全螺紋高強(qiáng)錨栓錨固性能試驗(yàn)研究

陳俊，蔣恩浩，劉艷芝，龍士國(guó)，楊才千，許福，張白

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

錨栓連接件是預(yù)埋入混凝土或后置于已硬化混凝土中的鋼元件，用來將作用荷載傳遞到混凝土中[1]。一般錨栓要求底部設(shè)計(jì)錨板、端頭或彎鉤[1-3]，且錨固深度應(yīng)大于錨栓直徑的25倍[2-3]。相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了研究，Takiguchi等[4]試驗(yàn)研究表明，混凝土的開裂程度直接影響端頭錨栓受拉承載力，減少錨栓周圍混凝土開裂可以提高其錨固性能。Sonoda[5]、Hariyadi等[6]采用試驗(yàn)研究和模擬分析的方法研究了錨栓的受拉破壞模式。Saleem等[7]對(duì)受沖擊荷載作用的端頭錨栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)研究及理論分析，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其文中提出的理論分析模型的適用性。Delhomme等[8-9]研究表明，端板錨栓較直錨栓具有更大的錨固承載力，而直錨栓能夠體現(xiàn)其與混凝土的黏結(jié)性能。Wang等[10]對(duì)大直徑錨栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，建議采用開螺紋槽的錨栓。Obata等[11]研究了錨栓在較小邊距情況下的受拉破壞機(jī)理，采用線性斷裂力學(xué)理論方法分析混凝土的錐體破壞強(qiáng)度，其計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于規(guī)范中的計(jì)算值。Werner等[12]提出單根錨栓理想混凝土錐體破壞承載力計(jì)算方法(CCD法)。ACI318[1]和ACI349[13]中都給出了有關(guān)錨栓設(shè)計(jì)的方法。

錨栓連接件是將上部結(jié)構(gòu)的受力傳遞給混凝土基礎(chǔ)，其連接的可靠性是決定建筑安全的主要因素[3]。然而，中國(guó)現(xiàn)有規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)定，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[14]要求錨栓的錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]中錨桿的設(shè)計(jì)方法，而建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]又指出，錨桿的錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[16]中鋼筋錨固長(zhǎng)度的要求。同時(shí)，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]要求錨栓底部設(shè)計(jì)錨板、端頭或彎鉤，未能體現(xiàn)錨栓的黏結(jié)作用[8-9]，且混凝土保護(hù)層厚度較小時(shí)，側(cè)面易發(fā)生崩裂破壞[1]。為此，本文針對(duì)全螺紋高強(qiáng)錨栓的黏結(jié)錨固性能進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)研究，為中國(guó)相關(guān)錨栓設(shè)計(jì)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)修訂和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)選用8.8級(jí)全螺紋高強(qiáng)螺桿為基材(圖1)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)24組，共計(jì)48個(gè)試件，分別置于2個(gè)混凝土基礎(chǔ)上，主要參數(shù)見表1。

表1 試件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of specimens

注：試件z-163010和w-1610中z指直錨栓，w指端頭(同規(guī)格螺母)錨栓，16指錨固錨栓d為16 mm，30指直錨栓c為30 mm，10指錨栓la為10d；d為錨栓直徑；c為混凝土保護(hù)層厚度；la為錨栓錨固長(zhǎng)度；“∞”為混凝土保護(hù)層c相比錨栓直徑很大，不考慮c影響；Fu為高強(qiáng)錨栓材性試驗(yàn)值；F指錨栓極限受拉荷載。

圖1 全螺紋高強(qiáng)錨栓Fig.1 Full-thread high strength anchor

首先，對(duì)混凝土基礎(chǔ)配置的鋼筋進(jìn)行綁扎(圖2)和固定，預(yù)埋高強(qiáng)錨栓，然后，澆筑混凝土并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(圖3)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，砂為中砂，粗骨料為碎石。在澆筑混凝土?xí)r，分別留置2組標(biāo)準(zhǔn)試塊，進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)。

