约束拉拔植筋锚固性能的试验研究

第33卷第2期苏州科技大学学报(工程技术版)Vol.33No.2 2020年6月Journal of Suzhou University of Science and Technology(Engineering and Technology)Jun.2020
约束拉拔植筋锚固性能的试验研究
刘启真，唐兴荣
(苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011)
摘要：为了进一步研究约束拉拔植筋锚固性能，以植筋深度、植筋胶厚度、植筋表面特征等为设计参数,进行了7组19个单筋约束拉拔试验。

在试验分析的基础上，提出了约束拉拔时植筋胶-混凝土界面粘结-滑移本构关系模型，可以较好地反映植筋胶与混凝土界面粘结-滑移规律。

试验结果表明，在其他条件不变的情况下，随着植筋胶厚度的增大,试件拉拔承载力和对应的位移值均增大;随着植筋锚固深度的增大,试件拉拔承载力大致呈线性增大。

关键词：约束拉拔;植筋;锚固性能;粘结-滑移关系；试验研究
中图分类号：TU528文献标识码：A 文章编号：2096-3270(2020)02-0018-05
混凝土结构植筋系统包括混凝土基体、结构植筋胶和植筋钢筋，存在两个接触界面，即植筋胶与植筋界面(简称“胶-筋”界面)、植筋胶与混凝土界面(简称“胶-混”界面)。

由于结构植筋胶与钢筋间的粘结应力要大于结构植筋胶与混凝土间的粘结应力，一般混凝土结构植筋系统大多发生结构植筋胶-混凝土界面的滑移破坏。

目前,后植筋技术在结构加固中得到广泛的应用，国内外学者针对不同规格的结构胶植筋粘结性能进行了大量的试验研究和理论分析PT,但开展对粘结一滑移关系的试验研究和理论分析还不多，且大多通过钢套筒拉拔试验对胶-筋界面粘结-滑移关系进行研究，对工程实际应用中植筋胶与混凝土界面粘结-滑移的研究还很少叫因此有必要开展植筋胶-混凝土界面粘结滑移本构关系的研究。

本文以植筋深度、植筋胶厚度、植筋表面特征等为设计参数,进行了7组19个单筋约束拉拔试验，研究不同参数对约束拉拔承载力的影响，以及胶-混界面破坏时粘结滑移关系，为植筋结构工程应用和有限元模拟分析提供了技术依据。

1约束拉拔试验概况
1.1试件设计
以胶层厚度、埋深深度、钢筋表面形状为参数,设计了7组19个混凝土结构植筋约束拉拔试件,各试件参数见表1所列和图1所示。

其中第1、2、3、4组主要对比了不同胶厚的影响，第1、5、6组主要对比了不同埋深的影响。

第1、7组主要对比了不同钢筋表面形状特征的影响。

1.2材料力学性能
各组试件混凝土基体的设计强度等级均为C35,混凝土配合比见表2所列。

实测混凝土立方体抗压强度(150mmxl50mmxl50mm)为29.7MPa,棱柱体抗压强度(100mmxlOO mmx300mm)为27.0MPa o钢筋HRB400级，屈服强度为426MPa,极限强度为612MP&,弹性模量2.97xl04MPa o
表1试验参数一览表
序号试件编号植筋规格植筋直径
J/mm
植筋胶厚
®/mm
植筋孔径
D/mm
植筋深度
/a/mm
混凝土基材尺寸
/mm
数量/个
1PBAC-1HRB40020 3.5276d120150x150x1303
2PBAC-2HRB40020 2.5256d120150x150x1303
3PBAC-3HRB40020 4.0286d120150x150x1301
4PBAC4HRB40020 5.0306d120150x150x1303
5PBAC-5HRB40020 3.5275d100150x150x1303
6PBAC-6HRB40020 3.527Id140150x150x1401
7PBAC-7HPB30020 3.5276d120150x150x1303
［收稿日期］2019-05-16
［作者简介］刘启真(1993-),男，江苏苏州人，硕士研究生。

