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文檔簡介

植筋錨接鋼筋混凝土梁受彎試驗研究

1植筋拉拔試驗研究作為一種改進(jìn)的加固技術(shù)手段,種植肌腱可以替代預(yù)埋件,在設(shè)備安裝、墻體安裝、輔助設(shè)備安裝等方面具有獨特的優(yōu)勢,并得到了廣泛應(yīng)用。在歐美各國,有關(guān)粘結(jié)錨栓技術(shù)的研究工作具有系統(tǒng)性,并有專門的技術(shù)規(guī)程用于指導(dǎo)工程施工。我國近年也有較多應(yīng)用和研究,有關(guān)后錨固技術(shù)的技術(shù)規(guī)程也正在編制中。粘結(jié)錨栓受力性能研究的一個顯著的特點是以大量的試驗為基礎(chǔ)。植筋的承載力是根據(jù)粘結(jié)劑供貨商所提供的圖表而確定的,這些圖表或相關(guān)的計算公式、技術(shù)規(guī)程都是建立在大量試驗基礎(chǔ)上的。最有代表性的是COOK進(jìn)行的試驗,在試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)了破壞模式,提出了設(shè)計方法。隨后他又用12個廠家的20種產(chǎn)品,做了765個試驗,所考慮的影響因素包括在安裝過程中的因素,如鉆孔條件、混凝土強(qiáng)度、混凝土級配等,安裝后的影響因素,如較短的粘結(jié)養(yǎng)護(hù)期、高溫的受力環(huán)境等。HIGGINS等人研究了使用過程中暴露的環(huán)境因素的影響,如紫外線、在酸雨作用下的干濕交替對植筋承載力的影響。因此可以說,國外有關(guān)粘結(jié)錨栓的研究已經(jīng)進(jìn)行得很深入、很細(xì)致。但是,國外所做的試驗研究主要集中在粘結(jié)錨栓的拉拔試驗方面,即錨栓或鋼筋被植于大塊的預(yù)制混凝土塊中,然后施加單向拉拔力至破壞。國內(nèi)也有一些植筋拉拔試驗的研究結(jié)果,曾有人進(jìn)行了低周反復(fù)力作用下植筋構(gòu)件恢復(fù)力特性的研究,但該試件中鋼筋也是埋植在較大的混凝土構(gòu)件中。在實際工程中,特別在我國,植筋技術(shù)被大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固、結(jié)構(gòu)改造、結(jié)構(gòu)拓延等情況,植筋在受彎構(gòu)件或壓彎構(gòu)件中承受拉力。例如在采用植筋技術(shù)在老建筑物上增設(shè)陽臺、雨蓬,或?qū)袅?、框架柱結(jié)構(gòu)的加層改造中,所植鋼筋的受力狀態(tài)與單向拉拔的受力狀態(tài)完全不同。這時基材混凝土并不是處于零應(yīng)力狀態(tài)的大塊混凝土,而是處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的混凝土,甚至是框架節(jié)點區(qū)的混凝土。顯然,把塊體混凝土植筋單向拉拔的試驗結(jié)果用于構(gòu)件中受力鋼筋的植筋錨固是偏于不安全的。本文研究的目的是要揭示化學(xué)植筋當(dāng)基材處于不利應(yīng)力狀態(tài)下的粘結(jié)錨固性能,通過對比試驗探索疲勞荷載對植筋搭接梁受力性能的影響,以指導(dǎo)植筋技術(shù)在結(jié)構(gòu)改建、加固中的應(yīng)用。2試驗梁、梁、筋、板、墻節(jié)點的鋼筋性能本文通過植筋搭接梁受彎試驗來探討在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)植筋的受力性能。試驗梁共5根。其中3根梁做靜力加載試驗,植筋搭接長度分別為8d=176mm、10d=220mm、12d=264mm(其中d為所植鋼筋的直徑,均為22mm),相應(yīng)試件稱為SB1、SB2、SB3。