锚栓抗震性能试验研究_吴林志
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［收稿日期］ 2013-01-16
生命线工程非结构构件的后锚固连接。国内外相关 规范对于锚栓在抗震设防区的应用有明显不同。
目前，《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145 正 在进行修订，为 进 一 步 研 究 膨 胀 型 锚 栓、扩 底 型 锚 栓、化学锚栓 3 种锚栓的抗震性能，进行了抗震性能 试验研究，为《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145 的条文修订提供试验验证。 1 试验概况 1. 1 试验方案
图 5 膨胀型锚栓荷载 － 位移曲线 Fig． 5 The load-displacement curve of expension anchor
210009，China； 2． China Academy of Building Ｒesearch，Beijing 100013，China）
Abstract： In this paper，expension anchor，bonded anchor，undercut anchor subjected to the dynamic tensile load are tested in uncracked concrete． Three kinds of failure models are represented，namely，anchor failure，concrete failure，combination failure． Experimental results show that the ultimate bearing capacity of expansion anchor and bonded anchor under dynamic loading is reduced in some degree． The residual capacity of undercut anchor under dynamic loading does not changed． Keywords： expension anchor； undercut anchor； bonded anchor； seismic behavior； tensile test； failure models
栓为中心 的 倒 锥 形 破 坏，见 图 4 （ a） ，锥 体 高 度 为 70mm，锥体角度为斜向上 35° 左右，破坏锥体表面 呈不规则状，其轮廓尺寸约为 1. 5 倍埋深。膨胀型
锚栓动力加载后发生混凝土锥体和锚栓穿出混合破 坏，破坏时，螺杆穿出，且混凝土沿三个方向开裂，见 图 4（ b） 。沿着裂缝的方向撬开混凝土发现在锚栓 底部已经形成一个完整的破坏锥面。膨胀型锚栓静 力加载时的荷载 － 位移曲线见图 5（ a） ，动力加载时 的荷载 － 位移曲线见图 5（ b） 。
61. 98、61. 62、63. 44 33. 87、32. 94
62. 35 33. 41
钢材破坏 混合破坏
动力
62. 23、63. 10、64. 38
63. 24
钢材破坏
扩底型锚栓 M12
静力 动力
71. 69、70. 83、71. 81 69. 12、69. 93
71. 44 69. 53
混凝土破坏 混凝土破坏
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 35，No. 5 2013
·104·
工程抗震与加固改造
2013 年 10 月
膨胀锚栓在 140 次循环加载过程中位移变化幅度较 小，约为 0. 5mm，锚栓仍然在弹性范围内工作，刚度 基本没有变化。第三段曲线为锚栓循环加载结束后 进行的静力变形曲线加载，此阶段荷载 － 位移曲线 平缓。
循环加载过程中没有发生锚固破坏，动力加载循环 完成后，继续进行静力加载，直到发生锚固破坏，测 得其极限承载力。试验装置见图 2 所示。 1. 2 试件设计
制作尺寸为 600mm × 600mm × 300mm 的素混 凝土构件若干，实测混凝土同条件养护试块抗压强 度为 60MPa。锚栓布置时为避免边距过小对破坏形 式的影响，设置了足够大的锚栓边距。锚栓安装严 格按照喜利得及慧鱼技术手册和现行有关规范要求 操作，图 3 为安装好的化学锚栓。选取 3 种试验锚 栓的规格参数见表 1。
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 35，No. 5 2013
·102·
工程抗震与加固改造
2013 年 10 月
图 1 输入荷载 Fig． 1 Tensile test input
记录荷载及相应的锚栓位移，如果在加载过程中发 生锚固破坏，则记录加载循环次数以及破坏荷载； 若
