既有墩台加宽植筋设计与施工研究

宁海明 王悦石 江 冰 关喜彬 陶 琦

（1.中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028；2.淮阴工学院交通工程学院，江苏 淮安 223003；3.江苏省交通运输与保障重点实验室，江苏 淮安 223003）

1 引言

植筋技术是一种后锚固技术，广泛应用于矿山、土木工程中。植筋后加固效果如何，植筋界面为施工工艺中关键一环，对于植筋加固后结构整体力学行为，起到重要的影响，因此各国学者开展了较为广泛的界面力学性能研究。

徐瑶［1］开展了单杆植筋试件胶层厚度、螺杆直径以及植入深度对单杆植筋连接破坏模式、抗拔强度以及变形性能的影响；YIN等人［2］考察粗糙的FRP布表面对混凝土-FRP界面力学性能的影响规律；潘传银［3］试验研究了植筋方向对黏结面抗剪性能的影响；殷雨时等人［5-6］通过设置不同粗糙程度的混凝土表面，开展了混凝土外贴FRP布的单向剪切试验，得到混凝土表面粗糙度对界面力学性能有十分重要的影响，最佳粗糙度值为0.34。

可见，各国学者开展了较为广泛的混凝土表面、钢筋表面的界面力学性能研究，形成了较为系统的界面研究状况，但对于结构局部改良上，罕为见到相关系统性研究。界面是加固双项体重要的链接结构，因此关注界面性能的提升，对于结构加固具有重要现实意义。本文以新建连云港至镇江铁路淮安地区预留宁淮铁路宁盐上下行联络线既有承台墩身帮宽为工程背景，由于植筋界面黏结性能与基材受力有直接关系，而墩台在受力状态上相似，因此本文以承台帮宽植筋为例，说明植筋孔道长度（锚固长度）与界面黏结性能的关系，并详述工艺设计和施工流程，以期为类似工况下施工提供理论依据。

2 工程概况

宁盐上下行联络特大桥S45、S46、S47、S48、S49、S50、X24、X25、X26、X27、X28为利用既有4.2×2.3m（宽×厚）单线圆端实体桥墩（坡度45∶1）进行帮宽施工。其中S46-S50号墩采用植筋法加固后，承台新建部分与既有结构连成整体共同承受力。X25-X28号墩采用植筋法加固后，承台新建部分与既有结构连成整体共同承受力。墩身帮宽植筋采用Φ20钢筋，植筋钻孔直径为25mm，钢筋间距30cm，梅花形布设。所植钢筋总长度为132cm，植入既有墩身50cm，外露60cm+22cm直角弯钩。植筋与混凝土外边缘距离不小于5d（10cm）。

2.1 承台帮宽植筋操作平台搭设

开始施工前围绕墩身需植筋部位搭设支架和作业平台，辅助钻孔和植筋等工作。盘扣架搭设场地必须平整、坚实、不沉陷、不积水，S46#、S47#、S50#墩身外围脚手架搭设在承台顶面上。X25#-X28#、S48#、S49#墩承台尺寸不能满足搭设要求，对立杆下基础做加固压实处理，承台四周回填夯实后采用C15混凝土进行硬化，厚度20cm，防止不均匀沉降。同时在立杆底部垫放20cm宽，5cm厚木跳板。双排架采用盘扣式脚手架，步距1.5m，横向立杆间距120cm，两排架立杆间距90cm，每层每6根立杆设置1根斜撑杆，工作面板采用方木与竹胶板制作而成的可拆卸面板，方木下方设置卡槽固定在盘扣架横杆上。为了预防支架倾覆，自地面以上每隔3m用钢管扣件在帮宽墩身外侧将两侧支架连接加固，靠近墩身侧采用直径20拉筋与既有墩身进行连接加固 （墩身侧植筋作为拉杆，植入深度30cm）。爬梯宜设置在盘扣架框架内，钢梯宽度应为廊道宽度的1/2，钢梯可在一个框架高度内折线上升；钢架拐弯处应设置钢脚手板及扶手杆。作业平台四周搭设Φ50钢管围栏，高度1.2米，围栏四周挂安全网。

承台植筋采用Φ25钢筋，植筋钻孔直径为32mm，钢筋间距35cm，梅花形布设。所植钢筋总长度为145cm，植入既有承台70cm，外露75cm+28cm直角弯钩。植筋与混凝土外边缘距离不小于5d（12.5cm）。

