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化学植筋性能
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化学锚栓以其性能可靠、施工简便等优点被广泛应用于建筑物扩建、改造、加固和设备安装等工程[13],目前,锚栓的设计主要是以单向拉拔试验为依据来确定锚固深度。中国是多地震国家,需要确定锚栓是否能够用于地震区结构工程。由于锚栓动载性能试验装置复杂,没有统一的试验方法、设备和标准,各国学者对此研究甚少。工程中所用锚栓的种类较多[45],性能各异,在地震作用下受力复杂,作为结构构件的重要连接件,有必要对锚固构件的抗震性能进行深入的研究[6]。化学锚栓在工程中常被应用于地震地区和受拉区混凝土构件的锚固与连接,如钢板通过锚栓与原有混凝土构件连接是结构加固中粘钢、灌钢技术的必要措施,锚栓的锚固效果在这种施工工艺中起到了非常重要的作用。为了研究锚栓的抗震性能,用其连接混凝土梁与柱,采用悬臂试件进行反复加载试验。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,提高了构件的承载力和延性,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到了重要作用;另外,试验中也发现,保证各锚栓的间距是影响锚固效果的重要因素。
  1材料性能与试件加载
  1.1材料性能
  混凝土强度等级为C30,实测立方体强度为33.2 MPa,梁柱纵筋均采用HRB335,箍筋采用HPB235,试验中所使用的加固材料为韩日牌化学锚栓和韩日牌植筋胶,其力学性能指标如表1,2所示。表2中,d为植筋(钢筋)直径。
  试件加载
  试验试件共6个,几何尺寸及配筋如图1所示,试件参数见表3。表3中,ZJ20表示植筋(钢筋)直径为20 mm,10d,15d分别表示植筋深度为10倍、15倍植筋直径,单锚与双锚表示化学锚栓的数量。
  图1试件尺寸及配筋(单位:mm)
  Fig.1Geometric Sizes and Reinforcement of
  Specimens (Unit:mm)为更加真实地反映实际工程中的情况,植筋和锚栓施工的过程由北京新鑫江建筑加固工程有限公司完成。试件在制作过程中采用两次浇筑成型的方法,即先浇筑节点柱子,等混凝土完全固化后在试件节点上用电锤钻出植筋孔,经过清孔、灌胶、植筋等施工工序将钢筋植入混凝土中,在结构胶经过24 h固化后绑扎箍筋,浇筑节点混凝土,经过28 d养护后再对节点进行打孔,用化学锚栓将钢板固定在相应位置。   双锚栓试件加载采用分级加载,每级的荷载增量为10 kN,荷载稳定时间为3 min,弹性阶段采用荷载控制加载,在出现明显的弹塑性变形后采用位移控制加载的方法,直至荷载下降到峰值荷载85%或构件破坏之后,停止加载。2试验结果分析
  2.1破坏形态
  试验中试件破坏形态如图2所示,试件的破坏过程和典型形态描述如下:
  图2试件破坏形态
  Fig.2Failure Modes of Specimans(1)ZJ2010d构件在受拉纵筋屈服前,混凝土及纵筋应变呈线性增长,受拉区混凝土出现少量水平裂缝;纵筋屈服后,新旧混凝土界面出现通缝,同时柱身侧面靠近钢筋位置处出现裂缝,随着加载的进行,裂缝宽度不断加大,直至构件破坏,柱身仍无明显新增裂缝,受压区混凝土也没有被压碎的现象,凿开柱脚混凝土层,发现植筋有部分被拔起,属于脆性破坏;ZJ2015d构件在加载过程中,裂缝均出现在柱身高度范围内,钢筋位置处无裂缝出现,最终纵向受拉钢筋屈服,受压区混凝土被压碎,这种破坏形态属于延性破坏。
  (2)由锚栓加固后的构件在加载过程中,裂缝首先出现在锚栓锚固位置,紧接着在靠近钢板上沿处出现第2条裂缝。ZJ2010d单锚构件也有钢筋被拔起的现象,承载力突然下降,但是随着加载的进行,锚栓的拉拔力开始发挥作用,钢筋最终在钢板高度范围内屈曲,受压区混凝土被压碎,构件破坏。双锚构件开裂情况与单锚构件类似,但构件最终在锚栓锚固截面处产生通缝现象,说明原有混凝土结构的截面受到钻孔的削弱,裂缝在两孔之间开展,影响了锚栓的锚固效果。
  (3)ZJ2015d单锚构件最终破坏时在锚栓位置处出现向四周延伸的裂缝,且有大块混凝土与锚栓牢固粘结,不脱落,这说明锚栓的锚固粘结效果良好。但是ZJ2015d双锚构件在最终破坏时可以清晰看到断面处的锚栓与混凝土柱几乎脱离,仅有部分混凝土残渣遗留在锚栓表面。这些现象同样说明了施工时锚栓之间的距离太近会造成原结构截面的削弱,影响锚栓的锚固粘结效果。
  2.2承载力分析
  试件承载力与位移试验结果如表4所示。由表4可知:
  (1)与未用锚栓锚固的构件ZJ2010d相比,单注:Pcr,Δcr分别为开裂荷载及对应的开裂位移;Δy为与明显屈服荷载Py对应的屈服位移;Δd为弹塑性最大位移(骨架曲线上荷载下降至