表 2 锚栓抗拉试验结果 Table 2 The tension test results of anchor
锚栓类型
加载方式
极限承载力（ kN）
承载力平均值（ kN）
破坏形式
膨胀型锚栓 M12
静力 动力
39. 59、41. 69、43. 29 37. 84、34. 39、29. 13
41. 52 34. 79
混凝土破坏 混凝土及穿出混合破坏
化学锚栓 M10
静力 静力 动力
33. 41、25. 00、37. 95 40. 74、42. 27 40. 63、39. 55
32. 12 40. 68 40. 09
混合破坏 钢材破坏 钢材破坏
静力
54. 18、49. 86
50. 02
混合破坏
化学锚栓 M12
静力 动力
锚栓抗震性能试验研究
吴林志1 ，李东彬2 ，徐福泉2
（ 1． 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 210009； 2． 中国建筑科学研究院，北京 100013）
［提 要］ 针对后锚固于无裂缝混凝土中的膨胀型锚栓、扩底型锚栓及化学锚栓进行了抗震性能试验，锚栓试件的破坏形式 主要有钢材拉断、混凝土破坏及混合破坏。根据试验结果分析，膨胀型锚栓及化学锚栓在动力荷载作用下极限承载力有不同 程度降低，扩底锚栓的极限承载力基本不受动力加载作用影响。本文根据试验研究结果提出了锚栓在地震区使用的建议。 ［关键词］ 膨胀型锚栓； 扩底型锚栓； 化学锚栓； 抗震性能； 抗拉试验； 破坏形式
第 35 卷第 5 期 2013 年 10 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting
Vol. 35，No. 5 Oct． 2013
［文章编号］ 1002-8412（ 2013） 05-0101-07
来自百度文库
DOI： 10. 3969 / j． issn． 1002 － 8412. 2013. 05. 017
膨胀型锚栓静力加载破坏时混凝土破坏面积较 大，见图 4（ a） ，其表面轮廓尺寸约为 1. 5 倍埋深，极 限承载力为 43. 29kN； 膨胀型锚栓动力加载后发生 混凝土和穿出混合破坏，见图 4 （ b） ，表面混凝土没 有完全破坏，只出现长度约为 1. 5 倍埋深的裂缝，极 限承载 力 下 降 至 29. 13kN。对 比 图 5 中 的 （ a） 与 （ b） ，可以看出静力加载时锚栓在混凝土中位移达
图 2 试验装置 Fig． 2 Diagram of testing machine
类型 膨胀型锚栓
化学锚栓 扩底型锚栓
图 3 化学锚栓安装 Fig． 3 The installed bonded anchor
表 1 锚栓规格及安装参数 Table 1 Anchor specifications and installation parameters
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting October 2013
第 35 卷第 5 期
吴林志，等： 锚栓抗震性能试验研究
·103·
2 试验结果及分析 锚栓抗拉试验结果见表 2。
2. 1 膨胀型锚栓试验结果及分析 膨胀型锚栓静力加载后发生的破坏形式为以锚
膨胀型锚栓受静力荷载作用时，其位移随着荷 载的增加逐渐增大。图 5（ a） 中加载初期的曲线斜 率较大，后期荷载曲线上升平缓，位移增加较快，最 后发生混凝土锥体破坏，达到承载力最大值。膨胀
型锚栓动力加载时，图 5（ b） 中第一段加载曲线为锚 栓先以 500N / s 速率加载至 50% 静力极 限 承 载 力 后，再释放拉力，此阶段荷载 － 位移曲线基本呈线性 关系。第二段曲线即为 10、30、100 次的循环加载，
［中图分类号］ TU352. 1
［文献标识码］ A
Experimental Study on Seismic Behavior under Dynamic Tension Loads of the Anchors
Wu Lin-zhi1 ，Li Dong-bin2 ，Xu Fu-quan2 （ 1． The College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing
E-mail： wlzxxz2010@ 163． com
在已硬化的混凝土基材上钻孔，将锚栓或钢筋 埋置于孔洞中，利用机械键锁力或粘结力使新增构 件与基材有效连接并传递荷载的连接技术称为后锚 固技术。锚栓按锚固原理不同，分为膨胀型锚栓、扩 底型锚栓和化学锚栓。
近年来，随着既有建筑改造的大量开展、结构加 固工程逐年增多，作为工程加固中常用的混凝土结 构后锚固连接技术得到较快的发展，其工程应用越 来越多。美 国 规 范 ACI318 附 录 D 中 对 膨 胀 型 锚 栓、化学锚栓、扩底型锚栓在结构中受拉锚固连接没 有限制，锚栓在地震区使用需达到 ACI355 测试认 证。《混凝土结构加固设计规范》GB50367 中规定， 在考虑地震作用的结构中严禁采用膨胀型锚栓作为 承重构 件 的 连 接 件。《混 凝 土 结 构 后 锚 固 技 术 规 程》JGJ145-2004 规定，膨胀型锚栓和扩孔型锚栓不 得用于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力的结构构件及