2.2 预应力筋的下料、穿束、张拉及孔道压浆

（1）预应力体系

纵、横向预应力体系采用抗拉强度标准值为1860Mpa的低松弛高强度钢绞线，公称直径为15.20mm，锚具采用m15-12锚具。预应力刚束具体位置如图1。张拉采用与之配套的机械设备，预应力孔道采用内φ85mm金属波纹管，真空压浆，灌浆料采用高性能无收缩防腐灌浆剂。

图1 承台预应力刚束平面及立面布置图

预应力钢筋及锚具、夹具和连接器进场时，应对其质量指标进行全面检查，如对预应力钢筋进行断破负荷、屈服负荷、弹性模量、极限伸长率试验，对锚具进行外观及外形尺寸、硬度、静载锚固系数性能试验，其质量必须符合设计要求和相关验收标准的规定。

（2）预应力筋的下料

钢绞线下料长度等于设计长度+2倍的工作长度。

钢绞线下料前，将钢绞线捆放置于搭设的框架内，以防抽拉钢筋线时整孔散落，开盘下料时，将抽出钢绞线摊置在平坦地面上，整理顺直后，按下料长度使用切割片切割，不得使用电气焊切割。下料时，切割口两侧各5cm处先用铁丝绑扎，然后切割，下料后每隔1-1.5m绑扎一道18-22#铁丝，保证预应力筋束顺直不扭转，不松散。

（3）预应力筋穿束

穿束前，先检查预应力管道是否畅通，然后使用空压机将孔道内灰尘、杂物吹干净，钢绞线穿束采用人工配合机械的方法，步骤如下：

①用人工将单根钢绞线从穿束端送进孔内，直到另一孔口；

②利用已穿好的钢绞线牵引φ16mm钢丝绳从孔一端拉至穿束端；

③钢丝绳一端设挂钩，勾在钢束端部钢环内；

④钢丝绳系好钢筋环，开动卷扬机，收拉钢丝绳，将钢绞线束从穿束孔端拉至另一端。钢绞线穿束过程中要基本保持水平或采取措施保证入口附近钢束的水平。

（4）预应力筋张拉

①张拉准备工作

锚具进场后，分批对其外观尺寸、硬度、静载锚固性能等按规范要求进行抽检，抽检合格后方可使用；张拉前要根据摩阻试验报告及设计单位关于摩阻试验报告的调整回复，依据回复中的喇叭口摩阻系数、管道偏差系数调整预应力施加值；张拉机具正式使用前，委托有资质的计量单位对千斤顶、油压表、油泵进行配套检验，并计算出张拉力和油压表读数的一元回归方程式，以备正式张拉时使用。

②张拉

预应力钢绞线张拉应在混凝土强度达到设计强度100%和弹性模量达到设计100%后进行，且保证张拉时梁体混凝土龄期不少于5天。预应力分阶段一次张拉完成。俩侧对称进行。张拉过程中保持两端的伸长量基本一致；预应力束张拉完毕24小时后复查，确认无滑丝、断丝后才能切割钢绞线。应采用砂轮锯切割钢绞线。切割预留长度从锚环算起不少于30mm。在切割多余预应力筋时用湿纱布将锚垫板根部的预应力筋包裹并在切割过程中不断浇水降温防止因夹片受热发生滑丝现象。

③实际伸长量计算

在相应张拉力下量取与对应千斤顶油缸外伸量，将每个张拉循环初张拉力和终张拉力下对应的千斤顶油缸外伸量的差值，作为本次张拉循环中钢绞线的伸长量。各张拉环节伸长量之和为张拉总伸长量。钢束实际伸长量ΔLA的计算见式（1）：

式中：ΔL1为从初拉力至最大张拉力间千斤顶活塞的实测伸长值；ΔL2为初拉力以下的推算伸长值，可采用相邻级的伸长值；ΔL3为两端工具锚夹片的实测回缩值；ΔL4为其他需要扣除的压缩值。

