地基加固改造工程中植筋技術(shù)的應(yīng)用
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摘要：對植筋連接新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力研究現(xiàn)狀進行了分析，結(jié)合工程實例，探討其在地基基礎(chǔ)加固改造中的應(yīng)用。在確定結(jié)合面抗剪承載力時可參考現(xiàn)有研究成果和國外相應(yīng)規(guī)范，選擇適合的理論公式，在承載力計算和構(gòu)造要求的綜合控制下進行植筋設(shè)計，并留有適當?shù)母挥嗔?，以保證結(jié)構(gòu)安全。
關(guān)鍵詞：植筋；新舊混凝土結(jié)合面；抗剪承載力；地基基礎(chǔ)加固
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為我國應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，為我國的城市建設(shè)、工業(yè)發(fā)展等作出了不可替代的貢獻。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛存在于各類民用建筑、工業(yè)建筑以及公路橋梁等工程中，并且其數(shù)量仍在逐年快速增長。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國的不斷發(fā)展，越來越多已建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因使用功能升級、結(jié)構(gòu)老化或損傷等原因需進行結(jié)構(gòu)改造加固。目前，我國的工程建設(shè)行業(yè)已經(jīng)從大規(guī)模新建期轉(zhuǎn)變?yōu)樾陆ㄅc維護改造并重期，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固及改造工程將在行業(yè)未來的發(fā)展中占據(jù)越來越重要的位置［1］。大量試驗表明，植筋技術(shù)作為后錨固手段的一種，能夠提高新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)性能，從而有效加強新舊混凝土結(jié)合面的承載能力［2］。然而，我國現(xiàn)行規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范：GB50367-2013》［3］和《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程：JGJ145-2013》［4］中，均只對單根植筋錨固的軸向受拉承載力設(shè)計值計算作出規(guī)定，未對采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力如何確定作出相應(yīng)規(guī)定?？辜舫休d力作為新舊混凝土結(jié)合面的重要承載能力指標，常常對設(shè)計起著控制作用。因此，加固改造工程中如何對采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面的抗剪切性能進行定量計算，確保新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)牢固、傳力可靠，是此類工程的一個難點。
1采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面抗剪切性能研究現(xiàn)狀
1966年Birkeland最早提出了采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面抗剪強度的摩擦抗剪理論。在摩擦抗剪理論的基礎(chǔ)之上，國內(nèi)外學者通過各種試驗對影響結(jié)合面剪切強度的眾多因素進行了統(tǒng)計分析，得出了多種剪切強度計算方法。張雷順等人［5］對新舊混凝土結(jié)合面采用植筋技術(shù)進行連接的植筋方式進行了試驗分析。蔣程等人［6］通過正交試驗對比了新舊構(gòu)件配筋率、連接處截面尺寸以及混凝土強度等級對新舊混凝土截面性能的影響。靳利娜等人［7］通過Z型試件試驗，對比研究了鑿毛不植筋和既鑿毛又植筋2種情況下新舊混凝土結(jié)合面的承載性能。王獻偉等人［8］研究了植筋鋼筋直徑、植筋深度和新舊構(gòu)件配箍率等方面對新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力的影響。黃璐等人［9］參考了國內(nèi)外主要規(guī)范中新舊混凝土結(jié)合面抗剪強度的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析，得出了采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面剪切強度的改進計算公式。馬椰等人［10］分析研究了植筋根數(shù)、布置形式以及植筋深度等因素對新舊混凝土植筋結(jié)合面的抗剪切/拉拔承載力的影響。截至目前為止，國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的計算公式。