注： 1． 混凝土破坏： 锚栓受到拉力作用形成混凝土倒锥形破坏，破坏锥体表面不规则。2． 混凝土及穿出混合破坏： 锚栓受到拉 力作用，螺杆从混凝土孔内穿出膨胀片留在混凝土内，同时混凝土表面出现破坏现象。3． 混合破坏： 发生于化学锚栓，破坏时 同时出现螺杆上部混凝土倒锥体破坏及螺杆下部粘结破坏。
图 4 膨胀型锚栓破坏形式 Fig． 4 Failure mode of expension anchor
锚栓选用国内大量应用的两个国际品牌产品， 慧鱼及喜 利 得 锚 栓，基 材 采 用 未 开 裂 的 素 混 凝 土。 试验分为静力受拉加载与动力受拉加载两种情况。 静力加载 以 匀 速 加 载 至 锚 固 破 坏，总 加 荷 时 间 为 2min ～ 3min。动力 加 载，参 照 JGJ160-2004 低 周 反 复拉力荷载性能试验，采用分级加载，3 个等级分别 取为 0. 5N、0. 375N 和 0. 25N 作为加载值，N 为锚栓 平均静力极限荷载，分别对应的加载循环次数为 10 次、30 次和 100 次，加载频率为 1Hz，如图 1 所示。
到 9. 52mm，然 而，动 力 加 载 后 锚 栓 的 位 移 仅 为 6. 11mm。当施加静力荷载时，由于加载速率较慢， 混凝土孔壁对膨胀片的挤压力不受影响，达到极限 荷载时发生混凝土破坏，锚栓位移相对较大。当施 加动力荷载时，在锚孔底部膨胀片周围的局部混凝 土会发生细微破坏，导致混凝土孔壁对膨胀片的挤 压力减弱，最终发生螺杆穿出和混凝土锥体混合破 坏，极限承载力降低，锚栓位移随之减小。膨胀型锚 栓动力抗拉平均极限承载力相比静力平均承载力降 低约 16% ，动力抗拉平均位移相比静力平均位移降 低约 37% ，见图 6 所示。
型号 HST-M12
直径（ mm） 12
孔径（ mm） 12
埋深（ mm） 70
扭矩（ N·m） 60
HAS M10 × 130 /21
12
12
90
50
HAS M12 × 160 /28
12
14
110
50
FZA 18 × 80 M12 /25
12
18
80
80
边距（ mm） 110 140 170 190
生命线工程非结构构件的后锚固连接。国内外相关 规范对于锚栓在抗震设防区的应用有明显不同。
目前，《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145 正 在进行修订，为 进 一 步 研 究 膨 胀 型 锚 栓、扩 底 型 锚 栓、化学锚栓 3 种锚栓的抗震性能，进行了抗震性能 试验研究，为《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145 的条文修订提供试验验证。 1 试验概况 1. 1 试验方案
图 5 膨胀型锚栓荷载 － 位移曲线 Fig． 5 The load-displacement curve of expension anchor
210009，China； 2． China Academy of Building Ｒesearch，Beijing 100013，China）
Abstract： In this paper，expension anchor，bonded anchor，undercut anchor subjected to the dynamic tensile load are tested in uncracked concrete． Three kinds of failure models are represented，namely，anchor failure，concrete failure，combination failure． Experimental results show that the ultimate bearing capacity of expansion anchor and bonded anchor under dynamic loading is reduced in some degree． The residual capacity of undercut anchor under dynamic loading does not changed． Keywords： expension anchor； undercut anchor； bonded anchor； seismic behavior； tensile test； failure models
栓为中心 的 倒 锥 形 破 坏，见 图 4 （ a） ，锥 体 高 度 为 70mm，锥体角度为斜向上 35° 左右，破坏锥体表面 呈不规则状，其轮廓尺寸约为 1. 5 倍埋深。膨胀型
