混凝土结构后锚固连接化学锚栓群锚的抗拉性能

混凝土结构后锚固连接化学锚栓群锚的抗拉性能
周萌;赵挺生;刘文;张亚静
【摘要】群锚与单锚的受力特征有较大差异,而国内对混凝土化学锚栓群锚受力研究较少,相关规范和理论研究也有待完善.本文对单锚、双锚、四锚和六锚化学锚栓进行了抗拉试验,分析群锚系统对化学锚栓承载能力和破坏模式的影响.在本试验环境下,后锚固化学锚栓的破坏模式表现为:单锚和双锚试验——锚栓拉断破坏,四锚和六锚试验——混凝土破坏;混凝土强度、基材厚度及埋深一定时,随着群锚系统中锚栓数量增加,平均单根锚栓破坏荷载逐渐降低.群锚中存在锚栓受力不均匀问题和锚板刚度导致的锚栓受力增大现象,通过对试验数据的处理得到了群锚中的锚栓受力不均匀系数和锚板刚度影响系数,为锚固系统抗拉设计提供参考.%The anchor group form is different from single anchor in mechanical properties.The researches of chemical anchor bolt are quite limited in China, and the relevant norms and theoretical research are need to be improved.The tensile tests on single anchor, double anchors, four anchors and six anchors were carried out to analyze the impact of group anchor on the failure mode and tensile strength.It was observed in the present test, the failure mode of the post-installed system changed from tensile rupture of anchors (single and double anchors) to concrete fracture in case of four anchors or six anchors.With the specific concrete strength, substrate thickness and embedded depth, the averaged ultimate strength of single anchor decreases gradually with the increase of the of anchor bolts number.Furthermore, the uneven stress behavior of the anchor bolt and the improvement of anchor force caused by stiffness of fixture exist in
anchor group,and the coefficients induced by uneven anchor contribution and the stiffness of anchor fixture are proposed as a reference to the practice engineering.
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2017(034)003
【总页数】6页(P91-96)
【关键词】后锚固;群锚;抗拉试验;破坏模式
【作者】周萌;赵挺生;刘文;张亚静
【作者单位】华中科技大学土木工程与力学学院, 湖北武汉 430074;华中科技大学土木工程与力学学院, 湖北武汉 430074;华中科技大学土木工程与力学学院, 湖北武汉 430074;华中科技大学土木工程与力学学院, 湖北武汉 430074
【正文语种】中文
【中图分类】TU746.3;TU37
化学锚栓由于其施工方便、固化快速和传力合理，在短时间内便可以具有较高的承载能力等特点，被广泛应用于新建和加固工程中[1]。

我国后锚固技术领域相关规范多是在借鉴国外规范的基础上编制的，缺乏一整套有效、合理、明确的适合中国市场的产品检验标准和设计标准。

国外学者对于在各种受力状态下单锚、群锚的性能进行了较多研究[2，3]。

国内学者则依然侧重于单锚和植筋的研究[4,5]，对群锚的研究较少。

群锚与单锚的受力特征差异大，对化学锚栓群锚承载机理进行研究具有重要的现实价值。

欧洲ETAG、美国ACI等锚固技术规范都专门规定了锚栓的设计使用[6～10]。

而
我国相关规范对群锚的规定具有不足之处，如对化学锚栓混合型破坏模式分析不够。

本文对化学锚栓群锚作用下混凝土的抗拉性能进行研究，涵盖了化学锚栓单锚和群锚受拉试验，讨论了群锚承载能力、破坏模式等性能，进一步分析了群锚锚栓受拉荷载提高系数以及群锚受拉作用下每个锚栓承受的荷载不均匀系数。

1.1 试验材料
按照JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》[11]的规定，参考慧鱼产品技
术手册，制作了尺寸为700 mm×700 mm×700 mm混凝土基材(实测基材混凝
土各项参数见表1，混凝土配筋情况如图1)。

锚栓选用性能参数符合《德国慧鱼
建筑锚固技术手册》的R型高强化学锚栓(直径d=12 mm)。

试验锚板使用Q235钢，锚板上焊接了加劲钢板用于加强其刚度。

单锚进行无锚板加载试验。

依据国内外规范和产品标准要求，锚栓间距和边距采用型号M12的最小间距和边距55
mm(间距min=0.5hef=边距min，hef为有效锚固深度)，锚板布置如图2所示。

