植筋錨固技術(shù)發(fā)展概述

陳　剛

[摘要]介紹混凝土結(jié)構(gòu)改造、加固領(lǐng)域中的熱門(mén)技術(shù)植筋錨固技術(shù)的發(fā)展歷史，敘述植筋技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，展望植筋技術(shù)的研究方向和應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]植筋結(jié)構(gòu)膠發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TU4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)0210078—01

一、前言

植筋化學(xué)植筋及螺桿，簡(jiǎn)稱植筋，是我國(guó)工程界廣泛應(yīng)用的一種后錨固連接技術(shù)，系以化學(xué)膠粘劑錨固膠，將帶肋鋼筋及長(zhǎng)螺桿膠結(jié)固定于混凝土基材鉆孔中，通過(guò)粘結(jié)與鎖鍵(interlock)作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被連接件錨固的一種組件。植筋技術(shù)作為一種新型的加固技術(shù)，不僅具有施工方便、工作面小、工作效率高的特點(diǎn)，而且還具有適應(yīng)性強(qiáng)、適用范圍廣、錨固結(jié)構(gòu)的整體性能良好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因而，植筋技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)增建、變更等的受力鋼筋錨固，結(jié)構(gòu)加固工程中橫梁、柱頭、樓板、剪力墻等受力鋼筋錨固，以及各類(lèi)附屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、管道、支架、幕墻等安裝時(shí)的螺桿錨定。

二、國(guó)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

植筋技術(shù)是在膨脹螺栓(mechanical expansion shell bolt)的基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來(lái)的。膨脹螺栓能在錨固區(qū)周?chē)a(chǎn)生很高的應(yīng)力，因此當(dāng)受到荷載作用時(shí)，特別是受到動(dòng)力荷載作用時(shí)，膨脹螺栓很容易松動(dòng)。為了克服膨脹螺栓的缺點(diǎn)，早在1959年德國(guó)首先研究了樹(shù)脂膠囊(resin capsule)用于錨固礦山錨桿。此后這一技術(shù)在上世紀(jì)60～70年代廣泛應(yīng)用于礦山、隧道等工程建設(shè)中。到了八十年代，這一技術(shù)的應(yīng)用范圍更為廣泛，并逐漸發(fā)展成為一種新的鋼筋錨固形式后錨鋼筋。國(guó)外對(duì)植筋粘結(jié)錨固性能的研究始于上世紀(jì)八十年代，其中主要集中在瑞士、德國(guó)、美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家。

植筋錨固受力性能研究的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是以大量的試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)。斯圖加特大學(xué)Eligehausen等人(1984)，Doerr等人(1989)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別推導(dǎo)了預(yù)估錨栓的拔出力的計(jì)算公式。由于化學(xué)粘結(jié)錨栓的破壞面常發(fā)生在混凝土和混凝土與粘結(jié)劑的表面，因此他們的公式都是通過(guò)總結(jié)混凝土破壞區(qū)域和粘結(jié)劑與混凝土結(jié)合層破壞深度范圍內(nèi)的平均剪力或最大剪力得到的。

Florida大學(xué)教授Ronald A.Cook在1993年就報(bào)道了在美國(guó)進(jìn)行的280個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，這一試驗(yàn)研究有167個(gè)測(cè)試在Florida大學(xué)進(jìn)行，有113個(gè)測(cè)試在Texas大學(xué)完成。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)4種破壞模式，并提出設(shè)計(jì)方法，可用來(lái)估算化學(xué)粘結(jié)錨栓的拉拔強(qiáng)度，設(shè)計(jì)方案考慮了拉伸測(cè)試中典型埋深的破壞模式(混凝土錐體破壞，粘結(jié)破壞，混凝土錐體粘結(jié)復(fù)合破壞)，提出了以彈性理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。

