关于植筋预充胶预埋装置关键技术分析

关于植筋预充胶预埋装置关键技术分析

李君王满孔令奎

中建八局第四建设有限公司山东青岛266071

摘要：植筋预充胶预埋工艺已经申报专利并被受理，本文主要对预充胶预埋装置的关键技术进行了分析，包括该装置深度、内径等几何参数设计、装胶剂量、各组件连接方式选择、翼板大小专项设计、密封工艺设计、密闭装置内气压的专项考虑等，为装置生产作好技术准备。

关键词：结构植筋预充胶预埋工艺结构植筋预充胶装置关键技术

1、背景与现状

（一）背景

植筋预充胶预埋工艺已经申请专利，其中涉及一种预充胶预埋装置。该装置如下图：

图1植筋预充胶预埋装置

目前植筋在钢筋砼上逐个钻孔清孔，现场拌制A、B组份结构植筋胶并注入孔后插筋养护的工艺流程。传统工艺中，钻孔深度和清孔质量受工人质量意识和检查管理难度的影响，不便于过程管理，难以保证植筋质量（抗拔能力）；钻孔时容易遇到隐蔽钢筋，影响成孔效率；成孔时需要搭设脚手架逐个钻孔清孔，影响安全也影响植筋工效；注胶时需要现场配制A、B组份结构植筋胶，计量未必准确，拌制麻烦。总之传统工艺未能实现工业化生产，严重影响结构植筋的质量和生产效率。新工艺采用预充装预埋装置植筋工艺，避免了传统工艺的缺陷，提高了植筋施工质量和施工效率。

（二）现状

目前有关钻孔植筋的规范主要有《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145-2013，以下简称后锚固规程）、《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013，以下简称加固规范）、《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》（JGJT271-2012，以下简称无机规程）。

后锚固规程第3.4.1条、加固规范第4.2.3条规定用于植筋的钢筋应使用热轧带肋钢筋或全螺纹螺杆，不得使用光圆钢筋和锚入部位无螺纹的螺杆。无机规程第3.0.6条规定适用于光圆钢筋、带肋钢筋等非预应力钢筋。后锚固规程和加固规范中对植筋深度有明确规定，相关内容基本一致，但前者条文多处反应无机胶和有机胶，后者仅适用于有机胶，笔者查阅了相关文献，特别是无机规程的编制背景，因此在适用范围上，后锚固规程和加固规范除了特殊注明外，相关条文更倾向应用在有机胶领域。无机规程是对有机胶植筋的补充，自然适用于无机胶。

2、关于预埋装置圆筒深度计算

（一）思路

利用现有规范，对钻孔植筋锚固深度和预充胶预埋工艺的锚固深度的影响因素分析对比，从而借鉴到预充胶预埋装置的圆筒设计深度上。

因规范适用范围的不同，锚固深度计算公式不同，材料使用不同（主要是胶结材料），从不同规范分为有机胶、无机胶分别阐述圆筒深度设计。

（二）有机胶植筋圆筒深度计算

后锚固规程、加固规范的锚固深度设计值按下式计算；除了满足设计值外，还应满足构造要求，最小锚固深度对受拉钢筋取max{0.3ls，10d，100mm}，受压钢筋取max{0.6ls，10d，100mm}，对悬挑构件尚应乘以1.5的修正系数。

从计算公式不难看出，钻孔植筋锚固深度设计值是一个与构件受力状态、孔壁潮湿、使用环境温度、植筋位移延性等因素相关联的一个函数。而采用植筋预充胶预埋装置，里面会使用胶囊充填A、B组份的胶粘剂，胶囊对承载力会有一定影响；该预埋装置设计为圆台形，里大而外小，有利于锚固，是传统钻孔植筋所不具有的优势，对承载力有一定的正面影响。两种工艺锚固深度影响因素对比分析如下：

表1两种工艺下有机胶植筋锚固深度影响因素对比分析

根据以上分析，当植筋采用预充胶预埋植筋工艺时，不妨修正单根钢筋锚固深度设计值计算公式如下，

关于构造措施：在受拉时，力通过无机胶抗剪力承担；受压时，由于锚固胶的弹性模量相对于锚筋的弹性模量小，力主要通过锚筋端部压力承担，其次由无机胶的抗剪力承担。故按传统钻孔植筋工艺时，受压钢筋取0.6ls>0.3ls，变相加长受压钢筋锚固深度，使无机胶的抗剪力抵抗压力。当采用预充胶预埋装置植筋时，因捣碎后的胶囊主要位于锚孔底部，受压时要求无机胶的抗剪力抵抗全部压力，因此相对受拉锚固构造深度，受压钢筋锚固深度应当延长。经上述分析，采取新工工艺后，构造锚固深度同原规范，即满足构造要求最小锚固深度，对受拉钢筋取max{0.3ls，10d，100mm}，受压钢筋取max{0.6ls，10d，100mm}，对悬挑构件尚应乘以1.5的修正系数。

（三）无机胶植筋圆筒深度计算

无机规程的锚固深度设计值按下式计算；除了满足设计值外，还应满足构造要求，最小锚固深度应取max{12d，150mm}，对悬挑构件尚应乘以1.5的修正系数。

从计算公式不难看出，钻孔植筋锚固深度设计值是一个与构件受力状态、植筋位移延性等因素相关联的一个函数。而采用植筋预充胶预埋装置，里面会使用胶囊充填A、B组份的胶粘剂，胶囊对承载力会有一定影响；该预埋装置设计为圆台形，里大而外小，有利于锚固，是传统钻孔植筋所不具有的优势，对承载力有一定的正面影响。两种工艺锚固深度影响因素对比分析如下：

