一种新型的多段扩体锚杆

一种新型的多段扩体锚杆
摘要：对于木结构建筑，使用环氧树脂制作的扩体锚杆，能有效提高其承载能力，增加结构的安全稳定性。

关键词：扩体锚杆；锚固结构；新材料；新型锚杆
0.引言
利用由粘在木材中的锚杆组成的接头可以为木质结构的建造提供优势，从而
形成具有大承载能力和高刚性的接头。

这些接头可以用于新建建筑和现有结构的
修复。

它们可以使用在连接三角形，平面或空间结构的零件，包括在框架结构中
开发刚性接头。

承受轴向载荷的这种接头类型的功能是基于载荷通过粘结接头从锚杆到木材
的传递。

接缝的承载能力取决于接缝的几何特性（锚固长度，材料之间的接触面
以及接缝的厚度）以及所用材料（木材，钢和粘合剂）的机械特性。

许多作者进
行了重要的分析和实验研究[1-2]，旨在评估每个因素的重要性。

为了提高这种类型的接头的有效性，已经提出了几种系统。

这些系统主要基
于修改锚杆的形状以减少锚固件末端的应力集中。

本文开发了一种新系统，该系
统基于修改孔的形状以在底端创建可以填充粘合剂的扩体。

该系统可使用常规螺
杆显着提高接头的承载能力。

1.新型粘结剂扩体锚杆
使用锚孔将锚钉放在孔的底部进行的实验表明，使用短锚可以实现最大功效。

钻孔深度的增加会导致扩体与直锚的连接处的承载能力之比降低，因为在更大的
锚固长度下，连接的最终荷载值会增加，从而导致连接处的应力增加。

在木材发
生剪切之前，树脂本身就失效了。

为避免此问题，设计了一种新系统。

该系统涉及沿整个孔布置多个扩体。

使
用该系统，可以有效提高木材表面的抗剪切强度，而不会引起树脂本身的破坏。

扩体可以具有各种形状和尺寸。

它们沿孔的位置也可以改变。

这些因素无疑会影
响接头的阻力性能，应该成为比较研究以优化参数的主题。

以前很少进行测试来比较圆锥形扩体和圆柱形扩体的性能。

这些测试证实，
圆锥形扩体的强度明显更高。

对于圆柱形扩体，树脂会在界面木树脂发生剪切之
前就失效。

该问题应通过增加扩体的宽度来解决，从而导致所需树脂量的增加。

对于本文所述的实验分析，采用圆锥形扩体，该圆锥形扩体可使用比圆柱形状更
少的树脂量来防止粘合失败。

多段扩体锚固系统需要具有常规钻头的初始直孔。

接下来，可以使用配备有
偏心刀片的钻头来实现加宽。

本研究中使用的所有标本均使用以下部分中详细介
绍的系统制备。

设计了一种钻头，该钻头由两个彼此铰接的刀片形成，并且附接到也铰接的
连杆上。

当压力作用在孔的底部时，叶片逐渐打开，形成一个扩大的或圆锥形扩体。

当要移除钻头时，刀片和杆组件会折叠以便于移除。

为了在孔内的不同位置
产生多个扩体，使用同一个钻头和一个圆柱状的补件就可以轻松地将其装入轴承端。

这种设计的优点是，通过改变叶片和杆的尺寸，可以实现各种扩体形状和位置。

2. 材料与测试方法
为了确定多球形锚的强度能力并比较其与直锚的性能，进行了具有以下特征
的实验：
·选择了云杉胶合层压木材。

层压木材试件的密度平均值为463.92 kg/m3，特
征值为425.62kg/m3。

·试件的横截面为160 *160mm2，选择了三种锚固长度，分别为90、120和150mm，试件长度比锚固长度长80毫米。

·选择了两种锚定类型，即多段扩体型和普通直锚。

借助车床，使用一个偏心刃钻头进行加宽。

根据孔的长度设置扩体的数量：对于90mm锚定为2个扩体，
对于120mm锚定为3个，对于150mm锚定为4个。

·使用直径为12 mm的螺纹锚杆和12.9级钢（抗拉强度fu=1200N /mm2，屈
服点fy =1080N /mm2）。

使用具有高屈服点的锚杆来防止螺杆发生故障。

每种类型准备了六个样本，共测试了36个样本。