2工程實例分析
2.1工程概況
本工程為某電廠電除塵器升級改造工程。該電廠位于重慶市江津區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。±0.000m取同原電除塵器基礎(chǔ)施工圖，絕對標高為206.00m。原電除塵器支架基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁，樁身直徑為600mm，樁端持力層為中風化砂質(zhì)泥巖，單樁豎向承載力特征值為1400kN。原電除塵器支架立柱、承臺混凝土強度為C25。擬將原電除塵器加高，并于原電除塵器后側(cè)新增2個電場，荷載增加，荷載位置改變。對原電除塵器地基基礎(chǔ)進行復核計算。根據(jù)復核計算結(jié)果，原2樁承臺基礎(chǔ)PC3、PC17、PC18、PC19樁基豎向承載力不滿足要求，需進行加固。
2.2地基基礎(chǔ)加固方案
因原基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)加固宜采用新增樁基礎(chǔ)加固。由于受現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物的影響，靜壓、錘擊、振動等成樁機械設(shè)備無法入場，預制樁基礎(chǔ)無法施工，結(jié)合本工程土層特征，地下水較貧乏，人工挖孔作業(yè)條件較好，故設(shè)計采用人工挖孔灌注樁對原地基基礎(chǔ)進行加固。具體加固做法是在原二樁承臺基礎(chǔ)兩端各新增1根人工挖孔灌注樁。新增人工挖孔灌注樁直徑為1000mm，樁端持力土層是中風化砂質(zhì)泥巖。根據(jù)計算結(jié)果，單樁豎向承載力特征值取1700kN。在原鋼筋混凝土承臺四周和上部用新增鋼筋混凝土承臺包大，通過新增鋼筋混凝土承臺將新增基樁和原鋼筋混凝土承臺、立柱有效連接（見圖1）。新增人工挖孔灌注樁、承臺采用強度等級為C30的混凝土。新增承臺縱向鋼筋和外圍箍筋采用HRB400級鋼筋，內(nèi)部箍筋采用HRB335級鋼筋。
2.3承臺新舊混凝土結(jié)合面植筋設(shè)計
根據(jù)已有研究資料，對采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面承載力的影響因素主要有：結(jié)合面處理方法、界面劑的種類、舊混凝土基層混凝土強度和質(zhì)量、舊混凝土配筋率、新澆筑混凝土強度和質(zhì)量、結(jié)合面植筋率、植筋深度、膠黏劑的選擇和使用、配箍率等。原鋼筋混凝土承臺與立柱配筋率均滿足文獻［3］對植筋構(gòu)件的要求。根據(jù)本工程實際情況，在確保結(jié)構(gòu)安全、加快施工進度、提高經(jīng)濟效益的原則下，對承臺新舊混凝土結(jié)合面植筋設(shè)計成：新增鋼筋混凝土承臺縱向兩側(cè)處與原鋼筋混凝土立柱、承臺結(jié)合面各植入4排縱向鋼筋，鋼筋直徑為14mm，一側(cè)共38根。新增鋼筋混凝土承臺采用直徑為14mm的鋼筋作為外圍箍筋，箍筋間距100mm；采用直徑為10mm的鋼筋作為內(nèi)部箍筋，箍筋間距200mm。為提高新舊混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，外圍箍筋遇原鋼筋混凝土立柱、承臺應(yīng)植入（見圖2）。混凝土保護層厚度為40mm。根據(jù)文獻［3］第15.2.4條要求，原承臺混凝土強度等級為C25，按A級膠或B級膠進行計算時，應(yīng)滿足植筋鋼筋間距S1≥5d，植筋鋼筋與混凝土邊緣距離S2≥2.5d。本工程植筋均采用直徑為14mm的鋼筋，則植筋鋼筋間距S1≥5d=70mm，植筋鋼筋與混凝土邊緣距離S2≥2.5d=35mm?？紤]到現(xiàn)場空間較狹窄，工期緊張，植筋間距若剛好滿足規(guī)范要求，遇到原結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋干涉時，則無法快速作出調(diào)整，必然影響施工進度。故最終設(shè)計S1均大于100mm，S2均大于80mm。植筋施工時所選用的膠粘劑，其類型和安全性能指標必須符合文獻［3］第4章的要求。澆注新增的混凝土結(jié)構(gòu)部分前，應(yīng)先將原混凝土結(jié)構(gòu)表面清理干凈并鑿毛處理，鑿毛深度4~5mm，并涂刷低水灰比的水泥漿類界面劑一道，界面劑厚度0.5~1.5mm。植筋深度按文獻［3］第15章進行計算。因新增鋼筋混凝土承臺部分與原鋼筋混凝土立柱、承臺四面均有連接，故新增承臺按非懸挑構(gòu)件進行計算，考慮構(gòu)件受力狀態(tài)對承載力影響的系數(shù)ybr取1.0。選用耐潮濕型膠粘劑，植筋孔壁潮濕影響系數(shù)yw取1.1。使用環(huán)境溫度小于60℃，溫度影響系數(shù)yT取1.0。防止混凝土劈裂計算系數(shù)aspt取1.0，修正系數(shù)ψae取1.1。植筋鋼筋的抗拉強度設(shè)計值fy=360N/mm2。植筋用膠粘劑的粘結(jié)抗剪強度設(shè)計值fbd取2.7N/mm2。通過計算可得植筋錨固深度設(shè)計值ld=450mm。因規(guī)范公式是根據(jù)充分利用鋼材強度的計算模式，按照軸向受拉狀態(tài)進行計算得到的植筋錨固深度設(shè)計值。而承臺中部、頂部的縱向植筋鋼筋以及植筋箍筋，其受力狀態(tài)以承受剪力為主。根據(jù)已有研究成果，抗剪植筋深度宜為15d左右，故承臺中部、頂部的縱向植筋鋼筋及植筋箍筋的植筋深度可適當減少。最終設(shè)計承臺底部縱向鋼筋植筋深度為450mm，承臺中部、頂部的縱向鋼筋和箍筋植筋深度為300mm（見圖2）。