至2001年，Cook等人用12個(gè)國(guó)家的20種產(chǎn)品，共做了765個(gè)試驗(yàn)，分別考慮了影響錨栓極限承載力的各個(gè)因素。這些因素包括在安裝過(guò)程中的影響因素如鉆孔條件、混凝土強(qiáng)度、混凝土級(jí)配等，安裝后影響因素如較短的粘結(jié)養(yǎng)護(hù)期、高溫的受力環(huán)境等。此外，化學(xué)膠的使用環(huán)境對(duì)植筋受力性能的影響也已受到關(guān)注，Higgins等人研究了使用過(guò)程中暴露的環(huán)境因素的影響，如紫外線、在酸雨作用下的干濕交替對(duì)植筋承載力的影響，研究結(jié)果表明，植筋的粘結(jié)強(qiáng)度不受紫外線和酸雨作用下干濕交替的影響。

在實(shí)際工程中特別是當(dāng)植筋技術(shù)用于結(jié)構(gòu)加固、結(jié)構(gòu)改造、結(jié)構(gòu)拓延等情況時(shí)，基材混凝土處于零應(yīng)力狀態(tài)的情況是極少見(jiàn)的，有時(shí)甚至?xí)幱谑芾瓍^(qū)或處于框架節(jié)點(diǎn)等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，這時(shí)植筋的粘結(jié)錨固性能顯然會(huì)大大下降，并將直接影響到結(jié)構(gòu)的受力性能。因此近幾年國(guó)外學(xué)者的研究不單單關(guān)注混凝土塊體中的植筋拉拔試驗(yàn)研究，而且開(kāi)始研究基材混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的植筋力學(xué)性能。

Eligehausen等人對(duì)混凝土植筋梁和板進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土保護(hù)層開(kāi)裂引起了植筋構(gòu)件的破壞；植筋構(gòu)件的極限承載力能夠達(dá)到非植筋構(gòu)件的承載力，其粘結(jié)強(qiáng)度與非植筋構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度也相差無(wú)幾。Eligehausen認(rèn)為廠家給出的結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是基于植筋有較厚的混凝土保護(hù)層厚度，而實(shí)際構(gòu)件中的實(shí)際保護(hù)層厚度要小，設(shè)計(jì)值偏高。

三、國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

植筋技術(shù)的發(fā)展是隨著建筑結(jié)構(gòu)膠的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。建筑結(jié)構(gòu)膠于上世紀(jì)八十年代初期在我國(guó)開(kāi)始使用。1983由中科院大連化物所與遼寧建科所共同合作研制出我國(guó)第一種實(shí)用的JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)膠領(lǐng)域的空白。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)膠至1983年開(kāi)發(fā)至今的二十多年里，發(fā)展迅速，產(chǎn)品能夠滿足大部分工程需要，目前研究主要集中于特種性能建筑結(jié)構(gòu)膠的開(kāi)發(fā)，如耐高溫、抗凍、可焊等。

國(guó)內(nèi)對(duì)植筋力學(xué)性能的試驗(yàn)研究主要集中于單向拉拔試驗(yàn)，熊學(xué)玉等為研究植筋的粘結(jié)性能、確定植筋抗拉強(qiáng)度、破壞形態(tài)及其影響，結(jié)合某高層住宅植筋加固工程進(jìn)行了植筋的拉拔試驗(yàn)，分析了不同植筋強(qiáng)度、不同的環(huán)境條件對(duì)粘結(jié)性能的影響并給出了設(shè)計(jì)、施工建議。

司偉進(jìn)等用拉拔試驗(yàn)探討植筋錨固試件鋼筋的粘結(jié)錨固特性，主要就鋼筋相對(duì)錨固長(zhǎng)度、受力鋼筋根數(shù)、橫向配筋等因素對(duì)環(huán)氧砂漿植筋錨固鋼筋混凝土試件承載力的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在錨固鋼筋滿足一定長(zhǎng)度(15d)的情況下，植筋錨固構(gòu)件后錨固鋼筋的靜力性能是可靠的。

同濟(jì)大學(xué)張建榮等為研究植筋的粘結(jié)性能、確定植筋極限抗拉強(qiáng)度、破壞形態(tài)及影響，進(jìn)行了5組21根鋼筋的混凝土植筋錨圃拉拔試驗(yàn)。得到了植筋的5種破壞形態(tài)，如圖1所示，并指出植筋受力粘結(jié)錨固破壞可分為四個(gè)階段：粘結(jié)階段、粘滯階段、劈裂階段、滑移階段。

近些年隨著植筋的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，研究除了單純的拉拔試驗(yàn)外也開(kāi)始涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的植筋受力性能的研究。

