一種植筋錨固承載力能力比對新方法

周恩澤，武海蔚，趙 斌

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050021）

0 引 言

植筋是以專用的有機或無機膠粘劑將帶肋鋼筋或全螺紋螺桿種植于混凝土基材中的一種后錨固連接方法［1］，其原理是通過化學膠粘劑的粘結作用將植筋所承受的力傳遞到混凝土中，以此為被連接體提供錨固力。因其具有工藝簡單、施工快捷、力傳遞明確等特點，在結構加固、補強、新老混凝土連接、補埋鋼筋、后埋鋼構件等工程中得到廣泛應用［2］。

實際工程中，植筋要承受來自被連接體的荷載，其錨固質(zhì)量直接影響被連接體的工作性能，因此，對植筋的錨固承載力進行檢測和確認不容忽視。日常工作中，通常由建設單位委托的第三方檢測單位對植筋的錨固承載力進行檢測，檢測單位的試驗能力水平會直接影響結果的真實性、可靠性和代表性。因此，需對檢測單位的能力進行確認，能力比對為常用的確認手段，但由于植筋錨固試件的不穩(wěn)定及其試驗荷載、破壞狀態(tài)的不可控性，針對植筋錨固承載力檢測一直沒有行之有效的能力比對方法。為了解決這一問題，筆者在分析植筋受力原理及工作時的影響因素的基礎上設計了一種數(shù)據(jù)穩(wěn)定、結果可控的植筋錨固承載力能力方法，并經(jīng)小批量試驗驗證后組織了一次植筋錨固承載力能力比對活動。

1 方案制定

1.1 植筋受力原理分析

植筋依靠粘附于基材上的膠體與鋼筋表面的粘結作用提供錨固力。從其作用原理分析，影響植筋錨固承載力的因素較多，主要有植筋的有效錨固深度、基材混凝土強度、成孔質(zhì)量、植筋膠的性能、鋼筋表面狀態(tài)及工人施工水平等［3］。以原位試驗的方式進行的植筋錨固承載力能力比對試驗時，影響因素眾多且存在交叉作用，致使樣品的均勻性與測值的穩(wěn)定性不易得到保證，并且原位試件的破壞狀態(tài)也不可控。因此，為了減少不利因素影響，使試驗結果定向可控，筆者所在團隊設計了一種先批量制作植筋模擬試件，然后將模擬試件植入混凝土基材中，待膠體固化后統(tǒng)一進行試驗的能力比對方法。

1.2 試件制作方法

模擬試件由套管、堵頭、待測鋼筋及充盈在套管中的膠體組成，其構造示意如圖1所示。

圖1 植筋模擬試件示意圖

具體做法為：將植筋膠注入帶堵頭的套筒中，然后插入鋼筋并定位使鋼筋豎直居中，待膠體固化后取出平置，完成試件制作，加工成品如圖2所示。

圖2 植筋模擬試件成品圖

1.3 試件特點及受力狀態(tài)

利用植筋模擬試件作為植筋能力比對試件的方法具有以下優(yōu)點：

1）關鍵試件（模擬試件）可以提前在室內(nèi)批量制備，除了能控制環(huán)境條件的一致性外，還能夠控制試件各部品的材質(zhì)、加工質(zhì)量，達到有效保證試件的均勻性和穩(wěn)定性的目的；

2）因套筒直徑大于鋼筋直徑，相應地，套筒與膠體的接觸面積大于鋼筋與膠體的接觸面積，避免試件發(fā)生混凝土劈裂破壞或錐體破壞，保證了破壞只會發(fā)生在試件內(nèi)，有效消除了成孔質(zhì)量、試件植入施工水平、植入試件膠體質(zhì)量及固化時間等因素的不利影響；

3）可以通過在鋼筋上預設缺陷使試驗結果定向可控制，例如可以通過改變鋼筋的錨固長度或植入部分的直徑來設置鋼筋的破壞類型及試驗荷載。

由以上分析可知，植筋模擬試件的破壞狀態(tài)由鋼筋的抗拉承載力與抗拔承載力決定，鋼筋的抗拉承載力與抗拔承載力計算值分別見式（1）、式（2）。

式中：Nd為鋼筋的抗拉承載力，N；fstk為鋼筋的抗拉強度標準值，N/mm2；As為鋼筋最小橫截面積，mm2；Nt為鋼筋的抗拔承載力，N；d為鋼筋公稱直徑，mm；le為鋼筋錨固長度，mm；fbd為植筋用膠黏劑的粘結強度設計值，N/mm2。

由式（1）、式（2）可知，選用同一批次的鋼筋及同一規(guī)格型號、性能穩(wěn)定的植筋膠后，改變鋼筋的最小橫截面積或者調(diào)整鋼筋的總錨固長度就可以預設試件的破壞形式并控制試件的試驗荷載，且存在如下關系：

當Nd＜Nt，試驗狀態(tài)為試件植筋被拉斷，極限抗拔力由鋼筋的抗拉承載力控制；當Nd＞Nt，試驗狀態(tài)為試件植筋被拔出，極限抗拔力由鋼筋的抗拔承載力控制。

由于鋼筋的材質(zhì)均勻、穩(wěn)定，同批鋼筋制作的試件，在相同的預設缺陷條件下，其試驗荷載值趨于集中分布，提高了統(tǒng)計分析時對離群數(shù)值的敏感度，便于篩選出不理想數(shù)據(jù)，達到能力比對的目的。