2.3 承台帮宽工艺流程

图2为承台植筋工艺流程，墩身植筋类同。

图2 承台帮宽工艺流程

从图2中可以看到，植筋施工中两个关键工艺，分别为接缝表面凿毛和钻孔植筋。其中钻孔植筋要用冲击钻钻孔，根据锚固钢筋类型设置钻孔孔径富余量，孔道深至少为钢筋直径的15倍，钻孔时钻头始终与柱面保持垂直。值得说明的是， “钢筋加工”和“混凝土试件制作”为后增强加固结构体，外伸钢筋入结构体内部长度，也十分重要和关键，同样有有效黏结长度效应，因此文中开展的加固基材锚固长度研究，对后增强加固体的研究结果结论，亦同样适用。

3 锚固长度对界面黏结性能影响

3.1 试验原材料

为了保证基材在试验过程中可靠不破坏，基材采用混凝土C50高强混凝土；植筋钢筋采用HRB400型钢筋；植筋胶采用环氧树脂AB胶。

试验前根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》 （JGJ/T384-2016）［7］，对混凝土基体进行钻芯取样，芯样为67mm×67mm（高度）的圆柱体，实测的3个芯样的抗压强度平均值为57.5MPa。

3.2 试验装置

工程中所植钢筋总长度为145cm，以植入既有承台40cm、70cm，100cm和150cm为具体参数，为了考察植筋锚固长度对界面黏结性能影响规律，开展24块混凝土-钢筋法向黏结拉拔试验，并做同比例缩尺模拟试验（1/10缩尺），开展以4cm、7cm，10cm和15cm为锚固长度的混凝土试块（基材）-钢筋（Φ25）界面黏结试验，每种参数对应6个试件。在基体上表面垂直钻孔，孔径取25mm，孔深为4cm、7cm，10cm和15cm。用小毛刷和高压气枪清理孔内残余粉尘，然后注入水泥砂浆植筋胶，旋转植入钢筋，最后通过水平尺调整钢筋垂直度并加以临时固定，待后期进行拉拔试验。图3、图4分别为加载前试件和加载装置图。

图3 拉拔试件示意图

图4 拉拔装置示意图

3.3 试验过程和试件破坏模式

所有试验采用100t电液伺服材料试验机上进行加载，加载速率为1kN/min，加载装置如图3所示。试验过程中，采集到极限荷载，并观察试件破坏形态。随着加载的进行，试件出现“啪啪”的声响，植筋孔道附近出现轻微裂纹，钢筋和植筋胶界面出现破损，并以钢筋纵向为圆心，不等距裂纹径向扩散至孔道边界，至混凝土孔道边界处，扩散终止。随着加载继续进行，钢筋突然从孔道中拔出，或拉断，试验终止。从试验终止上观察试件破坏模式，可以发现分为2种破坏模式，分别为钢筋拉拔出和钢筋拉断。

3.4 试验结果与分析

试验中采集到极限荷载，和试件破坏模式，见表1所示。

表1 试验中植筋-混凝土构件极限荷载和破坏模式

从表1可以看到，极限荷载不随锚固长度增加而等比例提高。当锚固长度达到10cm时，界面黏结强度最大为15.76kN，增加锚固长度，反而黏结性能降低。可以分析到，植筋-胶体界面处存在有效黏结长度，试验中由于试件个数有限，未能精准捕捉到准确的试验工况下有效黏结长度，但可以看到有效黏结长度介于10 cm-15cm之间，当孔道锚固长度超过有效黏结长度后，界面黏结性能保持不变。至于SJL-15采集到的极限荷载小于SJL-10的原因在于，由于试件尺寸效应，过大的孔道降低了混凝土试件的整体刚度，导致在拉拔过程中孔道附近的混凝土出现应力集中，削弱了孔道内黏结性能，因此出现了12.14kN，否则最小值应该为SJL-10所对应的15.76kN。另外需要说明的是，SJL-7破坏模式不整齐，是由于混凝土离散型所致，当然也包含试验过程中技术人员布置实验设备和试件孔道中的误差。

4 结论

（1）施工中混凝土接缝表面凿毛和钻孔植筋，是保证植筋加固效果的重要方面。

（2）正拉试验极限荷载不随锚固长度增加而等比例提高。当锚固长度超过有效黏结长度后，界面黏结应力保持不变，过长注浆孔道将会导致基材受损。

（3）植筋孔道长度超过有效黏结长度后，钢筋-混凝土试件出现较强的尺寸效应。工程施工中应该先开展室内缩尺试验，根据具体条件后确定工程实际钻孔锚固长度。