建 筑 技 术 第４８卷第３期２０１７年３月 Ｖｂ１．４８ Ｎｏ．３ Ｍａｔ．２０１７ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 混凝土加固植筋技术研究进展 李 悦， 张国胜， 刘雄飞 （北京工业大学，城市与工程安全减灾教育部重点实验室，１００１２４，北京） 摘 要：混凝土加固植筋技术因其施工方便、性能可靠、布置灵活等优点在混凝土结构加固改造中占有 重要地位。通过总结国内外关于植筋的破坏模式、本构关系、影响植筋性能的因素、高温下植筋性能的研究 进展，分析植筋技术存在的问题和今后的发展趋势。 关键词：植筋技术；锚固机理；高温性能 中图分类号：ＴＵ３７５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—４７２６（２０１７）０３—０３０２—０３ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＰＲＯＧＲＥＳＳ ＯＦ ＰＯＳＴ－ＩＮＳＴＡＬＬＥＤ ＲＥＢＡＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＯＦ ＣＯＮＣＲＥＴＥ ＲＥＩＮＦＯＲＣＥＭＥＮＴ ＬＩ Ｙｕｅ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏ—ｓｈｅｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉｏｎｇ－ｆｅｉ （Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＵｒｂａｎ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｎｄ ａＤｉｓａｓｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭＯＥ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１００１２４，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌａｙｏｕｔ，ｅｔｃ， ｐｏｓｔ—ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｒｅｂａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｓｔ—ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｒｅｂａｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｓｔ—ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｒｅｂａｒ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ａｂｏｕｔ ｐｏｓｔ—ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｒｅｂａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｓｔ－ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｒｅｂａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｎｃｈｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ １植筋锚固机理 １．１植筋破坏模式 形式为钢筋屈服被拉断，承载力取决于钢筋强度。 １．２．２混凝土基材的影响 的试验研究，结果表明预埋钢筋和植筋试件的拉拔性 且欧美也有标准规范如ＡＣＩ３５５２．０１和ＥＴＡＧ等对植 能接近，且随着混凝土强度的提高两者的拉拔力也随 筋技术作出相关规定。其中学者Ｃｏｏｋ等Ⅱ 对植筋技 之增大。文献［３］发现基材和植筋胶间吸附力和机械 术进行了较系统、深入的研究，总结了植筋四种典型 咬合力随着混凝土强度增大而增强，可延缓及抑制基 的破坏模式：混凝土锥体破坏、混凝土一皎界面破坏、 材混凝土内部裂缝的出现和发展，增强植筋承载力。 