混凝土结构植筋锚固刍议_孙金墀

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第32卷第1期建筑结构2002年1月混凝土结构植筋锚固刍议孙金墀(北京市建筑设计研究院北京100045)[提要]混凝土结构植筋锚固的使用受多种因素制约,植筋锚固材料的耐久性、稳定性、耐火性、使用部位、钢筋锚固长度、锚固区混凝土的约束等在设计时都应慎重考虑。文中还对专用水泥的部颁标准5无收缩快硬硅酸盐水泥6(ZBQ11009)88)配制的浆锚砂浆用于钢筋锚固、搭接的试验研究做了介绍。[关键词]耐火性结构部位锚固长度锚固区约束浆锚砂浆Gluedjointsforsteelbarsappliedinconcretestructurearelimitedbymanyfactors,includingfireresistanceandstabi-lity,positioninthestructure,anchoragelengthofsteelbars,confinementofconcrete,whichshouldbeconsideredwhendesigning.Inaddition,thispaperintroducesthemortarofgluedjointsmixedwithNon-shrinkagequick-hard-eningPortlandcement(ZBQ11009-88)andtheexperimentalresearchofitsapplicationinanchorageofsteelbarsandlappedsplices.Keywords:gluedjoints;fireresistance;anchoragelength;steelbar;concrete;limitanchorarea;mortar近年来建筑物扩建、加层、加固,以及工业设备地耐火极限(h)表1锚等工程中,在混凝土结构或构件上进行钢筋的植筋耐火等级一级二级三级四级锚固被广泛地使用,所使用的部位及锚固材料多种多柱310215215015样,有些问题值得探讨。耐火极限梁210115110015一、植筋锚固材料的选择文献[1]指出:采用环氧树脂作为钢筋锚固的灌筑二、植筋锚固使用部位的商榷材料,虽然各项指标均较理想,但不能满足建筑物的防植筋作为钢筋锚固及搭接连接的一种形式,当使火规定,它是一种有机材料,其强度随温度上升而变用在结构可能出现弯曲屈服的部位或抗震结构出现很化,当温度在36e以上强度开始下降,接近300e时失大非弹性变形的部位,其强度和延性是否能满足设计去强度,300e以上完全损坏。显然这种材料不宜作为要求值得探讨。植筋使用的部位不同,对植筋锚固应钢筋锚固用灌筑材料使用。该文献建议应采用性能稳有不同的要求,甚至对某些部位的使用应加以限制。定的硅酸盐水泥掺以膨胀剂作为钢筋锚固灌筑材料。规范GBJ10)89和新的5混凝土结构设计规范6植筋锚固施工中也曾有这样的反映,采用环氧树(GB50010)2001)均规定,抗震结构受力钢筋连接接脂砂浆锚固植筋在锚筋根部焊接时硬化后的环氧树脂头位置宜避开梁端、柱端箍筋加密区(即可能出现弯曲砂浆受热后由水平锚孔内软化流出。为此在试验室做屈服及很大非弹性变形的部位)。规范GB50010)了类似的焊接热影响试验,发现焊接时热影响区锚孔2001还规定即使是非抗震设计,受力钢筋的连接也宜内环氧树脂砂浆出现了软化。如建筑物发生火灾,植设置在受力较小处。[4]筋锚固材料软化必然导致严重后果。美国ACI(318)95)规范规定,受拉钢筋搭接接选择植筋锚固材料除满足强度等因素外,尚应满头,按搭接处配筋面积与计算需要的钢筋面积比值确足5建筑设计防火规范6(GBJ16)87)有关构件燃烧性定搭接长度为A类或B类,促使受拉钢筋搭接接头位能和耐火极限要求[2],植筋锚固材料应采用耐火材料置避开钢筋应力峰值部位。ACI(318)95)规范关于抗(天然或人工的无机矿物材料)。当用于钢筋混凝土柱震结构明确规定钢筋搭接接头不得使用在框架节点和梁时,植筋锚固材料耐火极限应满足表1的要求,内,距框架节点边2倍截面高度范围的梁端和柱端内,使用在其它部位时则应满足建筑设计防火规范的相应以及框架非弹性侧移可能形成弯曲屈服的部位。