寧海明 王悅石 江 冰 關(guān)喜彬 陶 琦

（1.中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028；2.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；3.江蘇省交通運(yùn)輸與保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003）

1 引言

植筋技術(shù)是一種后錨固技術(shù)，廣泛應(yīng)用于礦山、土木工程中。植筋后加固效果如何，植筋界面為施工工藝中關(guān)鍵一環(huán)，對于植筋加固后結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為，起到重要的影響，因此各國學(xué)者開展了較為廣泛的界面力學(xué)性能研究。

徐瑤［1］開展了單桿植筋試件膠層厚度、螺桿直徑以及植入深度對單桿植筋連接破壞模式、抗拔強(qiáng)度以及變形性能的影響；YIN等人［2］考察粗糙的FRP布表面對混凝土-FRP界面力學(xué)性能的影響規(guī)律；潘傳銀［3］試驗(yàn)研究了植筋方向?qū)︷そY(jié)面抗剪性能的影響；殷雨時等人［5-6］通過設(shè)置不同粗糙程度的混凝土表面，開展了混凝土外貼FRP布的單向剪切試驗(yàn)，得到混凝土表面粗糙度對界面力學(xué)性能有十分重要的影響，最佳粗糙度值為0.34。

可見，各國學(xué)者開展了較為廣泛的混凝土表面、鋼筋表面的界面力學(xué)性能研究，形成了較為系統(tǒng)的界面研究狀況，但對于結(jié)構(gòu)局部改良上，罕為見到相關(guān)系統(tǒng)性研究。界面是加固雙項(xiàng)體重要的鏈接結(jié)構(gòu)，因此關(guān)注界面性能的提升，對于結(jié)構(gòu)加固具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文以新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路淮安地區(qū)預(yù)留寧淮鐵路寧鹽上下行聯(lián)絡(luò)線既有承臺墩身幫寬為工程背景，由于植筋界面黏結(jié)性能與基材受力有直接關(guān)系，而墩臺在受力狀態(tài)上相似，因此本文以承臺幫寬植筋為例，說明植筋孔道長度（錨固長度）與界面黏結(jié)性能的關(guān)系，并詳述工藝設(shè)計和施工流程，以期為類似工況下施工提供理論依據(jù)。

2 工程概況

寧鹽上下行聯(lián)絡(luò)特大橋S45、S46、S47、S48、S49、S50、X24、X25、X26、X27、X28為利用既有4.2×2.3m（寬×厚）單線圓端實(shí)體橋墩（坡度45∶1）進(jìn)行幫寬施工。其中S46-S50號墩采用植筋法加固后，承臺新建部分與既有結(jié)構(gòu)連成整體共同承受力。X25-X28號墩采用植筋法加固后，承臺新建部分與既有結(jié)構(gòu)連成整體共同承受力。墩身幫寬植筋采用Φ20鋼筋，植筋鉆孔直徑為25mm，鋼筋間距30cm，梅花形布設(shè)。所植鋼筋總長度為132cm，植入既有墩身50cm，外露60cm+22cm直角彎鉤。植筋與混凝土外邊緣距離不小于5d（10cm）。

2.1 承臺幫寬植筋操作平臺搭設(shè)