钢筋一胶界面破坏、混凝土一胶、钢筋一胶两界面同 １．２．３钢筋直径的影响 时破坏。张建荣等［２ 在对所做试验结果分析基础上， 文献［４通过试验研究，发现当植筋深度相同时，４］ 提出了５种植筋破坏模式，比Ｃｏｏｋ提出的多一种破 钢筋极限拉拔力随着钢筋直径增大而呈线性增长趋 坏模式：钢筋破坏。在植筋实际工程中，应控制为钢 势；当混凝土基材强度相同时，随钢筋直径增大，植 筋破坏模式。ＧＢ５０３６７－－２０１３《混凝土结构加固设计 筋极限拉拔力明显增大。 规范》规定植筋破坏模式应设计为钢筋廷睦破坏。 １．２．４植筋胶种类的影响 １．２影响植筋锚固性能的因素 植筋皎作为钢筋与基材锚固的关键介质，植筋胶 １．２．１植筋深度的影响 国外对植筋技术研究较早，有较丰富的研究成果， 肖成志等［４ 进行混凝土化学植筋粘结锚固性能 袁延朋等口 指出植筋深度是植筋承载力的重要 的性能对植筋锚固性能影响巨大。植筋胶种类众多， 影响因素之一，植筋承载力和破坏形式随着植筋深度 变化而变化。当植筋深度为８～１０ｄ时，破坏形式呈 现锥体一粘结复合型，植筋深度大于１５ｄ时，破坏 收稿日期：２０１６－１１＿２１ 可分为有机植筋胶和无机植筋胶两大类：有机植筋胶 植筋锚固性能较好，但与混凝土结构材料变形不协调， 耐久性和抗腐蚀能力差，使用环境和施工要求比较苛 刻，施工工艺对锚固ｉ！生能影响较大；无机植筋胶材料 与混凝土结构材料碱度相当，耐久性能优良，且生产 成本较低，但粘结强度较低、收缩性较大。 基金项目：国家自然科学基金项目（５１６７８０１１）；北京市属高等学校 高层次人才引进与培养计划项目（ＣＩＴ＆ＴＣＤ２０１５０３ １０） 作者简介：李悦（１９７２一），男，河北唐山人，教授，博士生导师， 博士，ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｙｕｅ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃａ． 影响植筋锚固性能的因素较多，包括混凝土强度、 基材配筋、植筋直径、植筋种类、植筋深度、保护层 ２０１７年３月 李悦，等：混凝土加固植筋技术研究进展 ・３０３・ 厚度以及植筋施工质量和使用环境等。ＧＢ ５Ｏ３６７— 坏形式一般为钢筋拔出；当温度低于３５０℃时，植筋 ２０１３￣混凝土结构加固设计规范））￣ＮＪＧＪ ｌ４５—２０１３《混 的极限承载力随着植筋深度的增大而增加。 凝土结构后锚固技术规程》考虑了相关影响因素，如 植筋耐火极限：凌岚等［７ 对钢筋混凝土植筋试 坏形式为钢筋拔出破坏，耐火极限一般在２４～３２ｍｉｎ 规定植筋技术适用于钢筋混凝土，基材混凝土强度等 件进行耐火极限试验，结果表明高温下植筋试件的破 级不低于Ｃ２０，并给出单筋承载力设计值公式。 １．３植筋本构模型 之间。植筋试件起初还能保持原有荷载，超过耐火极 植筋系统中有３种不同的介质：基材（一般为混 限后便无法保持，荷载突然下降，失去承载力。影响 凝土）、钢筋和植筋胶，因此植筋锚固问题可归结为 耐火极限因素有所受荷载大小、植筋深度和保护层厚 多重介质间的粘结滑移问题。张建荣等进行了混凝土 度。当钢筋保护较好时，试件的耐火极限为保护不佳 植筋试件的约束拉拔试验，试件的破坏形式为钢筋与 胶体之间的界面破坏。植筋胶与钢筋之间的界面粘结 滑移关系曲线由粘结阶段、滑移阶段和拔出阶段组成。 理论分析中将粘结阶段和拔出阶段拟合为直线，将滑 移阶段拟合为二次抛物线。舒睿彬等 基于试验结 果和有限元分析，将自由拉拔植筋承载机理进行简 化：当拉拔力Ｆ作用于钢筋时，荷载通过胶筋界面 粘结力传递到植筋胶，植筋胶以受压短柱的形式将力 传递到胶混界面，通过胶混界面的粘结力传递至基材。 植筋系统界面的粘结滑移关系可简化为三阶段模 型，不同界面滑移本构关系式形式上是相同的，即不 同界面粘结滑移本构关系可采用相同的模型，但应根 据试验结果统计分析得到不同的系数。结构连接荷载 通过植筋钢筋传递给植筋胶，植筋胶将荷载沿植筋长 度方向传递给混凝土，这种传力机理主要靠钢筋与植 筋胶及混凝土与植筋胶间的粘结作用来实现。 ２植筋高温性能 环境温度过高可能会导致植筋构件的承载力降 低、变形增大，甚至局部倒塌。ＧＢ５０３６７－－２０１３《混 凝土结构加固设计规范》规定采用植筋锚固的混凝土 结构，长期使用的环境温度不高于６０ ｏＣ；处于特殊 环境（如高温等）的混凝土结构采用植筋技术时，除 应按国家现行有关标准的规定采取相应的防护措施 外，还应采用耐环境因素作用的粘结剂。