植筋式后置设备地脚螺栓应用及研究

张文杰

1 概述

中国石油庆阳石化公司位于庆阳市庆城县,始建于1976年,2004年7月设备大修时,由于工期紧、任务急,水泵房更换大量设备,必须改变传统的检修办法,所以采用陕西大唐加固技术有限公司的植筋式后置设备地脚螺栓;单就水泵房2 m×2 m×2 m 1台设备基础新的办法和传统的办法比较,其经济性和功效性明显得到大幅提高。

植筋式后置设备地脚螺栓应用于中国炼油设备检修,国内还没有相关的参考设计依据,为慎重起见,在施工前设计了相关试验进行研究。

2 试验设计及步骤

2.1 试验设计

植筋试验在已经浇筑好的2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm素混凝土块上进行,混凝土的平均抗压强度为 fc=38 N/m2。植入钢筋为Ⅱ级钢筋,选取5种不同的直径:即φ16,φ18,φ20,φ22,φ25,对每一种直径的钢筋设计4种植入深度(用 he表示),即he=7d,10d,14d,18d(d为植入钢筋直径)。同一种直径和深度植3根钢筋。

为研究植入钢筋与混凝土粘结面的剪切应力分布,在钢筋周边沿植筋深度方向,每隔一定距离粘贴一个电阻应变片(每根钢筋3个～5个应变片,具体视植筋深度而定),测量钢筋沿深度方向不同部位的轴向应变,由此推算出粘结面上测点之间的平均剪应力分布。

2.2 试验设备与试验步骤

植筋试验采用油压千斤顶对植入钢筋施加拉力,两套装置示意图见图1a),1b)。图1a)为无约束式,即试验装置对植筋周围混凝土无约束,便于获得混凝土的破坏情况;而图1b)为有约束式,即试验装置对植筋周围混凝土有约束作用,混凝土不会出现破坏,该试验装置相对无约束式简单,且试验占用面积较小,比较灵活、方便。理论与实践表明:当植筋深度较深时,不会出现混凝土破坏,因此,为了简便起见,本次试验中,对植筋深度 he≥10d时采用约束式抗拔。

试验中,钢筋拔力采用分级施加,每级荷载为20 k N,直至破坏。每级荷载施加完毕后静停10 min,再从应变仪中读取每一测点的应变值。

3 试验结果与分析

3.1 植筋极限抗拔力与破坏形式

植筋试验的极限抗拔力与破坏形式列入表1(表1中抗拔力是由3根相同直径和深度的植筋结果平均而得),从表1中可看出:植筋呈现3种破坏形式。

1)混凝土锥面破坏。当植筋深度较浅(he=7d)且采用无约束式抗拔时,由于混凝土本身的抗拔力小于钢筋与混凝土孔壁的粘结力,出现混凝土锥面拔出,此时,植入钢筋抗拔力受混凝土强度等级控制。2)钢筋拔出。随着植筋深度增大(对于部分钢筋,he=10d),植筋周围混凝土本身的抗拔力大于钢筋与混凝土孔壁的粘结力,混凝土不再破坏,当荷载较大时,出现粘结力不够,致使钢筋拔出。此时,植入钢筋抗拔力受植筋深度和粘结质量的控制。3)钢筋颈缩后断裂。当植筋深度较大时(he＞10d),钢筋与混凝土孔壁的粘结力大于钢筋的极限强度,因此出现钢筋屈服、颈缩直至断裂的现象,植入钢筋抗拔力受钢筋极限强度的控制。

表1 植筋试验结果表

3.2 粘结剪应力沿植筋深度分布

从测点的应变值可推算出两个测点间的平均粘结剪应力。各种直径和不同植入深度的钢筋在不同荷载条件下粘结剪应力沿植筋深度的分布如图2所示。

从图2中可以总结剪应力分布具有如下几个特点:

1)荷载较小时,粘结剪应力近似线性分布,如图2a),2d),2e)所示,且离混凝土表层较近的部位,剪应力较大,钢筋端部应力较小。

2)荷载较大且植筋深度较浅时,剪应力分布接近均匀,如图2b)所示。

3)荷载较大且植筋深度较深时,出现两种情况:剪应力在钢筋端部以外的部位分布接近均匀,在端部应力仍较小或是剪应力在靠近混凝土表面的部位的应力较小,而在其他部位分布接近均匀,如图2c),2f)所示。

3.3 设计公式

根据前面的分析与总结和其他文献里的试验结果,推荐下面抗拔力的设计公式:

当 hc＜he＜10d+hc,抗拔力取:

其中,hc为混凝土锥的最大深度。

当he≥10d+hc,抗拔力取he=10d+hc时的抗拔力,即10d+hc为植筋最大深度,当植筋深度超出该值时,抗拔力不会增加。

hc通常在50 mm～80 mm之间,he＜hc的情况实际中很少遇到,因此,这里不作讨论。

4 结语

植筋破坏具有三种形式:植入深度较浅时,混凝土锥面破坏;植入深度较深时,钢筋拔出破坏;植入深度足够深时,钢筋拉断破坏。达到最后一种破坏形式的植筋深度为10d+hc。