2 試驗驗證

為了驗證方案的可行性，制作部分模擬試件并按照膠體固化時間、缺陷類型等進行試驗。

2.1 鋼筋力學性能試驗

對所選定直徑 6.5 mm 的 HPB 300 鋼筋進行力學性能試驗，分為兩組。第一組為調(diào)直后無處理直徑鋼筋，第二組為調(diào)直后預設相同缺陷（加工使局部直徑變小為5 mm）鋼筋，每組 5 根，測試結果如表1所示。

表1 鋼筋力學性能試驗結果

兩組鋼筋屈服荷載及抗拉破壞荷載數(shù)據(jù)集中穩(wěn)定且有明顯區(qū)分，說明可以忽略鋼筋材料抗拉強度對結果差異性的影響，同時驗證了改變局部橫截面積的預設缺陷方式是行之有效的。

2.2 不同缺陷類型試件的試驗對比

同一條件下加工兩組模擬試件，第一組試件鋼筋為自然調(diào)直狀態(tài)，但有效錨固長度小于設計計算值；第二組試件鋼筋自然調(diào)直后加工至局部直徑變小，但有效錨固長度大于設計計算值。兩組試件實驗結果如表2所示。

表2 不同缺陷類型試件試驗結果

從表2可知，同種缺陷類型的試件破壞荷載值均勻穩(wěn)定，破壞狀態(tài)一致。兩種缺陷類型試件之間的破壞荷載值及破壞狀態(tài)區(qū)分明顯。充分證明通過預設試件缺陷實現(xiàn)試驗數(shù)值及狀態(tài)的定向可控是行之有效的。

2.3 膠體固化時間的影響

制作一批鋼筋自然調(diào)直，有效錨固長度一致且小于設計計算值的模擬試件，次日將模擬試件植入混凝土臺座中，按照不同養(yǎng)護齡期（模擬試件加工時間）進行破壞性試驗，記錄破壞荷載值，以此分析膠體固化時間的影響。試驗結果如表3所示。

表3 不同養(yǎng)護齡期的模擬試件抗拔試驗結果

由表3試驗數(shù)據(jù)可知，7 d 養(yǎng)護齡期之后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，破壞狀態(tài)不受養(yǎng)護齡期影響。組織能力比對活動時仍然使用同規(guī)格植筋膠，只要保證在模擬試件制作完成 7 d 后試驗就可以忽略膠體固化時間的影響。

3 能力比對實施及結果評價

為了驗證部分單位檢測植筋錨固承載力的能力，組織了針對該項目的能力比對活動。按照方案要求加工兩種缺陷類型的模擬試件，然后將模擬試件植入預鉆孔的混凝土基材中，待植入試件所用膠體固化后就可以開展能力比對試驗（見圖3）。

圖3 混凝土基材上植入能力比對試件

按照模擬試件的預設缺陷類型將參加單位分為A、B 兩組，對各參加單位的考核分以下兩方面：

1）對檢測行為的考核，包括設備的選用、安裝、操作及記錄填寫；

2）對所提交結果的考核，包括數(shù)據(jù)一致性、計算結果、檢測結論等內(nèi)容。

檢測結果采用穩(wěn)健統(tǒng)計方法，該方法是一種不易受到異常值影響的統(tǒng)計方法，以中位值代替平均值，以標準化四分位間距（IQR）代替標準偏差，在數(shù)據(jù)處理過程中，通常不需剔除異常值，因此能準確反映數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征［4］。穩(wěn)健統(tǒng)計方法用Z值來評定參加能力驗證的實驗室的檢測能力，計算公式如式（3）所示。

式中：Si為參加實驗室的試驗結果值。

當參加單位的|Z|≥3 時，認為是離群值，應當采取糾正措施。當 2＜|Z|＜3 時，表明結果可疑，應引起注意并查找原因。當|Z|≤2 時，表明結果滿意。

本次能力比對活動結果如圖4、圖5所示。

圖4 A 組 Z 比分數(shù)統(tǒng)計結果

圖5 B 組 Z 比分數(shù)統(tǒng)計結果

從匯總后的數(shù)據(jù)來看，參加單位所提交結果總體上呈規(guī)律性分布，且能篩選出可疑值及離群值，一定程度上反映出參加單位的能力水平。

4 結 語

為了解決植筋錨固承載力檢測項目缺少有效能力比對方法的問題，經(jīng)過分析植筋受力原理，提出了一種通過預先加工的植筋模擬試件實施植筋錨固承載力能力比對的方法，該方法可利用試件的標準化、批量化制作有效消除成孔質(zhì)量、基材混凝土強度及施工水平等不利因素的影響，并且通過在模擬試件上預設缺陷，實現(xiàn)了試驗結果及現(xiàn)象的定向可控。并經(jīng)試驗驗證，該方法能夠有效體現(xiàn)組織者的意圖，一定程度上能夠區(qū)分參與者的能力水平。

同時，該方法目前還存在不足，主要是試件在預設缺陷后，其試驗數(shù)據(jù)分布過于集中，從數(shù)值上降低了對檢測單位測試水平的區(qū)分能力。因此，為了全面評價參與單位的能力水平，在試驗數(shù)據(jù)之外還需要考慮參與單位的設備狀態(tài)、檢測操作、數(shù)據(jù)記錄與處理及結果內(nèi)容等方面，保證能力比對活動客觀還原日常檢測工作能力水平。