帶齒錨固鋼槽承載力性能試驗(yàn)研究

王 興 盧文勝 袁苗苗

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092)

0 引 言

近年來(lái)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速,現(xiàn)代建筑安裝工程技術(shù)也得到快速發(fā)展,其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面預(yù)埋件的安裝錨固技術(shù)應(yīng)用愈加普遍。國(guó)內(nèi)建筑工程中常見(jiàn)應(yīng)用的預(yù)埋錨固方式可分為鋼板式、型鋼式、鋼管式和群組螺栓式等多種預(yù)埋方式。其中,預(yù)埋件的制作安裝比較復(fù)雜,且數(shù)量多、規(guī)格雜、安裝位置要求高,成為施工技術(shù)中的難點(diǎn);而預(yù)埋件的安裝質(zhì)量又直接影響整個(gè)工程的美觀,也是影響工程中電氣設(shè)備的便捷安裝、安全運(yùn)行及使用壽命的重要因素[1-3]。

熱軋帶齒錨固鋼槽正是為了解決上述技術(shù)難點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的一種新型錨固技術(shù)產(chǎn)品,其結(jié)合匹配的帶齒螺栓以及配件,構(gòu)成了一種可靠的形狀配合式固定預(yù)埋連接系統(tǒng),即使沿錨固鋼槽縱向承受較大荷載也不會(huì)發(fā)生滑移。可用于連接建筑幕墻元件的頂板或前立面、在隧道中安裝懸鏈或高架電纜、信號(hào)設(shè)備、照明和通風(fēng)設(shè)備、在磚混電梯豎井中安裝導(dǎo)軌、電梯門及其他部件,具有易安裝、可調(diào)節(jié)、耐疲勞、高普適性等優(yōu)點(diǎn)[4],廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型工程,如深圳來(lái)福士廣場(chǎng)、南京世界貿(mào)易中心、新加坡濱海灣金沙度假村酒店、滬昆線、西班牙馬德里薩巴大樓等。但國(guó)內(nèi)外對(duì)該類錨固技術(shù)的機(jī)理研究尚不深入,鄭圓圓、劉祖華[5]對(duì)預(yù)埋槽鋼進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究,先進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)、再進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),結(jié)果表明,槽鋼經(jīng)歷設(shè)計(jì)荷載下低周反復(fù)加載試驗(yàn)后不影響其工作性能。

本文主要對(duì)某三種型號(hào)規(guī)格的熱軋帶齒錨固鋼槽預(yù)埋試件直接進(jìn)行靜力加載試驗(yàn);加載方式采用長(zhǎng)鋼槽試件模擬實(shí)際工作狀態(tài);預(yù)埋試件的結(jié)構(gòu)也采用鋼筋混凝土而非素混凝土,真實(shí)模擬其承載錨固狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析,對(duì)其破壞形式進(jìn)行了深入地機(jī)理分析,以期探尋帶齒錨固鋼槽的承載力性能,提出改善性能的措施。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

選取三種型號(hào)規(guī)格的熱軋帶齒錨固鋼槽,以及與之相匹配的帶齒T型螺栓緊固件作為試驗(yàn)試件,該試件參數(shù)和示意詳見(jiàn)表1和圖1,鋼槽屈服強(qiáng)度為460 MPa,抗拉強(qiáng)度為474 MPa。將鋼槽按要求預(yù)埋在鋼筋混凝土墻體內(nèi)(圖2)。鋼筋混凝土墻體配筋及所用材料參數(shù)詳見(jiàn)圖2和表2。為了方便試驗(yàn)加載和增加墻體剛度,設(shè)計(jì)了扶壁式翼墻和底板(圖3)。在鋼槽每根錨腿兩個(gè)側(cè)面的中間位置粘貼應(yīng)變片,在鋼槽槽體下表面每?jī)筛^腿的中間位置粘貼應(yīng)變片,以期測(cè)得不同荷載工況下鋼槽的受力及變形特征。

1.2 加載制度和加載方法

在完成試件安裝、混凝土墻體澆筑和養(yǎng)護(hù)后,按合適的扭矩值擰緊帶齒T型螺栓,其扭矩值依據(jù)高強(qiáng)度螺栓及螺母施工最大扭矩推薦值選用;然后進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),其加載工況共有兩種,即進(jìn)行沿縱向剪切承載力和垂向拉拔承載力試驗(yàn)。各種加載工況的荷載方式、作用點(diǎn)和方向詳見(jiàn)表3和圖3。

表1試件規(guī)格參數(shù)

Table 1 Specimen specification parameters

圖1 試件示意圖Fig.1 Specimen schematic diagram

圖2 鋼筋混凝土墻體配筋圖(單位:mm)Fig.2 Reinforcement diagram of reinforced concrete wall with the channels (Unit:mm)