同濟(jì)大學(xué)張建榮等為研究混凝土結(jié)構(gòu)在受拉區(qū)進(jìn)行植筋錨固的粘結(jié)錨固機(jī)理和破壞形態(tài)，進(jìn)行了采用植筋技術(shù)進(jìn)行受拉主筋搭接的鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)，植筋深度分別為8d、10d、12d、15d、20d、25d、30d。結(jié)果表明，試驗(yàn)中植筋只有在深度≥15d時(shí)，植筋與混凝土產(chǎn)生滑移發(fā)生混合界面拔出破壞，植筋屈服，梁發(fā)生塑性破壞。這與單向拉拔試驗(yàn)中植筋埋深為10d時(shí)即發(fā)生鋼筋拉斷的破壞結(jié)果有很大差別，說(shuō)明植筋在梁受拉區(qū)時(shí)，其粘結(jié)錨固性能有很大的下降。

東南大學(xué)陳忠范、程文瀼等通過(guò)低周反復(fù)水平荷載作用下鋼筋混凝土加層節(jié)點(diǎn)柱的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明縱筋屈服后的粘接滑移量較大。裂縫開(kāi)展較寬，但仍可滿足使用階段的設(shè)計(jì)要求，抗震耗能性能及變形滿足要求，但是其植入深度應(yīng)該滿足≥15d。

同濟(jì)大學(xué)張建榮等進(jìn)行了混凝土植筋梁式試件的2×106的疲勞加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，疲勞加載對(duì)試件的極限承載力的影響不明顯，其破壞形態(tài)、極限承載力、延性和耗能性能與非植筋柱近似。

近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)在植筋在特殊條件下的受力性能進(jìn)行研究，如在潮濕環(huán)境下的植筋施工、爆炸荷載下的植筋的錨固性能、植筋錨固試件在凍融循環(huán)后的力學(xué)性能以及高溫下的植筋力學(xué)性能等。

四、植筋技術(shù)的應(yīng)用

進(jìn)入90年代，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種新材料、新技術(shù)、新工藝應(yīng)運(yùn)而生，植筋技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)膠新品種不斷問(wèn)世，各種粘鋼加固、深孔錨筋的公司也如雨后春筍在全國(guó)各地競(jìng)相成立。與此同時(shí)國(guó)外的一些知名企業(yè)，如德國(guó)的FISCHER、瑞士的HILTI等也不失時(shí)機(jī)進(jìn)入中國(guó)，已占據(jù)了中國(guó)大半個(gè)市場(chǎng)，形成了國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得各種建筑結(jié)構(gòu)膠在不斷改變自身性能的同時(shí)，價(jià)格也在不斷地下降，從而在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可靠的保證了建筑結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用。最近幾年植筋錨固技術(shù)頻頻應(yīng)用于一些重大工程中，如當(dāng)今國(guó)內(nèi)大型標(biāo)志性建筑上海的金茂大廈梁板鋼筋生根、上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)柱體鋼筋生根、北京東方廣場(chǎng)基礎(chǔ)地板植筋、北京國(guó)際金融大廈梁板柱鋼筋生根、北京信達(dá)大廈懸挑結(jié)構(gòu)鋼筋生根、中華世紀(jì)壇、國(guó)際會(huì)議中心等均采用了這一技術(shù)。植筋技術(shù)不僅取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而且也使這一技術(shù)逐漸深入人心。

五、結(jié)論和建議

1、由于植筋技術(shù)這一后錨固技術(shù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)的加固、改造、改建、拓延中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2、植筋的應(yīng)用多見(jiàn)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，而研究還主要集中于拉拔試驗(yàn)，植筋在構(gòu)件中的應(yīng)用的研究還有待深入，需要加快研究步伐。

3、當(dāng)前植筋技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐的各種工況中，而理論研究相對(duì)落后于工程實(shí)踐，不可避免地會(huì)存在一定的不安全因素，因此需要對(duì)植筋技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，如植筋整體結(jié)構(gòu)的抗震性能、植筋的耐久性能、特殊工況下的植筋性能等等。

作者簡(jiǎn)介：

陳剛，男，浙江杭州人。同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)專業(yè)06級(jí)碩士，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)。