2根梁做疲勞荷載試驗,植筋搭接長度均為10d=220mm,分別稱為FB1、FB2。5根試驗梁的區(qū)別僅在于受力鋼筋的植筋搭接長度,其余條件完全一致,施工制作也在同時同地進(jìn)行。試驗梁的幾何尺寸和截面配筋如圖1所示。試驗梁分兩期施工。第一期澆筑施工界面左邊的梁段,按正常程序綁扎鋼筋、支模、澆搗混凝土,其中的受拉鋼筋稱為“預(yù)置筋”,至施工界面處結(jié)束,受壓鋼筋為通長布置。同時為綁扎箍筋方便,在受拉區(qū)箍筋轉(zhuǎn)角處布置24通長鋼筋(這兩根鋼筋及箍筋在立面圖中沒有畫出)。第一期施工梁段在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行植筋施工。植筋與預(yù)置筋直徑相同并布置在同一水平高度處。圖1的梁立面圖中為表達(dá)方便起見將受拉鋼筋畫成了上下錯開的兩排,真實的鋼筋位置應(yīng)如圖1中2-2剖面所示。待粘結(jié)劑固化達(dá)到強(qiáng)度后,再綁扎第二期施工梁段的箍筋并澆筑混凝土。在新老混凝土結(jié)合界面采用打毛處理。梁中受拉主筋(包括預(yù)置筋和植筋)采用HRB335級鋼筋,試驗實測鋼筋屈服強(qiáng)度為338.8MPa,極限抗拉強(qiáng)度為516.7MPa。箍筋、受壓區(qū)架立筋、受拉區(qū)架立筋采用HPB235級鋼筋?;炷猎O(shè)計強(qiáng)度等級為C30,實測混凝土立方體(150mm×150mm×150mm)抗壓強(qiáng)度fcu=38.4MPa。植筋鉆孔直徑均為28mm。植筋膠采用型號為FISV360S的慧魚牌植筋膠。預(yù)置筋和植筋均對剖后開槽粘貼應(yīng)變片。凹槽為3mm×6mm,合攏后出線孔為6mm×6mm。槽內(nèi)貼2mm標(biāo)距的箔式電阻應(yīng)變片。在每一根預(yù)置筋和植筋的搭接范圍內(nèi),各布置3片應(yīng)變片,應(yīng)變測點的相對位置關(guān)系如圖2所示。在梁上部正反面混凝土表面貼混凝土應(yīng)變片,每邊2片共4片。一片貼在靠近梁頂面處,一片貼在離梁頂面1/4梁高處。3種植鋼筋結(jié)構(gòu)試驗中的張力試驗靜力加載程序分三個階段:預(yù)載;加載-卸載;加載至結(jié)構(gòu)破壞。3.1植筋搭接長度對鋼筋混凝土破壞機(jī)理的影響3根靜力試驗梁的破壞特征大體相同。加載初期試件均無裂縫出現(xiàn),試件基本處于彈性工作階段。隨著荷載的增加,首先在兩次澆筑梁的施工界面處出現(xiàn)第一條豎向裂縫,說明在兩次澆筑混凝土的結(jié)合面是結(jié)構(gòu)中的薄弱部位,隨后裂縫在鋼筋搭接接頭的兩端出現(xiàn),隨著荷載的增加,純彎段的其它部位產(chǎn)生幾條平行的近乎等距的垂直裂縫,最后所植鋼筋、粘結(jié)劑、混凝土之間發(fā)生混合界面破壞。試驗結(jié)果顯示,植筋搭接長度越大,構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫也越多,遍布整個純彎段,裂縫間距較均勻。梁靜力受彎試驗結(jié)果如表1所示。從表中還可看出,植筋深度為8d的梁開裂荷載最小,10d的次之,12d的最大,說明開裂荷載隨植筋搭接長度的增加而增大。隨著植筋搭接長度的增加,鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力增大,構(gòu)件的破壞荷載越大,裂縫發(fā)展得越充分。3根梁實測得到的荷載-撓度曲線關(guān)系如圖3所示。由圖中可以看出,試件的撓度變化在加載期間表現(xiàn)為兩個階段,這與普通鋼筋混凝土適筋梁理論分析得到的三階段形式是不一致的,主要是因為所有試件由于植筋搭接長度較短,受拉鋼筋均未達(dá)到屈服強(qiáng)度,最后均因所植鋼筋、粘結(jié)劑、混凝土發(fā)生混合界面破壞而導(dǎo)致梁脆性破壞。這是本次試驗的一大缺憾。混凝土開裂前,試件處于彈性工作階段,撓度隨荷載線性增加。