2.4承臺新舊混凝土結(jié)合面承載力復核
2.4.1抗彎承載力復核基本組合下承臺縱向兩側(cè)新舊接結(jié)合面處，即圖1中1截面彎矩設(shè)計值為780kN•m。根據(jù)現(xiàn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，對其進行抗彎承載力計算，可得該截面需配置縱向鋼筋As=1658mm2。承臺橫向兩側(cè)新增混凝土部分底面共通長配置20根直徑為20mm的縱向鋼筋（見圖3），As=6280mm2≥1658mm2，即抗彎承載力已滿足要求，無需靠植筋鋼筋分擔。
2.4.2抗剪承載力復核荷載基本組合值作用下單根新增基樁承擔荷載約為1200kN，則新舊承臺接觸面共需傳遞2400kN。由于我國現(xiàn)行規(guī)范未對采用植筋技術(shù)連接的新舊混凝土結(jié)合面抗剪承載力如何確定作出相應(yīng)規(guī)定，故此處根據(jù)已有研究成果和工程實踐經(jīng)驗，參考文獻［3］中對錨栓承載力計算的規(guī)定和文獻［9］中的植筋法新舊混凝土界面剪切強度實用設(shè)計計算公式，分別對新舊混凝土結(jié)合面的抗剪承載力進行計算：⑴參靠文獻［3］中對錨栓抗剪承載力計算的規(guī)定，按充分利用植筋鋼筋抗剪強度，且偏保守不考慮新舊混凝土結(jié)合面的咬合力、摩擦力和化學粘結(jié)力進行計算。以原承臺混凝土為基材，植筋于其上的縱向鋼筋，受到新增承臺混凝土豎直向上的支撐力作用?？紤]上部原鋼筋混凝土立柱的影響，此時平行于剪力方向的邊距c1很大，混凝土基材的抗剪承載力必定滿足要求，起控制作用的是植筋鋼筋的抗剪承載力。單根植筋鋼筋可承擔剪力約為26kN，則需要植筋鋼筋總數(shù)為2400/26=93根。承臺新舊混凝土結(jié)合面處共有植筋鋼筋（含縱筋和箍筋）150根，滿足要求。⑵因承臺縱向兩側(cè)完全對稱，僅取其中一側(cè)進行計算。按文獻［9］公式nn=0.318fc0.1+0.062ρfyfc0.86≤0.2fc，僅考慮距離新增基樁最近的縱向鋼筋植筋結(jié)合面，即圖1中1-1截面處新舊結(jié)合面進行計算。其中混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fc=11.9N/mm2，界面植筋率r=0.38%，植筋鋼筋屈服強度fy=360N/mm2。計算可得新舊混凝土結(jié)合面剪切強度設(shè)計值nn=1.017N/mm2≤0.2fc。則離新增基樁最近的一側(cè)縱向鋼筋植筋結(jié)合面抗剪承載力為V=nnA=1556kN≥1200kN，滿足要求。
2.5承臺整體承載力復核
根據(jù)文獻［3］第5.1.3條，該工程原鋼筋混凝土界面處理及新舊混凝土結(jié)合面粘結(jié)質(zhì)量符合規(guī)范規(guī)定，可按整體截面計算其承載力。
2.5.1抗彎承載力復核取柱邊截面進行計算，設(shè)計彎矩值為2485kN•m。根據(jù)現(xiàn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，計算可得該截面處需配置底部縱向鋼筋As=5411mm2。承臺橫向兩側(cè)新增混凝土部分底面共通長配置20根直徑為20mm的縱向鋼筋，As=6280mm2≥5411mm2，即未考慮原承臺配筋，抗彎承載力已滿足要求。
2.5.2抗剪承載力復核取柱邊截面進行計算，設(shè)計剪力值為2189kN。根據(jù)現(xiàn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，計算可得截面抗剪承載力為4556.6kN≥2189kN，滿足要求。
3結(jié)語
本改造工程于2015年竣工驗收后投入使用，結(jié)構(gòu)工作情況良好，滿足使用要求。隨著舊房加固、廠房改造等工程的增加，植筋技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于新舊混凝土結(jié)合面的連接之中?？辜舫休d力作為截面的重要承載能力指標，其計算是設(shè)計中需要重點考慮的一個問題。由于國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范并未對其作出相應(yīng)規(guī)定，故在設(shè)計計算時可參考現(xiàn)有研究成果和國外相應(yīng)規(guī)范，選擇適合的理論公式，在承載力計算和構(gòu)造要求的綜合控制下進行植筋設(shè)計，并留有適當?shù)母挥嗔?，以保證結(jié)構(gòu)安全。
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作者：詹閩研 單位：閩西職業(yè)技術(shù)學院