[5]要求。5钢筋机械连接通用技术规程6(JGJ107)96)将选择植筋锚固材料时有两个准则值得关注:1)满钢筋接头分为三个级别:A级,接头抗拉强度达到或超足防火要求;2)后期的稳定性。过母材抗拉强度标准值,并且有高延性及反复拉压性26 能;B级,接头抗拉强度达到或超过母材屈服强度标准拔出的约束力外,尚有钢筋凸棱作用于锚固材料的径值1135倍,具有一定的延性及反复拉压性能;C级,接向力,这将形成锚固区混凝内的径向拉应力,并导致开头仅能承受压力。此外还规定混凝土结构要求充分发裂,当裂缝由内向外扩展使锚固区出现沿钢筋方向的挥钢筋强度或对接头延性要求较高的部位应采用A纵向裂缝时,锚固破坏。级接头,对钢筋受力小或对延性要求不高的部位可采用B级接头。[6]5钢筋焊接及验收规程6(JGJ18)96)对焊接接头要求抗拉强度不得小于该级别钢筋规定的抗拉强度,并呈延性断裂。上述规范对现浇混凝土结构钢筋搭接锚固的使用图1随钢筋拉力增大钢筋粘结力峰值区的内移部位做了许多限制规定,而在有关规程中对机械连接、钢筋粘结锚固受很多因素的制约,试验及震害表焊接接头的强度和延性指标要求已较严格,尚在设计[7,8]明:规范中对其使用的部位做了诸多限定。而当前植筋的(1)钢筋屈服后,钢筋与混凝土间会出现较大的相锚固及搭接连接作为一种接头连接形式没有相应规对滑动。程,且缺乏系统性试验依据,如果不区分抗震与非抗震(2)当锚固钢筋曾出现过应力峰值,即使当前荷载结构,不区分结构部位的使用,显然不妥并存在隐患。作用下钢筋应力值不高,但粘结应力比未出现过应力三、植筋锚固长度商榷峰值的情况有显著退化。植筋锚固长度的确定除依据构件承受荷载类型、(3)锚固区内钢筋的径向缩变以及反复荷载作用钢筋强度是否充分使用、是否考虑地震作用等因素之下的粘结退化,都会使相对滑动增长。外,还取决于植筋锚固或搭接连接部位混凝土的强度、(4)地震震害表明,很多钢筋混凝土结构出现了粘约束条件、横向配筋等因素。规范GBJ10)89和新的结锚固破坏。反复荷载作用下的粘结性能与单调荷载5混凝土结构设计规范6(GB50010)2001)对钢筋锚固下的粘结性能有本质的不同,按静载确定的锚固长度和搭接都有相应的规定,并对搭接钢筋在同一截面允对承受大变形反复作用显然是不够的。许搭接接头百分率也作了规定。美国ACI(318)95)(5)反复荷载作用下粘结退化是影响结构非线性规范对钢筋锚固长度除按钢筋型号及混凝土强度规定动力反应的一项重要因素,因此地震作用下钢筋锚固了基本锚固长度要求外,还规定要依据构件保护层的的粘结退化问题值得注意。厚度、钢筋锚固区横向钢筋的配筋量、纵向钢筋的净距(6)当钢筋锚固区的混凝土无可靠的约束或横向等条件乘以不同的系数进行调整,由此可见ACI规范约束配筋不足时,带肋钢筋对混凝土的斜向挤压力引的锚固长度也是依据多因素确定的。起的径向裂缝扩展,导致锚固区混凝土劈裂,钢筋锚固钢筋锚固的机理是个复杂的问题,植筋锚固粘结失效。强度与如下因素有关:1)钢筋表面与锚固材料间的摩(7)即使钢筋锚固区设置了横向配筋使混凝土有擦力;2)钢筋表面与锚固材料胶体间的粘着力;3)带肋可靠的约束时,如果钢筋锚固长度不足,还是有可能发钢筋凸棱阻止钢筋滑动的机械约束力;4)锚固材料与生锚固区前端混凝土呈圆锥体状破坏,锚固区后部出混凝土孔壁间的摩擦阻力。现带肋钢筋表面摩擦剪切破坏。当被锚固的钢筋受拉时,如图1所示,在钢筋拉力植筋锚固长度的确定是由多因素决定的,并不取较小阶段粘结力仅在锚固区边缘局部出现应力峰值,决于植筋锚固所使用锚固材料的粘结强度或其它单一粘结力峰值区段钢筋应力最高,应变也最大,随着拉力因素。因此,当无可靠的考虑多因素交互影响的系统值增加高应力区钢筋出现径向缩变,钢筋与锚固材料试验依据时,植筋锚固长度应按现行规范规定采用。间的摩擦力和粘结力降低,钢筋局部滑移。此后,粘结四、植筋锚固区混凝土约束条件的影响力峰值区向纵深延伸,钢筋拉力仍可继续增长。锚固满足植筋锚固区的约束要求是保证锚固钢筋强度区的工作特性表明,只要钢筋有足够的锚固长度,就能得以充分发挥的必要条件。