開始施工前圍繞墩身需植筋部位搭設(shè)支架和作業(yè)平臺，輔助鉆孔和植筋等工作。盤扣架搭設(shè)場地必須平整、堅實(shí)、不沉陷、不積水，S46#、S47#、S50#墩身外圍腳手架搭設(shè)在承臺頂面上。X25#-X28#、S48#、S49#墩承臺尺寸不能滿足搭設(shè)要求，對立桿下基礎(chǔ)做加固壓實(shí)處理，承臺四周回填夯實(shí)后采用C15混凝土進(jìn)行硬化，厚度20cm，防止不均勻沉降。同時在立桿底部墊放20cm寬，5cm厚木跳板。雙排架采用盤扣式腳手架，步距1.5m，橫向立桿間距120cm，兩排架立桿間距90cm，每層每6根立桿設(shè)置1根斜撐桿，工作面板采用方木與竹膠板制作而成的可拆卸面板，方木下方設(shè)置卡槽固定在盤扣架橫桿上。為了預(yù)防支架傾覆，自地面以上每隔3m用鋼管扣件在幫寬墩身外側(cè)將兩側(cè)支架連接加固，靠近墩身側(cè)采用直徑20拉筋與既有墩身進(jìn)行連接加固 （墩身側(cè)植筋作為拉桿，植入深度30cm）。爬梯宜設(shè)置在盤扣架框架內(nèi)，鋼梯寬度應(yīng)為廊道寬度的1/2，鋼梯可在一個框架高度內(nèi)折線上升；鋼架拐彎處應(yīng)設(shè)置鋼腳手板及扶手桿。作業(yè)平臺四周搭設(shè)Φ50鋼管圍欄，高度1.2米，圍欄四周掛安全網(wǎng)。

承臺植筋采用Φ25鋼筋，植筋鉆孔直徑為32mm，鋼筋間距35cm，梅花形布設(shè)。所植鋼筋總長度為145cm，植入既有承臺70cm，外露75cm+28cm直角彎鉤。植筋與混凝土外邊緣距離不小于5d（12.5cm）。

2.2 預(yù)應(yīng)力筋的下料、穿束、張拉及孔道壓漿

（1）預(yù)應(yīng)力體系

縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860Mpa的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，公稱直徑為15.20mm，錨具采用m15-12錨具。預(yù)應(yīng)力剛束具體位置如圖1。張拉采用與之配套的機(jī)械設(shè)備，預(yù)應(yīng)力孔道采用內(nèi)φ85mm金屬波紋管，真空壓漿，灌漿料采用高性能無收縮防腐灌漿劑。

圖1 承臺預(yù)應(yīng)力剛束平面及立面布置圖

預(yù)應(yīng)力鋼筋及錨具、夾具和連接器進(jìn)場時，應(yīng)對其質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行全面檢查，如對預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行斷破負(fù)荷、屈服負(fù)荷、彈性模量、極限伸長率試驗(yàn)，對錨具進(jìn)行外觀及外形尺寸、硬度、靜載錨固系數(shù)性能試驗(yàn)，其質(zhì)量必須符合設(shè)計要求和相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（2）預(yù)應(yīng)力筋的下料

鋼絞線下料長度等于設(shè)計長度+2倍的工作長度。

鋼絞線下料前，將鋼絞線捆放置于搭設(shè)的框架內(nèi)，以防抽拉鋼筋線時整孔散落，開盤下料時，將抽出鋼絞線攤置在平坦地面上，整理順直后，按下料長度使用切割片切割，不得使用電氣焊切割。下料時，切割口兩側(cè)各5cm處先用鐵絲綁扎，然后切割，下料后每隔1-1.5m綁扎一道18-22#鐵絲，保證預(yù)應(yīng)力筋束順直不扭轉(zhuǎn)，不松散。

（3）預(yù)應(yīng)力筋穿束

穿束前，先檢查預(yù)應(yīng)力管道是否暢通，然后使用空壓機(jī)將孔道內(nèi)灰塵、雜物吹干凈，鋼絞線穿束采用人工配合機(jī)械的方法，步驟如下：

①用人工將單根鋼絞線從穿束端送進(jìn)孔內(nèi)，直到另一孔口；

②利用已穿好的鋼絞線牽引φ16mm鋼絲繩從孔一端拉至穿束端；

③鋼絲繩一端設(shè)掛鉤，勾在鋼束端部鋼環(huán)內(nèi)；

④鋼絲繩系好鋼筋環(huán)，開動卷揚(yáng)機(jī)，收拉鋼絲繩，將鋼絞線束從穿束孔端拉至另一端。鋼絞線穿束過程中要基本保持水平或采取措施保證入口附近鋼束的水平。