测试使用一台通用的INSTRON 8805机器。

通过施加带有移位控制的荷载和可调节的速度，在拉力测试
中测试试件，以使短时测试规定在5±2分钟的范围内实现破坏。

记录十字头的相
对位移，以便绘制荷载位移曲线。

3. 结论
3.1. 扩体锚杆的承载能力
在整个过程中，扩体统的最终载荷明显增加，这种增加发生在所有锚固长度上。

对于锚固长度分别为90、120和150的圆锥形和直锚的平均承载能力之比分
别为1.59、1.44和1.32。

使用多段扩体代替直锚锚固会增加剪切面，这显然与载
荷值的增加有关。

但是，这种载荷的增加与木胶粘剂破坏面的增加没有线性关系。

载荷和粘合剂表面之间缺乏线性比，可以用接头的细长度对最终平均剪切应力的
影响来解释。

3.2 扩体锚杆的延展性
延展性是所有建筑材料的理想属性，但在承受地震荷载的结构中具有特殊的
意义。

用锚杆连接的主要缺点它们缺乏延展性。

以上两种锚固类型的接头断裂突
然发生，而没有任何塑性变形可以预示即将发生的断裂，在其他测试的锚固长度
中也发现了相同的行为。

之所以发生这种类型的故障，是因为为锚杆选择了高性
能钢以确保胶合接头在锚杆之前失效。

因此，实验使我们能够确定锚杆和木材之
间的粘合剂的真实极限载荷。

扩体和直线曲线的初始位移之间的差异是由于在多
段扩大头试验期间使用了较厚的氯丁橡胶片材，这是由于在多段扩体的初始阶段
测试相同的载荷所产生的位移大于直锚。

但是可以注意到，一旦氯丁橡胶的变形
变得稳定，两种锚固的曲线斜率都相同，这表明两种锚固的刚度都相似。

结果清楚地表明，通常在螺纹杆（4.6和5.6）中使用的钢达到其屈服点和极
限应力的时间比胶合接头的失效要早得多。

如果锚固长度超过100 mm，则高性
能钢（例如6.8钢）也会发生这种情况。

对于120或150 mm的锚固，即使8.8
钢在接头失效之前也达到了屈服点。

因此，适当选择锚固长度和钢种可以保证延
性破坏。

与直锚相比，提供多球系统的优势在于，使用8.8等高性能钢可以实现
延性破坏，从而实现具有高承载能力的接头。

因此，带有多段扩大头的锚杆锚固提供了一种有效的系统，该系统为承受轴
向应力的接头以及在框架中创建刚性接头提供了新的可能性。

4. 结论
（1）与直接锚固系统相比，使用粘合剂扩体对于提高系统的承载能力非常
有效。

（2）所获得的实验结果表明，多段扩体锚的极限载荷远远超过了直锚的极
限载荷。

取决于锚固长度，载荷增加范围在1.59和1.32之间。

（3）由云杉制成的多段扩体锚的极限载荷值超过了使用更大内径的直形锚密度和强度更高的木材获得的极限载荷值。

参考文献
[1] Estévez Cimadevila J, Vázquez Rodríguez JA, Otero Chans D. Experimental behaviour of threaded steel rods glued into high-density hardwood. Int J Adhes Adhes 2007;27:136–44. doi:10.1016/j.ijadhadh.2006.01.006.
[2] Otero Chans D, Estévez Cimadevila J, Martín Gutiérrez E. Influence of the geometric and materials characteristics on the strength of glued joints made in chestnut timber. Mater Des 2009;30:1325–32. doi:10.1016/j.matdes.2008.06.041.。