对锚固钢筋和搭接连接钢保证钢筋充分发挥其强度,当拉力达到钢筋受拉强度筋区段的混凝土横向加以有效的约束,可以有效地改时钢筋拉断。善钢筋锚固性能,否则即使增加钢筋的锚固长度或搭带肋钢筋的凸棱对阻止钢筋在锚固区内的滑动起接长度,也难以满足设计要求。着重要作用,但是被锚固钢筋的凸棱除被作用有阻止规范GBJ10)89和GB50010)2001规定:/搭接27 接头长度范围内,当搭接钢筋为受拉时,其箍筋的间距初就水化成Ca(OH)2,使体积膨胀过程在塑性状态或不应大于5d,且不应大于100mm,,0。强度不高容易产生应变的状态下完成,使浆锚砂浆体美国ACI(318)95)规范对钢筋锚固区的横向配积在早期膨胀而不会破坏浆锚砂浆硬化后的材料结筋按是否考虑抗震规定了不同的要求,对于抗震结构构。对于/无收缩快硬硅酸盐水泥0,1988年颁布了部规定/纵向钢筋搭接接头必须在搭接长度内设置箍筋级产品标准(ZBQ11009)88)。或螺旋箍筋,搭接范围内横向钢筋间距不应大于d/4值得注意的是许多膨胀水泥都有两个特征:一是(d为截面有效高度)或100mm0。并规定在构件弯曲以降低强度为代价取得膨胀,二是膨胀在接近饱和湿屈服区域不得使用搭接接头。度条件下养护才能实现,因此不宜使用。带肋钢筋在锚固区与混凝土的相互作用使外围混11/无收缩快硬硅酸盐水泥0浆锚砂浆的钢筋锚固[9]凝土产生非常复杂的应力、变形及裂缝,带肋钢筋周围试验内部斜裂缝将混凝土沿纵向分割成齿状体[8],挤压力采用有约束的锚固试验,将钢筋锚固在钢管内,单通过这些齿状体向未开裂的混凝土传递径向分力,使纯地对浆锚砂浆的锚固性能进行探讨。外围混凝土中的环向拉力增大,导致内部径向裂缝的锚固钢筋按不同直径、不同强度的浆锚砂浆做试发展。当钢筋锚固区设置足够的横向钢筋时就可以延验,试件使用带肋钢筋,直径为16,25,28,32mm。钢缓径向内裂缝向混凝土表面发展,使开裂粘结应力提筋锚固长度取20d(d为钢筋直径)。高,当径向裂缝延伸到混凝土构件表面时形成劈裂,横试验结果列于表2,直径为<25~32mm的单根钢向钢筋可以限制劈裂裂缝的开展,避免发生锚固区混筋浆锚试件,钢筋锚固抗拉强度约达钢筋抗拉强度的凝土脆性劈裂破坏。87%~95%,部分试件钢筋与砂浆间出现粘结破坏,部植筋锚固区和搭接部位外围混凝土必须有可靠的分试件砂浆与钢管管壁间出现了滑动,如适当加长锚[8]固长度,锚固钢筋就能达到拉断破坏。约束(如保护层厚度较大c/d>5,c为保护层厚度,表2中双根钢筋搭接浆锚试件,由于不存在浆锚d为锚固钢筋直径),当保护层厚度不足时锚固区必须砂浆与钢管管壁间出现滑动破坏的问题,所有试件均具有规范要求的横向约束配筋,否则应做外部加固处达到钢筋拉断而锚固不破坏。理(如设置外部钢板箍等)。植筋锚固区混凝土的横向21钢筋浆锚连接在静载及重复荷载作用下的构约束和横向配筋是保证植筋锚固或搭接连接钢筋强度[9]件试验满足设计要求的必要条件。装配式框架叠压浆锚式节点采用上、下柱纵向钢五、一种性能稳定、价廉的植筋锚固材料筋在节点部位预留孔内搭接,再灌筑浆锚砂浆锚固取以/无收缩快硬硅酸盐水泥0为胶结料的钢筋锚固代钢筋焊接。采用图2中的试件施加侧力,检验钢筋浆锚砂浆,20世纪60年代就已用于装配式框架结构搭接锚固部位的受弯承载能力,试验着重研究了以下的连接,将其用于植筋锚固是一种使用上的扩展。20世纪60年代由于装配式结构的大量使用,为了解决钢筋焊接引发的焊接应力和焊接变形问题,研究取代钢筋焊接的新途径,经过系统的试验研究工作,并经工程实践提出了叠压浆锚装配式梁柱节点,其构造上的主要特征是将上、下层柱的纵向钢筋在框架节点预留孔内搭接,孔内灌注锚固材料,取代钢筋焊接,这种锚固材料俗称/浆锚砂浆0。叠压浆锚装配式框架梁柱节点构造已纳入国家建筑标准设计5建筑物抗震构造详图6(97G329(一)),并在许多工程中使用。浆锚砂浆所使用的胶结材料的研究由中国建筑材料科学研究院进行,北京市建筑设计研究院研究浆锚砂浆的锚固性能及用于构件连接的结构受力性能。所研制的钢筋锚固专用胶结料0无收缩快硬硅酸盐水泥0具有高强、快硬、无收缩、后期性能稳定等特性。