1.2 试验装置
单锚试验借助市场上常用的锚栓拉拔仪进行拉拔试验。

双锚、四锚和六锚装置(图3)采用抗拉强度为500 MPa的高强钢拉杆(直径d=60 mm)，其性能高于锚栓强
度和刚度。

为防止锚栓拉拔过程产生较大误差，规定横梁高度500 mm，并且梁
侧设置加劲板。

锚板钻孔深度为110mm，锚栓应变片贴于锚栓的110 mm高度处，每个锚栓贴1～2个应变片。

1.3 加载制度
采用分级加载的静力破坏性试验方法，单锚和双锚试验荷载阶梯为5 kN；四锚和
六锚试验荷载阶梯为10 kN；数据采集时间点选择每级荷载加载完毕并且稳定60 s后；记录每级加载下锚固系统破坏后锚栓的破坏模式。

1.4 试件设计
本文试验顺序为AH1组、BH4组、BH6组、BH2组。

编号中，A表示单锚试验；
B表示群锚试验；H表示慧鱼产品。

例如BH4-2-1#表示四锚锚群第二次试验组中编号为1的慧鱼品牌化学锚栓，其中群锚中锚栓的编号规则如图4所示。

2.1 单锚试验
2.1.1 试验现象
试验首先进行单锚受拉性能试验，确定单锚抗拉承载力及受拉破坏模式。

如图5
所示，在实验所用基材混凝土条件下，单锚破坏模式均为锚栓钢材拉断破坏。

初期加载时锚栓和基材未明显变化。

当施加拉力达到极限荷载时钢材瞬间断裂，混凝土未出现明显裂缝。

钢材拉断面与基材表面处于同一水平面，断裂位置呈颈缩状态。

2.1.2 试验数据及分析
AH1组的试验数据及锚栓锚固胶与混凝土之间的粘结抗剪强度计算结果，如表2
所示。

锚固胶与混凝土之间的粘结抗剪强度计算公式如下：
若发生锚栓钢材破坏，则：
若发生锚栓拔出破坏，则：
式中：NRk,p为拔出破坏受拉承载力标准值；Ns为拔出破坏荷载；NRk,s为钢材受拉破坏承载力标准值；d为锚栓直径；τ为粘结抗剪强度；hef为有效锚固深度。

根据实验过程中每级荷载作用下的三组(AH1-1、AH1-2和AH1-3)锚栓应变数据，得到单根化学锚栓的应力-应变曲线(图6)。

当荷载逐级增加， AH1-1组应变增加缓慢；AH1-2组应变中速增大；AH1-3组应变增加较快。

单根化学锚栓屈服拉力为45 kN，极限拉力为62 kN，屈服应力为400 MPa，极限应力为546 MPa。

2.2 化学锚栓群锚抗拉性能试验
为充分发挥后锚固系统的强度，选用700 mm厚混凝土基材和加劲肋锚板进行群
锚试验(双锚、四锚、六锚)，观察化学锚栓的群锚抗拉性能和破坏模式。

2.2.1 试验现象
双锚试验的破坏过程基本特征相似。

其破坏荷载均为110 kN，当拉力达到破坏荷载时，发生钢材破坏(图7a)。

四锚试验两组试验破坏荷载分别为170，160 kN。

达到破坏荷载时，混凝土明显裂开，属于混凝土锥体破坏(图7b)。

BH4-2试验出
现不均匀受力致使锚栓弯曲(图7c)。

六锚试验中，破坏荷载分别为205，195 kN，系统呈现混合型破坏(图7d)，BH6-2试验系统破坏特征呈现混合型破坏及劈裂破
坏(图7e)。

2.2.2 试验数据及分析
进行了三组BH2、两组BH4和两组BH6试验。

通过微应变计算弹性阶段和塑性
阶段对应的锚栓拉力值，如图8～10所示。

图8a中“两倍拉力1”指1#锚栓拉
力数据的两倍；“两倍拉力2”指2#锚栓拉力的两倍；“实测总拉力”指“1#锚栓拉力+2#锚栓拉力”。

其余图示含义同理。

本文采用的锚栓屈服拉力45 kN，极限拉力62 kN。

如图8所示，双锚试验一侧
锚栓拉断，另一侧锚栓达到屈服强度，在较大荷载条件下两根锚栓均进入颈缩变形阶段。

当一侧锚栓拉力达到极限荷载时，发生单根锚栓的破坏，同时另一根锚栓也即将破坏。

部分锚栓在拉力值小于62 kN时拉断，或拉力值大于62 kN时未拉断，是锚栓的材质强度不均匀所致。

如图9所示，在后锚固系统正常状态下，BH4-1中1#、2#锚栓及BH4-2中2#、4#锚栓进入屈服阶段，未达到极限拉力值。

锚栓有明显的受力不均匀特征。

如图10所示，在后锚固系统正常状态下，BH6-1中1#锚栓及BH6-2中2#、4#锚栓达到屈服，未达到极限拉力值。

锚栓有明显受力不均现象。

根据以上数据得出群锚试验中平均单个锚栓破坏荷载变化(图11)。

在双锚、四锚
和六锚试验后，锚固群锚系统失效前提下，“荷载平均”为平均单根锚栓破坏荷载(千斤顶拉力最大值/锚栓数量)；“实测应变平均”为实测单根锚栓拉力平均值；“实测应变最大”为实测最大锚栓应变值对应的锚栓拉力值。