锚栓动力加载后发生混凝土锥体和锚栓穿出混合破 坏，破坏时，螺杆穿出，且混凝土沿三个方向开裂，见 图 4（ b） 。沿着裂缝的方向撬开混凝土发现在锚栓 底部已经形成一个完整的破坏锥面。膨胀型锚栓静 力加载时的荷载 － 位移曲线见图 5（ a） ，动力加载时 的荷载 － 位移曲线见图 5（ b） 。
61. 98、61. 62、63. 44 33. 87、32. 94
62. 35 33. 41
钢材破坏 混合破坏
动力
62. 23、63. 10、64. 38
63. 24
钢材破坏
扩底型锚栓 M12
静力 动力
71. 69、70. 83、71. 81 69. 12、69. 93
71. 44 69. 53
混凝土破坏 混凝土破坏
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 35，No. 5 2013
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工程抗震与加固改造
2013 年 10 月
膨胀锚栓在 140 次循环加载过程中位移变化幅度较 小，约为 0. 5mm，锚栓仍然在弹性范围内工作，刚度 基本没有变化。第三段曲线为锚栓循环加载结束后 进行的静力变形曲线加载，此阶段荷载 － 位移曲线 平缓。
循环加载过程中没有发生锚固破坏，动力加载循环 完成后，继续进行静力加载，直到发生锚固破坏，测 得其极限承载力。试验装置见图 2 所示。 1. 2 试件设计
制作尺寸为 600mm × 600mm × 300mm 的素混 凝土构件若干，实测混凝土同条件养护试块抗压强 度为 60MPa。锚栓布置时为避免边距过小对破坏形 式的影响，设置了足够大的锚栓边距。锚栓安装严 格按照喜利得及慧鱼技术手册和现行有关规范要求 操作，图 3 为安装好的化学锚栓。选取 3 种试验锚 栓的规格参数见表 1。
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 35，No. 5 2013
·102·
工程抗震与加固改造
2013 年 10 月
图 1 输入荷载 Fig． 1 Tensile test input
记录荷载及相应的锚栓位移，如果在加载过程中发 生锚固破坏，则记录加载循环次数以及破坏荷载； 若
表 2 锚栓抗拉试验结果 Table 2 The tension test results of anchor
锚栓类型
加载方式
极限承载力（ kN）
承载力平均值（ kN）
破坏形式
膨胀型锚栓 M12
静力 动力
39. 59、41. 69、43. 29 37. 84、34. 39、29. 13
41. 52 34. 79
混凝土破坏 混凝土及穿出混合破坏
化学锚栓 M10
静力 静力 动力
33. 41、25. 00、37. 95 40. 74、42. 27 40. 63、39. 55
32. 12 40. 68 40. 09
混合破坏 钢材破坏 钢材破坏
静力
54. 18、49. 86
50. 02
混合破坏
化学锚栓 M12
静力 动力
锚栓抗震性能试验研究
吴林志1 ，李东彬2 ，徐福泉2
（ 1． 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 210009； 2． 中国建筑科学研究院，北京 100013）
［提 要］ 针对后锚固于无裂缝混凝土中的膨胀型锚栓、扩底型锚栓及化学锚栓进行了抗震性能试验，锚栓试件的破坏形式 主要有钢材拉断、混凝土破坏及混合破坏。根据试验结果分析，膨胀型锚栓及化学锚栓在动力荷载作用下极限承载力有不同 程度降低，扩底锚栓的极限承载力基本不受动力加载作用影响。本文根据试验研究结果提出了锚栓在地震区使用的建议。 ［关键词］ 膨胀型锚栓； 扩底型锚栓； 化学锚栓； 抗震性能； 抗拉试验； 破坏形式
第 35 卷第 5 期 2013 年 10 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting
Vol. 35，No. 5 Oct． 2013
［文章编号］ 1002-8412（ 2013） 05-0101-07
来自百度文库
DOI： 10. 3969 / j． issn． 1002 － 8412. 2013. 05. 017
膨胀型锚栓静力加载破坏时混凝土破坏面积较 大，见图 4（ a） ，其表面轮廓尺寸约为 1. 5 倍埋深，极 限承载力为 43. 29kN； 膨胀型锚栓动力加载后发生 混凝土和穿出混合破坏，见图 4 （ b） ，表面混凝土没 有完全破坏，只出现长度约为 1. 5 倍埋深的裂缝，极 限承载 力 下 降 至 29. 13kN。对 比 图 5 中 的 （ a） 与 （ b） ，可以看出静力加载时锚栓在混凝土中位移达
图 2 试验装置 Fig． 2 Diagram of testing machine