/无收缩快硬硅酸盐水泥0所使用的膨胀剂在消化过程中能产生很大的体积膨胀(215倍),它在水泥硬化形成之图2钢筋浆锚侧力重复荷载试件28 浆锚砂浆锚固钢筋试验表2拉力-变形曲拉力-变形曲锚固钢筋钢筋抗拉钢筋试件钢筋锚固试件钢管浆锚砂浆钢筋屈服(1)试件线折点锚固线折点应力抗拉强度强度试件直径龄期长度内径抗压强度强度(2)编号钢筋应力与钢筋屈服(MPa)(MPa)类型(mm)(d)(mm)(MPa)(MPa)比值(MPa)强度比(1)(2)1257530033201904695420187225753003320190469542018732575300332019046454201864288030226511144524920192528420d80371930226511144294920187628803022651114429492018773211530526511154124900184832115305265111541749001859321152922651110402490018210257536033211084975420192112575360332110848754201901225753603321108483542018913257536933211114875420190142575369332111148754201901525753693321111487542019016282820d806217362265113746449201941728803582651135447492019118288035826511354664920195192880358265113545949201932028803582651135460492019321288035826511354494920191223211533926511284264900187233211534826511314364900189241680343529529251680)53453426162820d8056133535395391272880430496496(拉断)282880414536536292880410508508注:拉力-变形曲线转折点锚固钢筋应力指试件拉伸变形出现较大幅度增长时相应的钢筋应力值。问题:1)静载和重复荷载作用下钢筋锚固的可靠性;2)由表3可以看出,试件虽经重复荷载作用,但浆锚浆锚砂浆的长期稳定性。砂浆锚固的试件与整体浇筑试件的变形差异很小。试验按以下方式进行:1)通过静荷载和重复荷载由图3也可以看出,在室外自然环境下搁置44个试验,观察分析钢筋搭接锚固部位的受力性能、变形和月的浆锚砂浆锚固钢筋试件在弯矩设计值作用下经承载力;2)考虑时间因素对浆锚砂浆稳定性的影响,按30万次重复荷载,卸载后残余变形仅0126mm。短期试件(浆锚砂浆28d强度)和长期性能试件(室外(2)侧力作用下试件的承载力自然条件下搁置44个月)做了性能对比;3)试验还考表4中的数值是经重复荷载作用后再施加静载直虑了整体浇筑试件与装配式钢筋搭接浆锚试件进行对至受弯破坏的承载力值,钢筋浆锚试件与整体浇筑试比;4)对试件施加的荷载按以下程序进行:静荷载(弯件相比无明显差异。长期性能试件F和G承载力试验矩设计值)y重复荷载y静荷载破坏;5)重复荷载幅值采用最不利比值静载作用下试件加载点位移(mm)表3Pmin/Pmax=012(Pmax取弯矩设计值荷载)浆锚砂浆锚固钢筋试件整体浇筑试件荷载28d强度置放44个月重复荷载频率250次/min,浆锚砂浆28d强度试件重ABCDEFG复荷载次数为10万次,搁置44个月的长期性能试件第一次施加静载2104119221162159118111821195重复荷载次数为30万次。第二次施加静载1)2113119621132181)1185210531试验结果简述经重复荷载后再加静载2)2116211421352152211811942106(1)静载及重复荷载作用下的变形注:1)包括第一次静载后的残余变形;2)未计入所有残余变形。29 区箍筋间距宜[100mm。(5)施工时应特别注意锚孔的粗糙度,光滑的孔壁将导致浆锚砂浆与孔壁间的滑移。此外,锚孔应清洗,除去孔壁浮着物及松散物质也是保证钢筋锚固性能的重要措施。