通信联系人:唐兴荣(1963-)，男，教授，博士,从事钢-混凝土组合结构理论与应用研究,Email:tangxingrongO*********o
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刘启真，等:约束拉拔植筋锚固性能的试验研究
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(a)PBAC-l~PABC-4
2-2
3-3
(b)PBAC-5
(c)PBAC-6
图1各试件截面尺寸及配筋
4-4
(d)PBAC-7
表2混凝土配合比
混凝土强度等级C35
粗骨料细骨料
水泥水
粒筋 10~16 mm
中砂
P.O 42.5
自来水
用量 /kg • m'3
1082667422227
结构植筋胶采用国产的鑫球牌植筋结构胶，型号为XQ-360E,植筋胶力学指标如下。

XQ360E 双组份环氧植筋胶:劈裂抗拉强度M&5 MPa,抗弯强度M50 MPa,抗压强度M60 MPa,钢对钢 拉伸抗剪强度M 10 MPa,约束拉拔条件下带肋钢筋与混凝土(C30)粘结强度Mil MPa 。

1.3植筋工艺
植筋工艺:采用试模浇筑试件混凝土基体并养护成型一采用水钻钻孔T 植筋孔打毛、清理T 注植筋胶
(约植筋埋深的1/2~2/3)一植筋T 养护。

需要说明，为了防止成孔时电钻的冲击力致使试件混凝土基体开裂,植筋孔采用水钻成孔，并采用钢丝刷进行反复打毛。

由于植筋孔采用对 穿设计,为了防止植筋时漏胶,在每个试件下垫一块中间带孔(直径22
mm)尺寸为150 mmX150 mm 木板,并用透明胶带密封。

带肋钢筋植筋 时,为了使植筋胶能够填充满肋间,应将钢筋旋入，同时需保持植筋钢筋 的垂直度。

1.4加载装置
采用苏州科技大学建材试验室的WE-600型液压式万能试验机进
行拉拔试验，采用荷载控制分级加载。

拉拔反力架采用混凝土握裹力试 验装置，如图2所示。

1.5测量内容及方法
采用YWD-50.YWD-100位移计测量试件植筋自由端和拉拔端的 竖向位移(位移计布置见图2)；采用钢筋应变片测量植筋钢筋的应变； WE-600型液压式万能试验机测读拉拔荷载等。

位移计及电阻应变片采
图2混凝土握裹力试验装置
用DH3821Net 静态电阻采集箱进行采集。

2试验结果分析
2.1主要试验结果
各组试件主要试验结果见表3所列。

由表3可见，绝大部分约束拉拔试验发生胶-混界面破坏。

2.2加载端拉拔荷载-位移曲线
图3给出了各试件约束拉拔荷载-竖向位移曲线(P 」)。

由图3(a)到图3(f)变形钢筋的拉拔荷载-竖向 变形曲线可见，拉拔荷载-竖向变形曲线呈三阶段模式，见图4。

(1)弹性粘结段:在加载初期，拉拔荷载与竖向位移曲线近似线性变化，拉拔荷载与竖向位移曲线为
通过
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表3主要试验结果
试件组别试件
名称
峰值拉拔荷载峰值拉拔荷载对应位移(加载端)
破坏形态巴/kN平均值/kN九/mm平均值/mm
1A87 1.23
PBAC-11B9287.5 1.27 1.22胶才昆界面破坏1C82 1.17
2A84 1.07胶才昆界面破坏PBAC-22B8885.3 1.00 1.06胶-筋界面破坏2C84 1.11胶才昆界面破坏
3A90.5 1.31胶才昆界面破坏PBAC-33B/90.5/ 1.31钻孔失败3C//钻孔失败
4A700.97胶-筋界面破坏PBAC44B92.492.5 1.43 1.37胶-筋界面破坏4C92.5 1.31胶才昆界面破坏
5A81.5 1.36胶才昆界面破坏PBAC-55B6275.5 1.02 1.21胶才昆界面破坏5C83 1.26胶-筋界面破坏
6A//胶-筋界面破坏PBAC-66B93.593.5 1.32 1.32胶才昆界面破坏6C//胶才昆界面破坏
PBAC-7（光圆）7A74 2.95胶-筋界面破坏7B7174.7 2.83 2.83胶-筋界面破坏7C79 2.72胶-筋界面破坏
坐标原点的斜直线。