3根試件的荷載-撓度曲線基本重合,這反映了不同植筋搭接長度的梁抗彎剛度在開裂前基本相同。開裂后,試件撓度隨荷載的增加明顯加快,但由于粘結(jié)劑的粘彈性變形,植筋搭接長度較大的構(gòu)件,變形較小,試件撓度增長速度隨植筋搭接長度的增加而降低。綜合裂縫和變形的觀察結(jié)果可以看出,影響試驗梁主裂縫寬度和撓度的主要因素是鋼筋、粘結(jié)劑、混凝土之間的粘結(jié)滑移性能,鋼筋和混凝土的彈性變形所產(chǎn)生的影響很小。試驗時混凝土壓應(yīng)變與荷載之間的關(guān)系如圖4所示。由圖可見,在荷載較小時(圖中顯示當(dāng)荷載在100kN以下時)3條曲線幾乎重合且均接近于直線,說明此時3根梁均處于較好的彈性階段。受壓區(qū)混凝土也處于彈性階段。SB1曲線的線性最好,在破壞后的試件上也可清楚地看出,SB1破壞時受壓區(qū)混凝土完全沒有損壞,試件完全是由于受拉區(qū)植筋被拔出、主裂縫延伸至梁頂導(dǎo)致試驗梁呈“折斷”的破壞形態(tài)。SB2和SB3的混凝土壓應(yīng)變在接近極限荷載時逐漸向水平方向彎曲,這是由于隨著裂縫的發(fā)展,梁受壓區(qū)高度越來越小,導(dǎo)致壓應(yīng)變增幅加快。從破壞后的試驗梁也可以看到,SB2、SB3梁的混凝土受壓區(qū)均有混凝土被壓碎的現(xiàn)象。但混凝土被壓碎的范圍很小,梁的破壞狀態(tài)類似于普通鋼筋混凝土少筋梁的破壞。從上述試驗現(xiàn)象的分析可以看出,即使對于植筋搭接長度達(dá)12d的梁,其破壞也是呈脆性的,破壞均為鋼筋、粘結(jié)劑、混凝土的混合界面破壞,鋼筋強(qiáng)度均得不到充分發(fā)揮。3.2搭接長度對植筋應(yīng)力的影響圖5為搭接范圍內(nèi)預(yù)置鋼筋的應(yīng)力實測結(jié)果。由圖5可以看出,當(dāng)搭接長度較短時(如SB1中植筋搭接長度為8d=176mm),預(yù)置筋應(yīng)力沿鋼筋長度近似呈線性變化;當(dāng)搭接長度較長時(如SB3中植筋搭接長度為12d=264mm),預(yù)置筋應(yīng)力沿鋼筋長度呈現(xiàn)出明顯的非線性變化。這說明當(dāng)植筋搭接長度較大時,預(yù)置筋與植筋之間的應(yīng)力傳遞沿搭接長度是不均勻的。圖6為搭接范圍內(nèi)植筋的應(yīng)力實測結(jié)果。由于SB1中植筋內(nèi)的應(yīng)變讀數(shù)不正常,故圖中僅給出SB2、SB3的應(yīng)力實測結(jié)果。由圖6可見,植筋的應(yīng)力分布規(guī)律與圖5中預(yù)置筋的應(yīng)力分布規(guī)律是一致的。3.3加載-裝卸試驗梁的撓度曲線在對植筋搭接梁破壞性加載試驗前,先進(jìn)行了加載至梁設(shè)計荷載的60%后再卸載的試驗,測得了梁的變形和鋼筋的應(yīng)變。圖7為SB3加載-卸載過程中梁的撓度曲線,圖8、圖9為SB3加載-卸載過程中預(yù)置筋和植筋的應(yīng)力變化。結(jié)果表明,試驗梁在經(jīng)歷加載-卸載循環(huán)后有較大的殘余變形,在鋼筋內(nèi)有一定的殘余應(yīng)力。將圖8與圖9相比較還可以看出,經(jīng)歷加載-卸載歷程后,植筋比預(yù)置筋有更大的殘余應(yīng)力,表明植筋比預(yù)置筋有更大的滑移。這一現(xiàn)象實際上反映了植筋膠與粘結(jié)界面的蠕變特性,應(yīng)該引起工程界的充分注意。3.4試驗結(jié)果比較作為對比試驗,作者另外制作了混凝土塊體試件,進(jìn)行了5組18根單向拉拔的植筋錨固試驗。塊體試件植筋施工工藝與梁式試件相同。實測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu=50.5MPa。用于對比的3組塊體植筋試件的基本參數(shù)見表2,其中d為所植鋼筋的直徑,均為22mm。試驗結(jié)果比較見表3。