（4）預(yù)應(yīng)力筋張拉

①張拉準(zhǔn)備工作

錨具進(jìn)場后，分批對其外觀尺寸、硬度、靜載錨固性能等按規(guī)范要求進(jìn)行抽檢，抽檢合格后方可使用；張拉前要根據(jù)摩阻試驗(yàn)報告及設(shè)計單位關(guān)于摩阻試驗(yàn)報告的調(diào)整回復(fù)，依據(jù)回復(fù)中的喇叭口摩阻系數(shù)、管道偏差系數(shù)調(diào)整預(yù)應(yīng)力施加值；張拉機(jī)具正式使用前，委托有資質(zhì)的計量單位對千斤頂、油壓表、油泵進(jìn)行配套檢驗(yàn)，并計算出張拉力和油壓表讀數(shù)的一元回歸方程式，以備正式張拉時使用。

②張拉

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉應(yīng)在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%和彈性模量達(dá)到設(shè)計100%后進(jìn)行，且保證張拉時梁體混凝土齡期不少于5天。預(yù)應(yīng)力分階段一次張拉完成。倆側(cè)對稱進(jìn)行。張拉過程中保持兩端的伸長量基本一致；預(yù)應(yīng)力束張拉完畢24小時后復(fù)查，確認(rèn)無滑絲、斷絲后才能切割鋼絞線。應(yīng)采用砂輪鋸切割鋼絞線。切割預(yù)留長度從錨環(huán)算起不少于30mm。在切割多余預(yù)應(yīng)力筋時用濕紗布將錨墊板根部的預(yù)應(yīng)力筋包裹并在切割過程中不斷澆水降溫防止因夾片受熱發(fā)生滑絲現(xiàn)象。

③實(shí)際伸長量計算

在相應(yīng)張拉力下量取與對應(yīng)千斤頂油缸外伸量，將每個張拉循環(huán)初張拉力和終張拉力下對應(yīng)的千斤頂油缸外伸量的差值，作為本次張拉循環(huán)中鋼絞線的伸長量。各張拉環(huán)節(jié)伸長量之和為張拉總伸長量。鋼束實(shí)際伸長量ΔLA的計算見式（1）：

式中：ΔL1為從初拉力至最大張拉力間千斤頂活塞的實(shí)測伸長值；ΔL2為初拉力以下的推算伸長值，可采用相鄰級的伸長值；ΔL3為兩端工具錨夾片的實(shí)測回縮值；ΔL4為其他需要扣除的壓縮值。

2.3 承臺幫寬工藝流程

圖2為承臺植筋工藝流程，墩身植筋類同。

圖2 承臺幫寬工藝流程

從圖2中可以看到，植筋施工中兩個關(guān)鍵工藝，分別為接縫表面鑿毛和鉆孔植筋。其中鉆孔植筋要用沖擊鉆鉆孔，根據(jù)錨固鋼筋類型設(shè)置鉆孔孔徑富余量，孔道深至少為鋼筋直徑的15倍，鉆孔時鉆頭始終與柱面保持垂直。值得說明的是， “鋼筋加工”和“混凝土試件制作”為后增強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)體，外伸鋼筋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部長度，也十分重要和關(guān)鍵，同樣有有效黏結(jié)長度效應(yīng)，因此文中開展的加固基材錨固長度研究，對后增強(qiáng)加固體的研究結(jié)果結(jié)論，亦同樣適用。

3 錨固長度對界面黏結(jié)性能影響

3.1 試驗(yàn)原材料

為了保證基材在試驗(yàn)過程中可靠不破壞，基材采用混凝土C50高強(qiáng)混凝土；植筋鋼筋采用HRB400型鋼筋；植筋膠采用環(huán)氧樹脂AB膠。

試驗(yàn)前根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》 （JGJ/T384-2016）［7］，對混凝土基體進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣為67mm×67mm（高度）的圓柱體，實(shí)測的3個芯樣的抗壓強(qiáng)度平均值為57.5MPa。