表2两种工艺下无机胶植筋锚固深度影响因素对比分析

根据以上分析，当植筋采用预充胶预埋植筋工艺时，不妨修正单根钢筋锚固深度设计值计算公式如下，同时满足构造要求最小锚固深度取max{12d，150mm}，对悬挑构件尚应乘以1.5的修正系数。

（四）具体应用

根据修正的公式，当钢筋直径较大时，若采用预充胶预埋植筋工艺，预埋装置规格型号繁多，不便于批量生产，故优先采用传统工艺钻孔植筋，或根据修正公式订制预埋装置；当钢筋直径较小时，具体计算详下表，根据上述修正公式，当满足构造要求时即可满足锚固深度计算值要求，实施简单，该装置可以批量生产，并广泛应用于填充墙植筋中。

表3典型工况下d临界值计算

3、预埋装置内径

该装置预埋成孔与后钻孔区别不大，在内径的设计上可以参考《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145-2013）第7.2.2条以及《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）第15.3.5条以及《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》（JGJT271-2012）第4.3.3条的相关规定。该装置圆筒内径设计取值不妨借鉴暂定如下。

表4装置内径与植筋直径、钻孔直径暂定值

4、装置外力计算

（一）粘结性

圆筒外侧要与水泥砼粘结，内侧要与锚固胶粘结，由此确定为金属壳体。根据后锚固规程第3.4.3条、无机规程第3.0.6条，由此反应出普通建筑用钢筋、板材与锚固胶有较好粘结性。

（二）圆筒结构计算

钢材宜采用Q345及以上级别钢。

要能抵抗砼浇筑静压力、冲击力、振捣力。

表5工况设计

新浇混凝土对装置的侧压力标准值G4k＝min[0.22γct0β1β2v1/2，γcH]＝min[0.22×24×4×1×1×21/2，24×8]＝min[29.87，192]＝29.87kN/m2

承载能力极限状态设计值S承＝0.9max[1.2G4k+1.4Q3k，1.35G4k+1.4×0.7Q3k]＝0.9max[1.2×29.868+1.4×2，1.35×29.868+1.4×0.7×2]＝0.9max[38.642，42.282]＝0.9×42.282＝38.054kN/m2

正常使用极限状态设计值S正＝G4k＝29.868kN/m2

接下来当结合具体案例进行装置结构计算。

5、密封铝箔外力计算

（一）砼侧压力计算

暂不考虑圆筒内外气压差影响，其余工况同上，铝箔承受砼侧压力为29.868kN/m2，计算同上。

（二）气压影响

该装置在加工后植筋前为一密闭装置，圆筒中的气压随温度而有所变化。因此由于该装置在埋入砼后，实际施工工况比较复杂，除了较大的外部荷载外，还有水泥水化热使外部环境温度升高，尽管在大体积砼施工中有温差控制措施——但仅是对大体积砼内外温差的控制，因此，该装置外环境绝对温度升高会增大内部气压。铝箔能否承受复杂工况下外力是一关键。

为了简化计算并查阅相关文献，设定预埋装置在工厂密封时为常温（20℃）下标准大气压（100KPa），设在大体积砼施工时水化热达到峰值时预埋装置温度为70℃，装置安装的大气压为标准大气压。根据查理定律：

经计算达到峰值温度时（T），装置内气压达到117KPa，压差17KPa。

在不考虑砼侧压力的情况下，预埋装置在运输、储运、安装过程中要求铝箔承受能力要≥17KPa；与装置翼板的粘结力要≥17KPa·A，A为铝箔受压面积（圆筒顶内截面积）。

接下来结合具体案例进行铝箔材料受力计算，确定材料选型。

6、其它事项

本装置需要投产，还将涉及诸多技术如铝箔密封工艺、当用有机胶时高温下锚固胶的选择、因翼板在施工期间有较长时长与大气接触，为避免生锈需要防腐专项设计、胶囊材料选择及生产组装工艺、固定翼板的钉子抗拔力计算。

7、结束语

采用预埋预充胶工艺，避免了现场潮湿作业环境；当采用有机类锚固胶结材料时，有效避免了胶结材料与砼基体性能不适应、不协调的问题。具有许多钻孔植筋工艺所不具有的优势。

当使用无机胶时，避免了孔壁潮湿影响、环境温度影响，工程适应性更强。该装置宜优先选用无机胶。

当锚入钢筋直径较小时，该装置的适用性较强，可以批量生产并有广泛应用市场，如在填充墙中植筋应用。

修正公式有待试验验证，诸多设计还要进一步深化。

参考文献

（1）《砌体结构工程施工质量验收规范》GB50203-2011

（2）《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013

（3）《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013

（4）《混凝土结构工程用锚固胶》JG/T340

（5）《混凝土结构工程无机材料后锚固技术规程》JGJT271-2012

（6）《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》GB50728-2011

（7）崔士起，姜丽萍，成勃.混凝土结构工程无机材料后锚固技术研究综述.工程质量，2011.10

（8）《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018