試驗結(jié)果表明,在梁式試件中,破壞主要發(fā)生在膠與混凝土界面上,鋼筋與膠的粘結(jié)力大于混凝土與膠的粘結(jié)力。在塊體試件中均為混合界面破壞。植筋搭接長度相同時,彎曲受力情況下試件破壞時鋼筋所受的拉力僅為軸拉下試件破壞時鋼筋所受拉力的35%~48%。梁破壞時鋼筋的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度,強(qiáng)度未能得到充分的利用。其原因主要是因為在彎曲情況下,梁內(nèi)出現(xiàn)了與梁軸線垂直的裂縫,受拉區(qū)混凝土開裂而退出工作,拉力主要由受拉區(qū)鋼筋承擔(dān),由于植筋與預(yù)置筋搭接長度較短,兩者不能形成一個整體工作,而且箍筋數(shù)量較少,致使植筋帶膠過早地與混凝土發(fā)生滑移。另一方面,在梁式試件中植筋的混凝土保護(hù)層較小,也會造成鋼筋、膠和混凝土之間的粘結(jié)力下降。圖10為SB2、SB3試件破壞時梁底面鋼筋搭接區(qū)段裂縫發(fā)展的照片。斜裂縫的出現(xiàn)表明在梁底混凝土內(nèi)有較大的縱向剪力。4種植鋼筋結(jié)構(gòu)試驗中的疲勞負(fù)荷4.1疲勞試驗荷載植筋搭接梁疲勞荷載試驗加載裝置示意圖如圖11所示。在試驗裝置的具體安裝過程中,采取了一系列的措施以防止疲勞試驗過程中試件滑移、脫落,防止試件下支座移位,防止荷載作用點移位。因為本次試驗的目的是為了研究植筋搭接的錨固性能,因此在確定梁疲勞加載的最大荷載和最小荷載時,應(yīng)先確定梁受拉主筋所承受的最大拉力和最小拉力,然后再反算作用在梁上的疲勞試驗時的最大荷載和最小荷載。我國《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—92)沒有給出疲勞試驗時試驗荷載值確定方法,本文疲勞試驗荷載取值參考?xì)W洲技術(shù)檢驗組織的標(biāo)準(zhǔn)確定。試驗中對于FB1取Pmax=65kN,Pmin=35kN;對于FB2取Pmax=75kN,Pmin=35kN;加載頻率為4Hz。循環(huán)荷載在最大荷載和最小荷載之間按正弦曲線變化。為研究不同的荷載循環(huán)次數(shù)對試件受力性能的影響,歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求在加載至10、102、103104、105次循環(huán)時,停機(jī)進(jìn)行一個循環(huán)的靜載試驗。我國《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—92)中,則要求重復(fù)加載到10×103次、100×103次、500×103次1×106次、2×106次循環(huán)時,停機(jī)進(jìn)行一個循環(huán)的靜載試驗。本文試驗中考慮在加載1次、5×105次、106次1.5×106次、2×106次時停機(jī)進(jìn)行一個循環(huán)的靜載試驗,靜載試驗時為分級加載至最大疲勞荷載。在疲勞加載滿2×106次后停機(jī),然后靜力加載至結(jié)構(gòu)破壞,得到極限荷載及破壞形態(tài)。梁在整個疲勞試驗過程中的荷載譜如圖12所示。4.2靜力加載試驗位移測點布置與梁靜力試驗時相同。在疲勞試驗過程中不進(jìn)行動態(tài)測量。在疲勞加載過程中位移計與試件脫離,在疲勞試驗機(jī)停機(jī)進(jìn)行靜力加載試驗時再安裝就位。靜力試驗時量測豎向荷載值、梁的跨中撓度值及鋼筋和混凝土的應(yīng)變。靜力加載至最大值時觀察裂縫發(fā)展位置并標(biāo)注疲勞加載的循環(huán)次數(shù)。應(yīng)變測點布置與梁靜力試驗時相同。所有測點均接入自動數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng),并傳送至電子計算機(jī)自動形成記錄文件。