表2墻體材料參數(shù)

Table 2 Material parameters of RC wall

表3各加載工況的荷載方式

Table 3 Load modes under different load cases

圖3 試件加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

每種加載工況的加載步驟均為:①預(yù)加載至20 kN,再卸載至0 kN;②正式加載,從0 kN開(kāi)始連續(xù)、均勻、緩慢一直加載至試件破壞。預(yù)加載的目的是檢查儀器儀表安裝質(zhì)量和試件及裝置在承受較小荷載受力時(shí)的狀態(tài)滿足要求。

靜力加載試驗(yàn)采用千斤頂進(jìn)行單調(diào)靜力加載,通過(guò)千斤頂、螺桿、套筒、連接件、鋼橫梁和T型螺栓,將沿縱向剪切荷載和垂向拉拔荷載作用到帶齒錨固鋼槽指定的加載位置上。沿縱向剪切加載和垂向拉拔加載試驗(yàn)詳見(jiàn)圖4和圖5。

1.3 測(cè)試方法

在沿縱向剪切加載和垂向拉拔加載時(shí),用1個(gè)量程為300 kN的荷載傳感器(BLR-1-30t)測(cè)量千斤頂施加的剪切荷載和拉拔荷載;用1個(gè)量程為100 mm的位移傳感器(NS-WY02)測(cè)量帶齒T型螺栓沿剪切荷載作用方向的剪切位移D1;用2個(gè)量程為100 mm的位移傳感器(NS-WY02)同時(shí)測(cè)量帶齒T型螺栓沿拉拔荷載作用方向的拉拔位移D2。

同時(shí),在本試驗(yàn)中,用應(yīng)變片S1～S14測(cè)量帶齒錨固鋼槽槽體和錨腿在加載過(guò)程中的應(yīng)變反應(yīng)。上述測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在單調(diào)靜力加載過(guò)程中,所有樣品試件都發(fā)生了程度不一的破壞,并且可觀測(cè)各個(gè)樣品試件的破壞模式、極限破壞荷載以及相應(yīng)的破壞位移。

帶齒錨固鋼槽承載力性能試驗(yàn)結(jié)果匯總詳見(jiàn)表4。

表4試驗(yàn)結(jié)果匯總

Table 4 Summary of test results

工況1的三種型號(hào)規(guī)格試件(1#、2#、3#試件)的破壞形式都是帶齒錨固鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)的鋸齒被T型螺栓剪切磨平,鋼槽卷邊外側(cè)表面在滑移范圍內(nèi)有明顯的摩擦起皮現(xiàn)象,使得T型螺栓和鋼槽內(nèi)側(cè)接觸位置的咬合、摩擦作用大大削弱,從而咬合失效,突然發(fā)生滑移,同時(shí)T型螺栓墊圈發(fā)生程度不一的變形,如圖6所示。

圖6 工況1各試件破壞情況Fig.6 Failure modes under load case 1

工況2的三種型號(hào)規(guī)格試件(1#、2#、3#試件)的破壞形式都是T型螺栓將帶齒錨固鋼槽卷邊咬出一個(gè)缺口,T型螺栓再?gòu)拇巳笨谔幈话纬?槽體卷邊發(fā)生咬邊破壞(呈外翻狀),T型螺栓作用點(diǎn)處鋼槽沿受力方向起拱變形明顯,使得鋼槽兩側(cè)混凝土大范圍開(kāi)裂、剝落(圖7)。

圖7 工況2各試件破壞情況Fig.7 Failure modes under load case 2

2.2 鋼槽承載力性能分析

根據(jù)承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出三種型號(hào)規(guī)格試件(1#、2#、3#試件)分別在工況1和工況2作用下的荷載-位移曲線。圖8是工況1各個(gè)試件在縱向剪切荷載作用下的荷載-位移曲線,圖9是工況2各個(gè)試件在拉拔荷載作用下的荷載-位移曲線。

圖8 工況1試件荷載-位移曲線Fig.8 Load-deformation curve under load case 1

圖9 工況2試件荷載-位移曲線Fig.9 Load-deformation curve under load case 2

對(duì)比分析三種不同型號(hào)規(guī)格試件(試件1#、2#、3#)在工況1和工況2作用下的荷載-位移曲線,可以發(fā)現(xiàn):