六、结语11混凝土结构植筋的锚固材料应采用快硬、高强、无收缩、后期性能稳定的材料,并应具有可靠的耐火性能,满足建筑防火规范的相应构件耐火极限要求。21在弯曲屈服部位或抗震结构出现较大非弹性变形的部位,植筋锚固的使用应慎重。31植筋锚固区混凝土除强度要求外,混凝土有可靠的横向约束是必要条件。图3钢筋浆锚试件侧力作用下的残余变形41植筋锚固长度的确定,应依据可靠的考虑多因试件钢筋锚固端受弯承载力表4素影响的试验确定钢筋锚固长度取值,如无可靠的试材料强度验依据还是应按现行规范规定值采用。试件浆锚砂浆钢筋屈破坏弯矩参考文献试件类型混凝土强编号龄期服强度度等级(kN#m)11SpyraJJ,SmithRBL.Thedevelopmentofanewmethodofjoint-(N/mm2)ingP.C.membersinbuildings.CivilEngineeringandPublicWorksA328C26109Review,1965,60(704).整体浇筑试件28d强度21建筑设计防火规范(GBJ16)87).中国计划出版社,1995.B328C2510131混凝土结构设计规范(GBJ10)89).中国建筑工业出版社,1989.C328C1510641BuildingCodeRequirementsforReinforcedConcrete(ACI318)D28d强度328C259395).浆锚砂浆锚E328C2210451钢筋机械连接通用技术规程(JGJ107)96).中国建筑工业出版固钢筋试件F自然条件下328C28126社,1997.放置44个61钢筋焊接及验收规程(JGJ18)96).中国建筑工业出版社,1996.G月后试验328C2810171T.鲍雷等.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计.中国建筑工业出版社,1999.表明,采用/无收缩快硬硅酸盐水泥0配制的浆锚砂浆81王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论.中国建筑工业出版社,长期性能是稳定的。1985.91孙金墀.装配式结构钢筋浆锚连接性能.混凝土及加筋混凝土,值得注意的是,试件D在受弯破坏前钢筋锚固区1986,4.出现了沿孔壁的纵向裂缝,导致破坏弯矩略有降低。试件F,G在受弯破坏时,钢筋锚固区也出现了沿孔壁(上接第48页)的纵向裂缝。试验结果再次验证了钢筋锚固区混凝土绍的处理方法,并采用部分预应力混凝土,则可以克服横向约束的重要性。缺陷达到RC的效果。41浆锚砂浆锚固钢筋的构造措施和施工要求21国内外有关预应力研究规范及实验表明,采用(1)浆锚砂浆采用/无收缩快硬硅酸盐水泥和纯净本文介绍的配筋指数、部分预应力比、拉应力限制系数中砂配制,配合比1B1(质量比),稠度100~120mm,水和预应力度建议值可以显著提高预应力框架梁的延性灰比0135~0140。稠度100~120mm已具有很好的流和耗能能力,达到抗震规范的要求。动性,应控制水灰比,保证浆锚砂浆强度和无收缩性31可以通过整体分析并按RC规范计算控制位能。浆锚砂浆28d抗压强度不应低于50MPa。移,并按本文建议的计算达到/强柱弱梁0等要求。(2)浆锚钢筋必须采用带肋钢筋,锚固长度不宜小参考文献11陈惠玲.高效预应力结构设计与施工实例应用手册.中国建筑工于25d。5建筑物抗震构造详图6(97G329(一))中的叠业出版社,1998.压浆锚型节点由于使用在框架节点部位,因此钢筋浆21陶学康.无粘结预应力混凝土设计与施工.地震出版社,1993.锚搭接附加了4d~6d单面焊缝补强措施。31吕志涛,唐九如等.高效预应力框架抗震配筋探讨.见:高效预应力混凝土工程实践.中国建筑工业出版社,1993.(3)单根钢筋锚固时混凝土锚孔直径60mm,41王祖华,周茂清.广东省档案馆板柱体系预应力楼板SAP84计3d。钢筋在锚孔内搭接时,锚孔直径80mm,4d(d算.见:第十届全国混凝土及预应力混凝土学术交流会论文,1999.为钢筋直径)。51王祖华,王仕统.无粘结预应力混凝土结构.广东省空间结构学(4)锚固区混凝土应有可靠的横向约束,钢筋锚固会,1997.30