当群锚实验中锚栓数
量增加，荷载平均、实测平均和实测最大单根锚栓拉力呈现逐渐降低的趋势(图11)。

以上分析表明，在锚栓质量、混凝土强度、基材厚度、锚板刚度、锚固深度和安装工艺相同的条件下，当群锚实验中锚栓数量增加，后锚固系统破坏模式由钢材破坏转变为混合破坏、混凝土锥体破坏，且具有单根锚栓拉力逐渐降低的趋势。

2.2.3 拉力提高系数
当达到焊接加劲板的锚板刚度极限时，锚板会受弯变形引起混凝土对锚板两边产生较大支撑力，锚板和锚杆的受力状态如图12所示。

多种因素导致的锚板刚度不均会影响锚栓所受拉力。

图13为锚板刚度造成的拉力提高系数，如图所示，将实测总拉力随千斤顶拉力变化的曲线与斜率为1.0，1.1，1.2的直线作对比，得出拉力提高系数(锚栓拉力提
高系数=锚栓实测总拉力/千斤顶拉力)。

由于实验中首先对BH4及BH6-1进行加载，焊接加劲板的锚板尚未受到拉弯荷载，焊接过程存在残留应力，致使BH4及BH6-1的锚栓拉力提高系数均小于1.0。

考虑BH2和BH6-2试验中锚板变形受弯的影响，锚栓拉力提高系数区间为[1.1，1.2]，平均后取值为1.1。

本次试验BH2，BH4和BH6的三组数据得到锚板刚度因素导致的锚栓拉力提高系数分别为1.1，0.9，1.1。

考虑锚板焊接加劲板产生的残留应力影响，BH4和
BH6-1的锚栓受力并未提高。

建议锚栓拉力提高系数取值为1.1。

2.2.4 锚栓受力不均匀系数
群锚实验中很难保证每根锚栓受到相同的荷载。

定义受力大于实测平均受力的每根锚栓的受力之和与实测总拉力之比为锚栓受力不均匀系数。

根据试验数据计算锚栓受力不均匀系数如图14。

锚栓受力平均不均匀系数用正系数平均表示。

BH2中各锚栓的不均匀系数由(2Ni-N)/N计算得出，平均不均匀系数取大于零的各锚栓不
均匀系数平均值加1, 2Ni为锚栓拉力的两倍，N为实测总拉力。

同理BH4，BH6对应各锚栓的不均匀系数计算公式分别为(4Ni-N)/N和(6Ni-N)/N，4Ni为锚栓拉力的四倍，6Ni为锚栓拉力的六倍。

随着荷载增加，锚栓达到屈服强度后，锚栓受力的不均匀性呈现逐渐下降趋势，直至锚栓受力一致或某根锚栓达到极限强度拉断。

BH2组、BH4组和BH6组试验数据可得到不同锚栓数量的群锚受力不均匀系数。

双锚实验组的平均不均匀系数从1.3逐渐降低，弹性阶段为1.2，塑性阶段为1(两根锚栓受到了相同的拉力)；四锚实验组，平均不均匀系数初期为2.6，弹性阶段为1.5，塑性阶段1.4；六锚试验，在加载初期锚栓受力不均匀系数为3.4，弹性阶段平均不均匀系数为1.3，加载后期进入塑性阶段，系数维持在1.2左右。

本文通过对化学锚栓群锚试验系统进行抗拉试验得到以下结论：
(1)随着锚栓数量增加，后锚固系统破坏模式发生改变。

慧鱼化学锚栓单锚和双锚试验发生锚栓钢材破坏；四锚试验和六锚试验发生混凝土锥体破坏及混合型破坏。

(2)锚板刚度问题将导致锚栓受力增大。

根据试验数据，建议锚栓拉力提高系数取1.1，用于以后的锚固系统抗拉设计计算。

(3)试验表明群锚锚栓受力不均。

根据试验数据，建议弹性阶段和塑性阶段锚栓的受力不均匀系数k1分别取1.5，1.4。

【相关文献】
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