(1) 在工況1下,三種不同型號(hào)的試件在縱向剪切荷載未達(dá)到約20 kN時(shí),T型螺栓未發(fā)生相應(yīng)的剪切位移,這是因?yàn)閹XT型螺栓的預(yù)緊力一開(kāi)始限制了剪切滑移的發(fā)展,T型螺栓與帶齒錨固鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)的咬合、摩擦作用使得剪切位移很小;隨著剪切荷載增大,剪切位移出現(xiàn)增長(zhǎng),兩者呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。在達(dá)到極限承載力后,咬合作用失效,荷載迅速下降。結(jié)果表明,鋸齒的尺寸效應(yīng)增加了鋼槽槽體的韌性,規(guī)格尺寸較小的試件能較好地保持剪切能力(曲線中咬合失效后的強(qiáng)化階段)。

(2) 在工況2作用下,隨著拉拔荷載的逐漸增加,三種型號(hào)試件相應(yīng)的拉拔位移表現(xiàn)出顯著地快慢不一的變化,鋼槽卷邊出現(xiàn)了均勻、緩慢的剛度退化現(xiàn)象。這是因?yàn)槿N錨固鋼槽壁厚的影響導(dǎo)致其剛度不同。達(dá)到極限承載力后,各試件的承載能力出現(xiàn)緩慢下降,隨之鋼槽槽體出現(xiàn)起拱變形,鋼槽周邊混凝土大范圍開(kāi)裂、剝落。

(3) 此類特殊型面產(chǎn)品的極限承載力試驗(yàn)值,規(guī)格尺寸最大的試件1#為100.30 kN,試件2#為103.48 kN,試件3#為53.48 kN?？紤]安全系數(shù)取2.0,則在混凝土強(qiáng)度及配筋方式與本文試件設(shè)計(jì)相同時(shí),正常使用狀態(tài)下荷載限值,試件1#為50.00 kN,試件2#為50.00 kN,試件3#為25.00 kN。

(4) 試件2#相較于試件1#和試件3#在靜力加載試驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的工作性能。這是因?yàn)樵嚰?#尺寸最大,表現(xiàn)出較嚴(yán)重的脆性破壞;試件3#尺寸最小,出現(xiàn)剛度不足、承載能力不足的現(xiàn)象;唯獨(dú)尺寸適中的試件2#與墻體錨固工作穩(wěn)定,表現(xiàn)出較好的延性和承載能力。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中宜根據(jù)混凝土強(qiáng)度及配筋方式,配置合適規(guī)格尺寸的鋼槽錨固件,以實(shí)現(xiàn)合理承載能力的同時(shí),確保其極限狀態(tài)下的良好性能。

2.3 鋼槽應(yīng)變分析

圖10-圖13為工況1和工況2各型號(hào)試件槽體與錨腿處峰值應(yīng)變隨距離原點(diǎn)位置遠(yuǎn)近的變化規(guī)律。圖中以鋼槽第1個(gè)錨腿所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn),從鋼槽左端指向右端為正方向,以此來(lái)表達(dá)在荷載作用下距離作用點(diǎn)不同位置的受力情況。峰值應(yīng)變由同一部位(槽體或錨腿)的不同位置測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)值的最大值取得,反映的是預(yù)埋在鋼筋混凝土墻體內(nèi)槽體和錨腿的受力后內(nèi)力及變形分布狀態(tài),對(duì)于在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

圖10 工況1試件槽體應(yīng)變Fig.10 Strain of tank under load case 1

圖11 工況1試件錨腿應(yīng)變Fig.11 Strain of anchor leg under load case 1

圖12 工況2試件槽體應(yīng)變Fig.12 Strain of tank under load case 2

觀察上述應(yīng)變分布曲線,可以發(fā)現(xiàn):

(1) 在縱向剪切荷載作用下,槽體和錨腿處的峰值應(yīng)變隨著距離作用點(diǎn)位置的增大而先增大再減小,其中距離加載點(diǎn)兩個(gè)錨腿處的槽體應(yīng)變峰值與最大峰值應(yīng)變相比較小,錨腿應(yīng)變峰值則更小。

(2) 在垂向拉拔荷載作用下,在荷載作用點(diǎn)處的槽體和錨腿應(yīng)變最大,然后向兩邊遠(yuǎn)端迅速遞減。無(wú)論槽體或是錨腿,距離拉拔荷載作用點(diǎn)一個(gè)半錨腿間距處的峰值應(yīng)變均接近于0με。

圖13 工況2試件錨腿應(yīng)變Fig.13 Strain of anchor leg under load case 2

(3) 鋼槽屈服應(yīng)變?yōu)? 233με。除工況2拉拔荷載作用點(diǎn)處鋼槽起拱屈服破壞之外,其他位置處的峰值應(yīng)變最大的僅為屈服應(yīng)變的54.0%;在工況1中,在T型螺栓出現(xiàn)剪切滑移之后,槽體和錨腿的應(yīng)變也非常小,仍保持著良好的彈性性能。