(2)滑移段:随着拉拔荷载的增加，试件拉拔荷载-竖向位移曲线开
始出现明显的非线性，在曲线上出现较为明显的弯折。

在几何特征上，
可以看作为二次抛物线,且抛物线的顶点为峰值拉拔荷载。

(3)摩擦滑移段：当约束拉拔试件达到峰值拉拔荷载时，粘结界面
应力主要为摩擦力,拉拔荷载-竖向位移曲线呈宜线下降段。

2.3拉拔承载力分析
(1)植筋胶厚度对拉拔承载力的影响。

试件PBAC-1至PBAC-4图4胶-混界面粘结-滑移曲线理论模型为其他条件相同，植筋胶厚度分别为3.5、2.5、4、5mm,其峰值拉拔荷载分别为87.5、85.3、90.5、92.5kN,峰值拉拔荷载对应的位移分别为1.22、1.06、1.31、1.37mm。

图5给出峰值拉拔荷载-植筋胶厚度关系曲线(P”-Q。

随着石增大,植筋胶与混凝土界面接触面积增大，约束拉拔试件的P”提高,P”对应的竖向变形增大。

(2)植筋锚固长度对拉拔承载力的影响。

试件PBAC-1、试件PBAC-5和试件PBAC-6为其他条件相同,植筋埋深不同，依次为6d、5d、7d,其峰值拉拔荷载分别为87.5、75.5、93.5kN,峰值拉拔荷载对应的位移分别
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为1.22,1.21,1.32 mm o 图6给出了峰值拉拔荷载-植筋相对埋深的关系曲线(P u -ljd)o 由图6可见，随着"d
的增大，植筋体系的粘结刚度增大，代基本呈线性提高，但峰值拉拔荷载对应的位移没有明显变化。

(3)钢筋表面特征对拉拔承载力影响。

试件PBAC-1与试件PBAC-7为其他条件相同，前者为带肋钢筋,
后者为光圆钢筋。

试件PBAC-1发生胶-混界面破坏，而试件PBAC-7发生胶-筋界面破坏。

图7给出了试件 拉拔荷载-竖向位移曲线PJ 。

由图7可见，试件PBAC-1的峰值拉拔荷载大于试件PBAC-7的拉拔荷载，峰
值拉拔荷载对应的竖向位移要小于试件PBAC-5的竖向位移。

因此，混凝土结构植筋应优先采用带肋钢筋。

试件曲线
90
筈80
%
图7
图6
关系曲线图5 惯性系曲线
3约束拉拔粘结-滑移特征值分析
(1)极限粘结应力和对应的位移特征值。

平均极限粘结应力三
r u =P u /TrDl a
式中,P ”为峰值拉拔荷载;D 为植筋孔径仏为植筋埋深。

P u 对应的位移值用8U 来表示。

由试验结果可知，植筋埋深和胶厚均与呈正相关,则
8^=kJ.^-kj s +b
式中，仏植筋埋深影响系数;唸植筋胶厚影响系数;6基准常系数。

拟合后仏=0.005,唸=0.14,6=0.13；得
(1)
⑵
5…=0.005Z a +0.14t s +0.13
(3)
试验实测峰值拉拔荷载对应的位移值与按式(3)计算的峰值拉拔荷载对应的位移值的比值的平均值为 1.0059,均方差为0.0415，可见符合较好，可以用来计算峰值拉拔荷载对应的位移值。