3.2 試驗(yàn)裝置

工程中所植鋼筋總長度為145cm，以植入既有承臺40cm、70cm，100cm和150cm為具體參數(shù)，為了考察植筋錨固長度對界面黏結(jié)性能影響規(guī)律，開展24塊混凝土-鋼筋法向黏結(jié)拉拔試驗(yàn)，并做同比例縮尺模擬試驗(yàn)（1/10縮尺），開展以4cm、7cm，10cm和15cm為錨固長度的混凝土試塊（基材）-鋼筋（Φ25）界面黏結(jié)試驗(yàn)，每種參數(shù)對應(yīng)6個試件。在基體上表面垂直鉆孔，孔徑取25mm，孔深為4cm、7cm，10cm和15cm。用小毛刷和高壓氣槍清理孔內(nèi)殘余粉塵，然后注入水泥砂漿植筋膠，旋轉(zhuǎn)植入鋼筋，最后通過水平尺調(diào)整鋼筋垂直度并加以臨時固定，待后期進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。圖3、圖4分別為加載前試件和加載裝置圖。

圖3 拉拔試件示意圖

圖4 拉拔裝置示意圖

3.3 試驗(yàn)過程和試件破壞模式

所有試驗(yàn)采用100t電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，加載速率為1kN/min，加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)過程中，采集到極限荷載，并觀察試件破壞形態(tài)。隨著加載的進(jìn)行，試件出現(xiàn)“啪啪”的聲響，植筋孔道附近出現(xiàn)輕微裂紋，鋼筋和植筋膠界面出現(xiàn)破損，并以鋼筋縱向?yàn)閳A心，不等距裂紋徑向擴(kuò)散至孔道邊界，至混凝土孔道邊界處，擴(kuò)散終止。隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，鋼筋突然從孔道中拔出，或拉斷，試驗(yàn)終止。從試驗(yàn)終止上觀察試件破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)分為2種破壞模式，分別為鋼筋拉拔出和鋼筋拉斷。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中采集到極限荷載，和試件破壞模式，見表1所示。

表1 試驗(yàn)中植筋-混凝土構(gòu)件極限荷載和破壞模式

從表1可以看到，極限荷載不隨錨固長度增加而等比例提高。當(dāng)錨固長度達(dá)到10cm時，界面黏結(jié)強(qiáng)度最大為15.76kN，增加錨固長度，反而黏結(jié)性能降低?？梢苑治龅?，植筋-膠體界面處存在有效黏結(jié)長度，試驗(yàn)中由于試件個數(shù)有限，未能精準(zhǔn)捕捉到準(zhǔn)確的試驗(yàn)工況下有效黏結(jié)長度，但可以看到有效黏結(jié)長度介于10 cm-15cm之間，當(dāng)孔道錨固長度超過有效黏結(jié)長度后，界面黏結(jié)性能保持不變。至于SJL-15采集到的極限荷載小于SJL-10的原因在于，由于試件尺寸效應(yīng)，過大的孔道降低了混凝土試件的整體剛度，導(dǎo)致在拉拔過程中孔道附近的混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中，削弱了孔道內(nèi)黏結(jié)性能，因此出現(xiàn)了12.14kN，否則最小值應(yīng)該為SJL-10所對應(yīng)的15.76kN。另外需要說明的是，SJL-7破壞模式不整齊，是由于混凝土離散型所致，當(dāng)然也包含試驗(yàn)過程中技術(shù)人員布置實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試件孔道中的誤差。

4 結(jié)論

（1）施工中混凝土接縫表面鑿毛和鉆孔植筋，是保證植筋加固效果的重要方面。

（2）正拉試驗(yàn)極限荷載不隨錨固長度增加而等比例提高。當(dāng)錨固長度超過有效黏結(jié)長度后，界面黏結(jié)應(yīng)力保持不變，過長注漿孔道將會導(dǎo)致基材受損。

（3）植筋孔道長度超過有效黏結(jié)長度后，鋼筋-混凝土試件出現(xiàn)較強(qiáng)的尺寸效應(yīng)。工程施工中應(yīng)該先開展室內(nèi)縮尺試驗(yàn)，根據(jù)具體條件后確定工程實(shí)際鉆孔錨固長度。