混凝土植筋设计理论及其在工程改造中的应用

1 前言
　　瑞士HILTI公司的混凝土植筋技术，以可靠的实验数据及相关理论为基础，在房屋梁、板、柱改造连接中具有方便快捷、安全可靠、施工简单等特点，并逐渐被我国广大工程技术人员所接受。该技术的粘合剂由有机成分和无机成分两种物质组成。有机成分主要是氨基甲酸脂和特殊固化剂，而非环氧树脂类；无机成分主要是水硬性物质。它的高分子聚合物反应可保证植筋粘合系统的高强性和快速凝固，而与无机物产生的水泥质反应则增加了粘合的硬度和粘结力。特别是在温度、湿度大幅度变化时能够保证两种物质混合凝固后得到足够强度，而收缩变形微乎其微。
2 锚筋设计依据
　　在钢筋混凝土构件（如墙、柱、梁、板）上栽植钢筋的破坏形式有三种：
　（1）钢筋使用达到设计强度而破坏；
　（2）粘合剂与钢筋粘合界面达到限值而破坏；
　（3）粘合剂与混凝土粘合界面达到限值而破坏。
　根据瑞士联邦技术学院（ETH）测试数据综合分析，可由三种破坏模式得到3个相应公式，分别论述如下。
2.1 钢筋达到设计强度
　　如图1所示，钢筋被充分利用时的设计拉力，即钢筋强度设计值Ny采用下式计算：
　　Ny=0.25d2πfyk/γsγQ （1）
　　式中d—钢筋直径，mm；
　　fyk—钢筋强度标准值，MPa；
　　γs—钢筋的分项系数，取1.15；
　γQ—作用（荷载）分项系数，取1.5。
2.2 粘合剂与钢筋粘合界面达到限值
　　如图2所示，钢筋同粘合剂之间的粘合界面所受的力随锚固长度呈线性增加，但它只是随钢筋直径的平方根增长。即钢筋与粘合剂粘合强度设计值Nb为：
　　Nb＝25πL’ad1/2/γbγQ （2）
　　式中L’a—锚筋的安装长度，mm；
　　γb—粘合剂的分项系数，取1.5。
　　应用范围：L’a≥L’amin,fcuk≥25MPa
　　其中L’amin—最小锚筋长度，mm；
　　fcuk—混凝土立方体抗压强度标准，MPa 。
2.3 粘合剂与混凝土表面粘合达到限值
　　如图3所示，粘合剂与混凝土孔壁之间的粘合界面所承受的力，随孔深而呈现线性增加，但它只是随混凝土标准强度与孔洞直径的乘积的平方根而增长。即粘合剂与混凝土之间粘合的设计值NC为：
　　NC=4.5πL’a(fcukD)1/2/γCγQ （3）
　　式中D—孔洞直径，mm；
　　γC—混凝土分项系数，取1.5。
　应用范围：L’a≥L’amin,fcuk≥25MPa。
　　从以上公式可以看出，若要使一定直径的钢筋充分利用，就必须使钢筋的锚固长度达到一定的数值。这样就可以得出钢筋的基本锚固长度，钢筋植入超过这一长度，则钢筋就会被充分利用。

图1 钢筋屈服破坏 图2 钢筋与粘结剂之间破坏 图3 混凝土与粘结剂间破坏
基本锚固长度的推导如下：由Ny≤Nb得：
　　L’a≥d3/2fykγb/100γs （4）
　　同理，由Ny≤Nc，可得：
　　L’a≥d2fykγc/18γs(fcukD)1/2 （5）
　　两个极限锚固长度的最大值便是基本锚固长度，如图4所示：

图4 基本锚固长度 图5浅埋锚固长度
　　L’a=max{d3/2fykγb/100γs,d2fykγc/18γs(fcukD)1/2 （6）
　　将分项系数代入以上公式，则：
　　L’a=max{0.013d3/2fyk,0.072d2fyk/(fcukD) （7）
　　从以上分析得出：若将钢筋植入基本锚固长度，钢筋已被充分利用，再植入更深已毫无意义。但实际上钢筋锚固长度小于基本锚固长度即大直径钢筋植入很浅时(见图5)，则它的实际结合力就是粘合剂与钢筋之间的粘合力和粘合剂与混凝土之间的粘合力这二者之间的最小值。但是这一实际长度必须符合我国有关建筑结构规范的构造规定。
3 实际应用锚固长度
　　根据以上钢筋锚固理论分析，若实际混凝土fcuk为30MPa，钢筋设计屈服强度fy为310MPa，按照标准施工操作，考虑分项系数，结合国家建设工程质量监督检验中心的检测，可得不同直径钢筋与锚固长度的对应值（见表1）。
表1 不同直径钢筋与锚固长度对照 mm
钢筋直径ｄ/mm 钢筋屈服锚固长度 La/mm 最适合孔径 D/mm
8 - 12
10 106 14
12 139 16
14 179 18
16 214 22
18 256 24
20 300 28
22 346 30
25 428 32
4 实例应用
　　2001年济南钢铁集团总公司（简称济钢）1#焦炉易地大修，需对焦化备煤车间进行改造，在保留原车间厂房框架部分的前提下，拆除与原框架厂房相接的砖混厂房部分。若采用传统方法改造，则须在旧厂房框架柱旁加设一框架柱形成新的框架体系，势必破坏原有地下皮带通廊，1#、2#、3#、4#焦炉必须停产，这样整个济钢的生产链将被打断。不考虑炼铁、炼钢等其他分厂影响，单就济钢焦化厂本身停炉其每天损失就超过1000元。从通廊基础爆破到框架基础浇筑完毕，再到通廊恢复运行，以每天24h连续施工最快也得4天才能恢复生产。这样，直接损失约4000元。查阅旧图得知，旧框架柱断面600×600、配筋4.28+1230、混凝土强度等级为C30。通过PKPM计算软件得到新框架梁传到旧框架柱最大内力包络值Mmax为182.3kN.m、Vmax为140.5kN、Nmax为912kN。新框架梁截面为300×600，上下各配置6.22根钢筋，每根钢筋承受56kN拉力，单根钢筋屈服拉力为117.8kN。验算旧厂房框架柱的强度和稳定性能满足要求，新增扩的三层框架厂房框架梁与旧框架厂房柱通过混凝土植筋技术进行连接设计。该厂房新增框架部分在2台80kW大功率破碎机的生产振动下，经过将近2年运转使用表明，混凝土植筋连接部位安全可靠，未出现不良裂缝。混凝土植筋技术的应用使得该工程设计简单、施工便捷，为生产焦炉不停产改造发挥了重大积极作用。