  极限荷载85%或构件破坏时的位移);Pu为极限荷载;Pmax为峰值荷载;μ为延性系数。锚构件开裂荷载提高了209.2%,屈服荷载提高了8.44%,峰值荷载提高了9.74%。双锚构件的开裂荷载提高了63.1%,屈服荷载提高了5.64%,峰值荷载提高了10.89%。这说明在构件受到反复荷载的初期,锚栓的锚固有效限制了构件的开裂和屈服,但是双锚构件开裂和屈服均早于单锚构件,这是由于锚栓在钻孔施工时对原有混凝土构件造成了截面的削弱,峰值荷载两者差别不大。因此,锚栓的锚固效果与对原有结构的截面削弱状况有关。
  (2)将ZJ2015d锚固构件与已做过试验的未锚固构件的数据进行比较[78]可知:单锚构件开裂荷载提高了107.9%,屈服荷载提高了35.79%,峰值荷载提高了32.34%;双锚构件开裂荷载提高了70.62%,屈服荷载提高了27.58%,峰值荷载提高了12.95%。比较结果再次证明了锚固效果与原结构损伤状况的关系,同时也说明锚栓的锚固效果良好,在受到反复荷载时能够有效地提高构件的承载力。
  (3)对比构件ZJ2010d和ZJ2015d,二者开裂荷载和屈服荷载差别不大,但是植筋深度15d的构件峰值荷载提高了17.1%,说明随着植筋深度的增加,构件的最大承载力也随之增加。比较二者的极限位移可以看出,植筋深度10d的构件在屈服后承载力迅速下降,是脆性破坏,而植筋深度15d的构件承载力发展平稳,延性较好。这说明对于重要的承重构件,植筋深度10d是不可靠的,植筋深度在15d以上,构件的安全性才能得到保证。
  (4)比较各构件的极限位移,除了ZJ2010d和ZJ2010d双锚构件在加载初期承载力下降迅速,其余构件的承载力发展都非常平稳,说明10d植筋的构件由于自身植筋深度不够,容易发生脆性破坏。采用单根锚栓加固后,锚栓的锚固效果良好,它对构件承载力和延性的提高起到了明显的作用,但是在2根锚栓同时锚固以后,锚固效果大大降低,脆性增大,这是锚栓施工时对原有混凝土结构的截面削弱造成的。
  2.3反复荷载作用下试件的力位移关系曲线
  滞回曲线是结构抗震性能的综合体现,反复荷载作用下各试件的滞回曲线如图3所示,其中,P为水平荷载,Δ为与水平加载点同一高度的相应水平位移。图3反复荷载作用下各试件的滞回曲线
  Fig.3Hysteresis Curves of Specimens Under Cyclic Loading由图3可以看出:
  (1)构件屈服前,滞回曲线基本上呈直线型;构件屈服后,随着侧向位移、加载循环次数的增加,滞回曲线弯曲,呈现出较明显的非弹性性质,并且刚度随着加载循环次数的增加而降低,滞回曲线呈梭形。
  (2)在构件达到屈服荷载后,3个植筋锚固深度为10d的构件承载力均迅速下降,但是随着加载的进行,构件的滞回曲线出现了不同的发展趋势:①无锚固构件的承载力下降速度快,属于脆性破坏;②单锚构件在承载力下降一段后又慢慢恢复,峰值荷载达到了39.1 kN,最终破坏;③双锚构件在承载力突然下降以后,在30 kN左右保持平稳发展,下降缓慢,直至最终破坏。这说明植筋深度10d的构件在反复荷载作用下是不可靠的,后期承载力的提高主要来自于锚栓的锚固作用,但锚栓的锚固效果对后期承载力的发展有重要影响。单锚构件属于延性破坏;虽然双锚构件破坏时的承载力小于单锚构件,但是其延性相比未加固构件有所提高,在持续反复荷载作用的后期,结构仍能够继续承载,满足了“大震不倒”的设计目标。   (3)植筋深度15d的构件在承载力、延性方面都较植筋深度10d的构件有所提高,植筋锚固深度是可靠的。从承载力的发展趋势来看,单根锚栓的锚固效果明显好于2根锚栓的锚固效果。
  2.4抗震性能和延性
  试验对有锚栓锚固的植筋构件进行单向反复加载,锚栓始终承受着反复荷载的拉拔作用,借助构件的破坏形态和锚栓的动载锚固效果来分析锚栓的抗震性能,判断化学锚栓在地震高烈度地区用于加固、锚固或连接承重构件的适用性。
  由表4还可知,经过锚栓加固后的植筋构件比未加固试件的延性系数均有提高,其中由单根锚栓锚固的构件延性系数提高显著,植筋深度10d单锚构件的弹塑性位移提高了855.8%,有效阻止构件发生脆性破坏,其主要原因是锚栓在反复荷载作用下锚固效果很好,限制了构件承载力的下降和位移的增大。3结语
  (1)随着植筋深度的增加,植筋构件的破坏形态从脆性破坏变为延性破坏,构件的承载力和延性均有所提高,植筋深度15d构件的承载力比植筋深度10d构件提高了17.1%,延性系数提高了369.2%。这说明植筋深度是影响构件抗震性能的重要因素,植筋深度10d不可靠。
  (2)试验中所用锚栓在承受反复拉拔力时锚固效果良好,有效阻止植筋深度10d构件发生脆性破坏,改善了植筋深度15d构件的延性,并且提高了构件的屈服强度和峰值荷载,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到了重要作用。
  (3)锚栓施工技术也是影响锚栓抗震性能的重要因素,单锚构件和双锚构件在同样的加载机制下进行比较可以发现,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。
  (4)通过对试验中构件的承载力和延性分析可知,厂家提供的化学锚栓直径和锚固深度合理。在保证施工质量的条件下,化学锚栓的抗震锚固性能良好,可以用于地震高烈度地区承重构件的连接和加固,亦可以用于受拉区混凝土的锚固或连接。

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