4.3試驗結(jié)果及分析由于測試人員及設(shè)備安排上的原因,將原定疲勞加載為106次時需進(jìn)行靜力試驗的方案作了調(diào)整FB1調(diào)整為當(dāng)疲勞加載達(dá)到8.85×105次時、FB2調(diào)整為當(dāng)疲勞加載達(dá)到9.25×105次時,分別停機(jī)進(jìn)行了一個循環(huán)的靜載試驗。圖13為兩根疲勞試驗梁的撓度實測結(jié)果合成圖。所謂合成是把每次停機(jī)試驗所得到的荷載-撓度曲線合成到同一個坐標(biāo)系中,并以前一次卸載為零時的殘余位移作為本次試驗開始加載時的位移初值。所以圖中在不同循環(huán)次數(shù)時的荷載-撓度曲線都是首尾相連的。由圖可以看出:(1)第一次加載且當(dāng)荷載較小時,試驗梁有較好的剛度,表現(xiàn)為荷載-撓度曲線明顯較陡,這反映了梁開裂前剛度較大的特點,這一點與普通鋼筋混凝土梁是一致的。(2)疲勞加載以后的荷載-撓度曲線的斜率明顯地顯得平緩,表明結(jié)構(gòu)開裂后剛度被削弱,且由于植筋粘結(jié)滑移的影響,每次卸載后都會有一定的殘余變形。(3)自5×105次加載至2×106次加載試驗的荷載-撓度曲線的斜率頗為接近,表明疲勞加載對梁的抗彎剛度影響不大。(4)試驗加載達(dá)2×106次后停機(jī)再加載至結(jié)構(gòu)破壞所得到的荷載-撓度曲線的斜率與前面停機(jī)時所得到的荷載-撓度曲線的斜率基本一致,表明梁中縱筋的粘結(jié)滑移傳力機(jī)理沒有變化。試驗曲線最終沒有出現(xiàn)水平段或下降段,因為兩根梁最終都是由于鋼筋、粘結(jié)劑、混凝土之間的混合界面破壞而破壞,鋼筋沒有發(fā)生屈服。這一點與植筋搭接梁靜力試驗結(jié)果是一致的。圖14為兩根疲勞試驗梁的表面裂縫展開圖。與裂縫相垂直的短線及標(biāo)注在其旁邊的數(shù)字表示在某一循環(huán)加載次數(shù)后裂縫所發(fā)展的位置。由圖可見:(1)第一次靜力加載時,裂縫首先出現(xiàn)在新老混凝土界面上,這與靜力加載試驗梁SB1、SB2、SB3的結(jié)果是一致的。(2)從第一次加載到第5×105次循環(huán)加載過程中,除第一條主裂縫有一定發(fā)展外,又陸續(xù)出現(xiàn)了許多受彎正裂縫。從5×105次循環(huán)加載到2×106次循環(huán)加載過程中,裂縫有一定的發(fā)展,但發(fā)展量并不大,也沒有新的裂縫出現(xiàn)。(3)在2×106次疲勞加載結(jié)束后靜力加載至破壞的過程中,主裂縫有較大的發(fā)展,最后接近梁頂,形成破壞截面。其余裂縫僅有少量的發(fā)展,在這期間又出現(xiàn)了一些新的裂縫。(4)梁底在縱筋搭接區(qū)出現(xiàn)了交叉斜裂縫,說明混凝土在傳遞縱筋應(yīng)力過程中以受剪為主。由于試驗時是由上向下加載的,因此未能觀察到梁底裂縫隨荷載增長或隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展過程,僅得到梁破壞時的最終結(jié)果。5搭接區(qū)范圍有交叉斜裂縫(1)試驗所做的5根植筋搭接梁都是由于植筋粘結(jié)錨固破壞而導(dǎo)致梁的破壞,粘結(jié)錨固破壞的形式均為混合界面破壞。受拉鋼筋均未達(dá)到屈服強(qiáng)度。將植筋搭接梁受彎試驗結(jié)果與塊體試件植筋拉拔試驗結(jié)果比較可以看出,在相同植筋條件下,位于梁受拉區(qū)的植筋的粘結(jié)錨固承載力遠(yuǎn)小于在塊體混凝土試件中植筋的粘結(jié)錨固承載力。因此,當(dāng)植筋錨固區(qū)基材處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時,應(yīng)認(rèn)真考慮

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