已有研究对 植筋在火灾（高温）下的力学陛能进行了研究和探索。 ２．１有机胶植筋试件的高温性能 ２．１．１高温下植筋试件性能 植筋承载力：李占鸿 对植筋试件进行高温下 拉拔试验，结果表明：（１）植筋试件极限承载力随 着温度的升高而降低，当温度升高到１００ ｏＣ时，植筋 试件承载力损失近一半；当温度在１５０－２００ ９Ｃ范围 内时，植筋试件承载力损失６０％～７０％；当温度超过 ３００℃时，植筋试件几乎无承载力；（２）对于植筋 深度为１０ｄ和１５ｄ的试件，当温度超过１００ ｏＣ，破 的２倍左右。 植筋粘结滑移：刘长青等［８ 为研究高温下植筋 的粘结一滑移眭能，进行了高温下钢套管植筋试件拉 拔试验，结果表明荷载一滑移曲线为非线性，由线性 段、非线性上升段和非线性下降段组成，且随温度升 高，荷载一滑移曲线的峰值显著降低。 ２．１．２ 高温下植筋连接构件性能 植筋承载力：陆洲导等 进行植筋连接混凝土 梁的受火试验，结果表明高温下植筋连接构件承载力 受植筋深度和保护层厚度的影响较大。同一保护层厚 度时，构件承载力随植筋深度的提升而提高；同一植 筋深度时，构件承载力在保护层为４０ｍｍ时较大。 文献［１０］进行试验研究并得出，当保护层厚度不超 过４０ｍｍ时，植筋试件承载力受保护层厚度和植筋 深度影响明显，且保护层厚度的影响程度超过植筋深 度。当保护层厚度大于４０ｒａｍ时，植筋试件承载力 主要取决于植筋深度，而受保护层厚度的影响较小。 植筋耐火极限：刘长青［１伽对化学植筋连接梁进 行耐火极限试验。结果表明植筋构件耐火极限与植 筋深度、保护层厚度都有关，当保护层厚度不大于 ４０ ｍｍ时，植筋深度及保护层厚度均是影响构件耐火 极限的重要因素。当保护层厚度大于４０ｍｍ时，植 筋构件耐火极限主要取决于植筋深度。 ２．１．３ 高温后植筋试件性能 植筋承载力：黄维民等㈣对植筋试件在常温下、 高温自然冷却后、高温下恒温加载和高温下永久荷载 升温４种工况进行了拉拔试验，结果表明：（１）对 于高温自然冷却后的工况，植筋试件极限承载力和粘 结应力下降大概１ ５％，而对于高温下工况的试件下降 大概１ ０％，下降程度随温度升高而增大，温度相同时， 与高温下试件相比，高温自然冷却后试件破坏的极限 承载力小５％左右，结构维修加固应根据火灾后鉴定 得到的结构承载力进行设计施工；（２）火灾下，当 温度不超８０℃时，植筋试件承载力下降不超３５％， 安全储备较大；当温度为１００９Ｃ左右时，承载力下降 ・３０４・ 建筑技术 第４８卷第３期 ５０％；温度大于１３０ｑＣ时，试件发生破坏，几乎丧失 或存在火灾风险的建筑，植筋最好选用无机植筋胶； 承载力；当火灾后植筋咬温度评估超过８０ｃＣ，构件 当采用有机植筋胶时，植筋节点宜采取附加构造措施 ｊ避免在高温下过早破坏。构造措施包括适当增大植筋 变形超过正常使用极限状态时须对结构进行加固。 焊接后植筋性能：文献［１２】等进行了焊接后植 深度，保障一定的安全储备；合理选用植筋胶；保证 定的保护层厚度，避免植入的钢筋过早暴露在火中； 筋拉拔试验。结果表明当测点位置就在落弧点时，植 一避免高温空气和火焰穿透。 筋极限承载力受焊接温度影响显著，最多可损失２９％ 新老混凝结合面须处理好，的承载力；当测点位置距离落弧点１００ｍｍ时，极限 承载力受焊接温度影响较小，最多损失１Ｏ％；当测点 位置距离落弧点超过２００ ｍｍ时，极限承载力可忽略 ３结束语 （１）植筋研究较多集中在拉拔试验方面，这与 焊接温度的影响。建议实际施工中在距离植筋胶层超 过２００ｍｍ的位置进行焊接，或采取适当的降温措施。 温度对有机胶植筋试件性能有显著的影响。随温 度的增加，植筋试件的承载力损失越来越多，植筋粘 结滑移量越来越大。适当增大植筋深度和保护层厚度， 可不同程度地增加植筋试件的承载力和耐火极限，降 低粘结滑移量。焊接温度对植筋性能也有较大影响， 在实际施工中应在距离植筋胶层超过２００ｒａｍ的位置 进行焊接，或者采取适当的降温措施。 ２．２无机胶植筋试件高温性能 无机胶植筋试件具有较好耐高温陛能，但目前研 究还较少，且试验考虑影响因素较为单一，还需更深 入地研究。王婷婷等ｎ 进行常温和高温加热后的无 机皎植筋进行拉拔试验。发现高温下混凝土基材、钢 筋和无￣；Ｌ４ｔ学植筋胶变形基本协调一致，植筋粘绪陛 能受基材强度的影响，而与温度变化无关；植入钢筋 进行高温加热后，试件的植筋粘结强度反而高于不加 热的强度。