2.4 試件破壞機(jī)理與改善性能的措施

試驗(yàn)結(jié)果表明,三種型號(hào)規(guī)格的試件在工況1、工況2下破壞形式一致。工況1在縱向剪切加載下發(fā)生鋼槽卷邊齒磨平以及工況2在垂向拉拔加載下發(fā)生鋼槽卷邊咬邊,這兩種工況下的破壞形式與既有研究的鋼槽破壞形式基本類似。兩種工況下的破壞機(jī)理如下:

(1) 在縱向剪切荷載作用下,帶齒T型螺栓的預(yù)緊力使得螺栓頭與鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)的咬合作用增大,螺栓存在初始滑移荷載。隨著縱向剪切力逐漸增大直至超過(guò)初始滑移荷載而咬合失效,螺栓開(kāi)始發(fā)生滑移。當(dāng)剪切荷載增大至一定程度時(shí),鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)的齒和螺栓頭的齒被剪切磨平,荷載急速下降,滑移持續(xù)增大,但仍可承受一定的荷載,并隨著新的齒受力、磨平出現(xiàn)承載力強(qiáng)化階段,直至螺栓出現(xiàn)松動(dòng)一直滑移到鋼槽端部。

(2) 在垂向拉拔荷載作用下,一方面,由于鋼槽卷邊壁厚不足,導(dǎo)致槽體剛度不足以抵抗T型螺栓的拉拔力;另一方面,由于該鋼槽配套的T型螺栓頭形狀是平行四邊形,與鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)接觸面積較小,導(dǎo)致接觸區(qū)域的局部應(yīng)力很大,超過(guò)鋼槽材料剪切強(qiáng)度,最終發(fā)生鋼槽卷邊咬邊破壞。

根據(jù)對(duì)上述破壞形式機(jī)理的分析,提出改善帶齒錨固鋼槽承載力性能的措施如下:

(1) 鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)的齒距與螺栓頭的齒距比較適中時(shí)(本試驗(yàn)中極限剪切力最大的型號(hào)齒距3 mm),承載力性能最佳。

(2) 優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼槽錨腿間距s、帶肋錨腿表面肋高以及錨腿長(zhǎng)度H。

(3) 鋼槽錨腿在設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)盡可能地靠近結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力鋼筋,使得錨腿處混凝土與鋼筋共同受力,改善鋼槽錨固性能。

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了三種型號(hào)的帶齒錨固鋼槽極限承載力性能試驗(yàn),通過(guò)分析試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù),可以得到以下結(jié)論:

(1) 在單調(diào)靜力加載過(guò)程中,獲得了三種型號(hào)規(guī)格樣品試件的破壞模式、極限破壞荷載以及相應(yīng)的破壞位移。此類特殊型面產(chǎn)品的極限承載力試驗(yàn)值,規(guī)格尺寸最大的試件1#為100.30 kN,試件2#為103.48 kN,試件3#為53.48 kN。考慮安全系數(shù)取2.0,則在混凝土強(qiáng)度及配筋方式與本文試件設(shè)計(jì)相同時(shí),正常使用狀態(tài)下限值,試件1#為50.00 kN,試件2#為50.00 kN,試件3#為25.00 kN。

(2) 在工況1和工況2試驗(yàn)中,三種不同型號(hào)的試件均未出現(xiàn)粘結(jié)錨固破壞,而是出現(xiàn)鋼槽卷邊齒被剪切磨平和鋼槽卷邊咬邊破壞。T型螺栓端頭與鋼槽卷邊接觸面積較小是主要原因。建議結(jié)合破壞模式對(duì)錨固鋼槽和T型螺栓尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3) 在縱向剪切加載和垂向拉拔加載過(guò)程中,隨著與受力點(diǎn)的距離增大,鋼槽槽體和錨腿的受力明顯減小,最遠(yuǎn)端的預(yù)埋錨腿基本不受力,還有較大的富余度。因此,帶齒錨固鋼槽可在多點(diǎn)錨固荷載作用下表現(xiàn)出良好的工作性能,以充分發(fā)揮錨腿與混凝土之間的粘結(jié)錨固作用,體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性,并改善承載力性能。

(4) 根據(jù)試件破壞機(jī)理分析,提出一些關(guān)鍵參數(shù),諸如鋼槽卷邊內(nèi)側(cè)齒距、螺栓頭齒距、鋼槽錨腿間距s、帶肋錨腿表面肋高、錨腿長(zhǎng)度H等。上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)帶齒錨固鋼槽承載力性能的影響分析有待于進(jìn)一步深入研究。

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