类型 膨胀型锚栓
化学锚栓 扩底型锚栓
图 3 化学锚栓安装 Fig． 3 The installed bonded anchor
表 1 锚栓规格及安装参数 Table 1 Anchor specifications and installation parameters
Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting October 2013
第 35 卷第 5 期
吴林志，等： 锚栓抗震性能试验研究
·103·
2 试验结果及分析 锚栓抗拉试验结果见表 2。
2. 1 膨胀型锚栓试验结果及分析 膨胀型锚栓静力加载后发生的破坏形式为以锚
膨胀型锚栓受静力荷载作用时，其位移随着荷 载的增加逐渐增大。图 5（ a） 中加载初期的曲线斜 率较大，后期荷载曲线上升平缓，位移增加较快，最 后发生混凝土锥体破坏，达到承载力最大值。膨胀
型锚栓动力加载时，图 5（ b） 中第一段加载曲线为锚 栓先以 500N / s 速率加载至 50% 静力极 限 承 载 力 后，再释放拉力，此阶段荷载 － 位移曲线基本呈线性 关系。第二段曲线即为 10、30、100 次的循环加载，
［中图分类号］ TU352. 1
［文献标识码］ A
Experimental Study on Seismic Behavior under Dynamic Tension Loads of the Anchors
Wu Lin-zhi1 ，Li Dong-bin2 ，Xu Fu-quan2 （ 1． The College of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing
E-mail： wlzxxz2010@ 163． com
在已硬化的混凝土基材上钻孔，将锚栓或钢筋 埋置于孔洞中，利用机械键锁力或粘结力使新增构 件与基材有效连接并传递荷载的连接技术称为后锚 固技术。锚栓按锚固原理不同，分为膨胀型锚栓、扩 底型锚栓和化学锚栓。
近年来，随着既有建筑改造的大量开展、结构加 固工程逐年增多，作为工程加固中常用的混凝土结 构后锚固连接技术得到较快的发展，其工程应用越 来越多。美 国 规 范 ACI318 附 录 D 中 对 膨 胀 型 锚 栓、化学锚栓、扩底型锚栓在结构中受拉锚固连接没 有限制，锚栓在地震区使用需达到 ACI355 测试认 证。《混凝土结构加固设计规范》GB50367 中规定， 在考虑地震作用的结构中严禁采用膨胀型锚栓作为 承重构 件 的 连 接 件。《混 凝 土 结 构 后 锚 固 技 术 规 程》JGJ145-2004 规定，膨胀型锚栓和扩孔型锚栓不 得用于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力的结构构件及
注： 1． 混凝土破坏： 锚栓受到拉力作用形成混凝土倒锥形破坏，破坏锥体表面不规则。2． 混凝土及穿出混合破坏： 锚栓受到拉 力作用，螺杆从混凝土孔内穿出膨胀片留在混凝土内，同时混凝土表面出现破坏现象。3． 混合破坏： 发生于化学锚栓，破坏时 同时出现螺杆上部混凝土倒锥体破坏及螺杆下部粘结破坏。
图 4 膨胀型锚栓破坏形式 Fig． 4 Failure mode of expension anchor
锚栓选用国内大量应用的两个国际品牌产品， 慧鱼及喜 利 得 锚 栓，基 材 采 用 未 开 裂 的 素 混 凝 土。 试验分为静力受拉加载与动力受拉加载两种情况。 静力加载 以 匀 速 加 载 至 锚 固 破 坏，总 加 荷 时 间 为 2min ～ 3min。动力 加 载，参 照 JGJ160-2004 低 周 反 复拉力荷载性能试验，采用分级加载，3 个等级分别 取为 0. 5N、0. 375N 和 0. 25N 作为加载值，N 为锚栓 平均静力极限荷载，分别对应的加载循环次数为 10 次、30 次和 100 次，加载频率为 1Hz，如图 1 所示。
到 9. 52mm，然 而，动 力 加 载 后 锚 栓 的 位 移 仅 为 6. 11mm。当施加静力荷载时，由于加载速率较慢， 混凝土孔壁对膨胀片的挤压力不受影响，达到极限 荷载时发生混凝土破坏，锚栓位移相对较大。当施 加动力荷载时，在锚孔底部膨胀片周围的局部混凝 土会发生细微破坏，导致混凝土孔壁对膨胀片的挤 压力减弱，最终发生螺杆穿出和混凝土锥体混合破 坏，极限承载力降低，锚栓位移随之减小。膨胀型锚 栓动力抗拉平均极限承载力相比静力平均承载力降 低约 16% ，动力抗拉平均位移相比静力平均位移降 低约 37% ，见图 6 所示。
型号 HST-M12
直径（ mm） 12
孔径（ mm） 12
埋深（ mm） 70
扭矩（ N·m） 60
HAS M10 × 130 /21
12
12
90
50
HAS M12 × 160 /28
12
14
110
50
FZA 18 × 80 M12 /25
12
18
80
80
边距（ mm） 110 140 170 190