李树明等［１ 进行火灾后无机胶植筋拉拔 试验研究，结果表明，火灾后当植筋深度为１５ｄ和 ２０ｄ时，试件均发生钢筋滑移破坏；当植筋深度为 ２２ ｄ时，试件发生钢筋颈缩破坏，混凝土内部温度场 随着植筋深度的增加而逐渐递减。 有些学者将有机和无机植筋胶锚固试件高温陛能 进行对比研究，王欣等［１ 进行了无机胶与有机胶植 筋梁真实火灾的对比试验，结果表明，在高温下有机 植筋胶植筋试件发生粘结滑移破坏，较常温下破坏情 况严重；而无机植筋胶植筋试件未发生粘结力明显失 效的情况，具有较好的耐高温眭能，其耐火极限性能 较有机胶植筋试件更好。此外植筋深度对有机胶植筋 试件耐火极限影响显著，对无机胶植筋试件影响不大。 由于使用不同种类的植筋胶和不同的试验方法， 不同学者所得出的试验结论有不小差别，如文献［１ ３］ 得到高温加热过的植筋粘结强度大于常温状态下的植 筋粘结强度，而文献［１４］发现高温条件下植筋拉拔 力较常温下承载力明显降低。对于长期处于高温坏境 实际构件多轴受力条件下的复杂状态有显著差别；且 试验对象多是简化了的混凝土试件，未考虑基材瑕疵、 混凝土内部裂缝及初始应力等因素影响，这与实际构 件存在较大的差异；影响植筋锚固性能的因素众多， 而试验考虑的影响因素较为单一；多因素耦合作用复 杂受力条件下足尺植筋试件的整体性能还需进行更加 广泛和深入的研究。 （２）植筋试件的高温性能较常温有不同程度的 降低。植筋试件在高温环境、低温环境、潮湿环境、 腐蚀环境和长期荷载、振动荷载、冻融、疲劳、冲击 等工况下的性能有待进一步研究。 参考文献 ［１］Ｃｏｏｋ Ｒ Ａ，Ｅｌｉｇｅｈａｕｓｅｎ Ｒ，Ａｐｐｌ Ｊ Ｊ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ：ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｂｏｎｄｅｄ ａｎｃｈｏｒｓ［Ｊ］．Ｂｅｔｏｎ・ｕｎｄ Ｓｔａｈｌｂｅｔｏｎｂａｕ，２００７，１０２（Ｓ１）：ｌ６＿＿２１． 【２】张建荣，石丽忠，吴进，等．植筋锚固拉拔试验及破坏机理研 究［Ｊ］．结构工程师，２００４，２０（５）：４７—５１． ［３】袁廷朋，陆洲导，邴涛．后锚固化学植筋受拉承载力计算及设 计ｆＪ］．结构工程师，２００７，２３（２）：９７—１ Ｏ０． ［４］肖成志，田稳苓，孙文君，等．混凝￣４ｒｅ植筋粘结锚固性能的试 验研究【Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０（１４）：１２６－１３１． ［５］舒睿彬，张建荣，张春．由拉拔植筋系统的粘结滑移受力机理分 析［Ｊ］．结构工程师，２００８，２４（５）：６４＿＿７０． 【６６］李占鸿．高温（火灾）下植筋锚固试件拉拔试验研究【Ｄ］．上海： 同济大学，２００７． ［７］凌岚．混凝土化学植筋试件耐火 试验研究［Ｄ］．上海：同济大 学，２００８． ［８］刘长青，余江滔，陆洲导，等．高温下植筋黏结～滑移陛能试验研 究［Ｊ】．同济大学学报（自然科学版），２０１０，３８（１１）：１５７９－１５８５． ［９］陆洲导，刘嫒，余江滔．火灾中植筋连接构件的抗火性能试验研 究［Ｊ］．防灾减灾工程学报，２０１２（６）：６８６－６９２． ［１０］刘长青．化学植筋构件耐火极限试验研究［Ｊ】．结构工程师， ２０１３，２９（３）：１０８－１ １３． ［１１］黄维民，赵望达．高温植筋试件拉拔试验研究［Ｊ］ｌ湖南城市学院 学报（自然科学版），２００９，１８（４）：１ ． 【１２］袁广林，苗生龙，闰玉红．钢筋焊接温度变化规律及对植筋承载 力的影响［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００９，３８（１）：５－８． 【１３】王婷婷，崔士起，徐新生．高温下化学植筋的粘结性能［Ｊ］．济南大 学学报（自然科学版），２０１２，２６（３）：３２４． ［１４】李树明，陈海强，惠守江，等．火灾后无机胶植筋拉拔试验研 究［Ｊ］．山东建筑大学学报，２０１５，３０（５）：４２９＿４３４． ［１５］王欣，姜常玖，惠守江，等．无机胶植筋式后锚固连接的抗火性能 研究［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２０１３（４）：２７－３３．