中，破坏面间的机械咬合力和摩擦力起作用，所以滑移急剧增大（由于位移增加过快，试验过程中未能记录此段）。

2.2 试件抗拉承载力分析

各试件抗拉承载力见表1及图5。

表1 各试件的承载力表Tab.1 Bearing capacity results of every sample

图5 各试件的承载力图Fig.5 Bearing capacity results of every sample

通过表1及图5可以看到，在群锚拉拔试验中，群锚承载力不为单锚承载力与植筋数量的乘积，而是会有一定的折减，这是由于锚筋周围的混凝土会出现应力重叠所致。现就C20混凝土基体上植入直径12mm的HRB335级螺纹钢筋，植入深度为10d时的群锚承载力进行分析。双根、三根、四根总承载力增长明显，而五根植筋的总承载力与四根植筋总承载力基本持平，通过总承载力曲线的走势，可以预测在一定的面积内加大植入钢筋数量不一定能增大承载力。通过平均每根钢筋承载力曲线及表1中折减系数一栏可得出：随着植筋数量的增加，平均每根钢筋的承载力呈下降趋势，钢筋发挥作用较小。

综上所述，可得出结论：在一定面积内，在一定程度上增加植入钢筋数量可以增大植筋的总受拉承载力，当植入钢筋数量增大到一定程度，总受拉承载力将不再增加。

2.3 各试件的破坏形态分析

本试验中植筋的破坏形态主要有如下3种。

1）钢筋达到极限强度，植筋拉断破坏；

2）粘结破坏（主要为钢筋与无机锚固料间的粘结破坏）；

3）复合破坏（上部混凝土锥体破坏，下部沿结构胶、混凝土界面拔出）。

在单根植筋中，主要发生植筋拉断破坏和复合破坏，与高天宝、曹稹试验得出的破坏形态基本一致［5-6］；在双根和三根植筋中，主要发生植筋与无机锚固材料间的粘结破坏和复合破坏；在四根植筋和五根植筋中主要发生复合破坏。在双根植筋中，两根植筋周围的混凝土会产生应力重叠，在两根植筋中间的混凝土会产生垂直植筋连线的裂缝。在三根、四根、五根植筋中，混凝土基体产生明显的辐射状裂缝，发生群锚破坏。

3 结 论

通过对锚固深度为10d，混凝土基体强度为C20，植筋为采用HRB335级螺纹钢筋，采用无机锚固材料锚固的不同数量的钢筋进行拉拔试验，通过试验现象与对试验结果的分析，得出如下结论。

1）多根植筋的抗拉承载力小于单根植筋承载力与植筋数量的乘积，而是会有一定的折减，称之为群锚效应折减系数。本试验中双根植筋折减系数为0.71，三根植筋折减系数为0.55，四根植筋折减系数为0.51，五根植筋折减系数为0.41。

2）在一定的面积内，随着植筋数量的增加，对提高其抗拉极限承载力有一定的作用，当超过一定数量后（本试验中为4根），承载力基本不再增加。

3）当在一定面积内，植筋达到一定数量时，多发生复合破坏，混凝土基体产生明显的辐射状裂缝，发生群锚破坏。

／References：

［1］隋 东，章东林，陈锦耀.植筋施工技术在工程中的应用［J］.浙江建筑，2007（1）：33-34.SUI Dong，ZHANG Donglin，CHEN Jinyao.Application of planting bar technology in engineering［J］.Zhejiang Construction，2007（1）：33-34.

［2］司伟建，周新刚，黄金枝，等.混凝土结构植筋粘结锚固性能的试验研究［J］.建筑结构，2001（3）：9-12.SI Weijian，ZHOU Xingang，HUANG Jinzhi，et al.Experimental research on the bonding and anchoring behaviours of reinforced bars inserted in concrete structure［J］.Building Structure，2001（3）：9-12.

［3］高天宝，史文利，杨树标，等.混凝土无机料植筋拉拔试验研究［J］.河北建筑科技学院学报，2005（3）：36-38.GAO Tianbao，SHI Wenli，YANG Shubiao，et al.Experimental research on planting bars with inorganic material in concrete［J］.Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology，2005（3）：36-38.

［4］刘红阳.影响植筋粘结锚固性能主要因素的试验研究［J］.山西建筑，2006，32（14）：148-149 LIU Hong-yang.Experimental study on the factors influencing the anchorage performance of planting reinforcing barp［J］.Shanxi Architecture，2006，32（14）：148-149.

［5］高天宝，杨树标，吴 斌.混凝土植筋破坏形态分析［J］.工业建筑，2005，35（sup）：872-874 GAO Tianbao，YANG Shubiao，WU Bin.Failure mode analysis of planting bars in concrete［J］.Industrial Construction，2005，35（sup）：872-874.

［6］曹 稹，米承勇.混凝土植筋复合破坏形态分析［J］.山西建筑，2008（2）：90-91.CAO Zhen，MI Chengyong.Performance-based analysis of multiplex failure mode of post-embedded bars in concrete［J］.Shanxi Architecture，2008（2）：90-91.