(2)弹性粘结应力及对应的位移特征值。

弹性粘结应力冗为粘结阶段峰值拉拔荷载对应的胶-混界面平 均粘结应力。

由试验数据统计得到，兀为极限粘结应力的0.77倍,即冗=0.77*”。

见表5所列。

弹性位移值氏为弹性阶段峰值点(弹性极限荷载巴)对应位移点为峰值拉拔荷载对应的位移氏的0.51
倍，即氏=0.51氏。

见表5所列。

表5各试件粘结-滑移本构关系特征点
试验组别试件名称
P u /kN 8u /mm Pe/kN 8e /mm PJP.1A &55 1.23 6.490.580.7590.472PBAC-127-6
1B 9.04 1.277.08
0.630.7830.4961C
&06 1.17 5.900.540.7320.462
2A
&92 1.057.01
0.51
0.7860.486PBAC-225-6
2B
9.45 1.00
7.430.450.7870.452C
&92 1.10 6.790.590.7620.536
PBAC-3
28-63A 8.58
1.31
6.630.65
0.773
0.4994A 6.190.97 5.310.690.8570.710PBAC4
30-6
4B 8.14 1.26 6.720.790.8260.627
4C
8.18 1.43
6.81
0.94
0.832
0.6575A 9.67 1.367.430.710.7680.522PBAC-5
27-55B 7.31 1.02 5.660.570.7740.562
5C
9.91 1.267.550.640.7620.504PBAC-627-7
6B 7.88 1.32
6.320.770.802
0.58327-6
(光圆)
7A 7.27 2.95 6.090.730.8380.248PBAC-7
7B
6.98 2.83 5.70
0.750.8170.266
7C 7.77
2.72
5.900.73
0.759
0.268
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(3)残余粘结应力及对应的位移特征值。

残余粘结应力由破坏位移对应拉拔荷载计算所得,破坏位移取极限位移的2倍。

由于本文试验无法得到下降段，残余粘结强度的确定结果固采用残余粘结强度t^0.8t…o 考虑到试验数据样本较少,为了保证拉拔承载力的可靠度,取具有一定保证率的胶-混界面粘结应力
t...=t...-1.6453 (4)
式中,Q为平均极限粘结应力，按式(1)计算A为平均极限粘结应力均方差。

根据试验数据，按式(4)可得仇=7.43MPa。

根据上述试验回归确定的约束拉拔粘结-滑移特征值，可以得到胶-混界面破坏粘结-滑移本构模型的基本函数r(5),见式(5)。

11.94x(6/6”)(OW60)
t(5)=-7.58x(32/3…2)+15.15x(3/31I)+0.33(5)
-1.58x(3/5…)+13.2(3…^3<S r)
由平均粘结强度理论对得到的粘结-滑移本构关系基本函数进行计算，可以得到理论拉拔荷载-竖向位移曲线(图3)。

由图3可见，拉拔荷载-竖向位移曲线(PJ)理论值与试验值符合较好,可以较好的反映试验拉拔荷载-竖向位移曲线。

4结论
通过试验得到以下主要结论:绝大部分带肋植筋钢筋试件均发生植筋胶与混凝土之间界面破坏,能够真实反映植筋胶-混凝土界面的粘结滑移；植筋胶-混凝土界面的粘结应力与滑移的曲线可简化为弹性阶段、粘结阶段和破坏阶段，根据试验结果回归确定的植筋胶-混凝土界面粘结-滑移理论模型可以用于混凝土植筋结构的有限元模拟分析；试验结果表明,在其他条件不变的情况下,随着植筋胶厚的增大，试件拉拔承载力和滑移值均增大;随着植筋锚固深度的增大,试件拉拔承载力大致呈线性增大。

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Experimental study on anchorage performance of restrained pull-out planting bars
LIU Qizhen,TANG Xingrong
(School of Civil Engineering,SUST,Suzhou215011,China)
Abstract:In order to further study the anchorage performance of restrained pull-out planting bars,tests of seven groups of19single-bar restrained pull-out bars were carried out with the planting depth,glue thickness and surface characteristics of planted bars as design parameters.Based on the analysis of test results,a constitutive model of bond-slip relationship between planted bar glue and concrete interface during restrained drawing is proposed,which can better reflect the bond-slip law between planted bar glue and concrete cross-section.The test results show thatthe pull-out bearing capacity and displacement of the specimens increase with the increase of the thickness of the glue planting bar under the same other conditions,and the pull-out bearing capacity of specimens increases linearly with the increase of anchorage depth.
Key words：constrained pull-out;planting bar;anchorage behavior;bond-slip relationship;experiment study
(责任编辑：秦中悦)。