圖2 試件配筋、尺寸說明(單位：mm)Fig.2 Reinforcement arrangement and the size of

圖3 試件制作完成Fig.3 General view of the testing

1.2 材性實(shí)測(cè)

根據(jù)留置的標(biāo)準(zhǔn)試塊，測(cè)得28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為44.55 MPa。

1.3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)加載采用電動(dòng)液壓穿心千斤頂連續(xù)加載，在拉拔荷載達(dá)到高強(qiáng)錨栓預(yù)估極限承載力75%前，以10～15 kN/min勻速加載，之后，以5 kN/min緩慢加載，荷載采用500 kN穿心荷載傳感器進(jìn)行采集，試驗(yàn)的位移值取兩側(cè)位移計(jì)的平均值(如圖4)。

圖4 試驗(yàn)裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞模式

根據(jù)美國(guó)規(guī)范ACI-318給出的受拉錨栓破壞模式，試驗(yàn)錨栓破壞模式主要有錨栓拉斷(a)、錨栓滑移被拔出(b)、混凝土錐體破壞(c)、混合破壞(d)、和混凝土劈裂破壞(e)等，如圖5所示。

圖5 錨栓破壞模式Fig.5 Failure modes of a bonded

試驗(yàn)中，各試件破壞模式主要有錨栓拉斷、錨栓滑移被拔出、混凝土錐體破壞、混合破壞和劈裂破壞(見圖6)。

圖6 典型試件試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.6 Failure modes of the typical testing

2.2 錨栓類型對(duì)混凝土與錨栓錨固性能的影響

2.2.2 高強(qiáng)錨栓直徑的影響 單根受拉黏結(jié)型錨栓的平均黏結(jié)強(qiáng)度(拔斷試件為黏結(jié)應(yīng)力)，可以按式(1)計(jì)算。

τo=F/πdla

(1)

式中：τo為平均黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；F為高強(qiáng)錨栓的極限拉拔荷載，kN；d為高強(qiáng)錨栓直徑，mm；la為有效錨固長(zhǎng)度，mm。

直高強(qiáng)錨栓與混凝土發(fā)生黏結(jié)滑移破壞的黏結(jié)性能見表2。

表2 不同直徑下各試件的黏結(jié)性能Table 2 Bond property of the specimens with different bolt diameters

由表2可知，當(dāng)la=7d時(shí)，試件極限拉拔荷載隨高強(qiáng)錨栓d增大而增大，而τo隨d增加而下降，z-2007組和z-2407組的τo較z-1607組分別下降12.01%和21.75%。這是因?yàn)椋S著高強(qiáng)錨栓d增加，增大了與混凝土接觸面積，從而增強(qiáng)了高強(qiáng)錨栓的錨固強(qiáng)度，提高了試件極限拉拔荷載；但其相對(duì)黏結(jié)面積減小，導(dǎo)致平均黏結(jié)力降低。

2.2.3 高強(qiáng)錨栓錨固長(zhǎng)度的影響 從表2中高強(qiáng)錨栓直徑d為24mm的黏結(jié)性能可知，在la由7d增加到10d時(shí)，極限拉拔荷載隨la增加而增大，τo則隨la增加略有下降，因?yàn)殡S著la增加，高強(qiáng)錨栓與混凝土接觸面積增大，極限拉拔荷載增加，而黏結(jié)力在la上分布不均，導(dǎo)致平均τo降低。

各試件極限拉拔荷載(表1)在不同錨固長(zhǎng)度下la分布情況見圖8。由圖8(a)可知，直高強(qiáng)錨栓的F/Fu隨著la的增加而增大(7d到10d)，在la>10d后，基本不再增加，并趨于定值。由圖8(b)可知，當(dāng)端頭高強(qiáng)錨栓la=5d時(shí)，F(xiàn)/Fu為0.96，當(dāng)la=7d時(shí)，F(xiàn)/Fu為0.98，隨著la的增加，F(xiàn)/Fu有所增加，當(dāng)la增到10d時(shí)，F(xiàn)/Fu不再增加。由表1、圖7和圖8可知，端頭高強(qiáng)錨栓所需的有效錨固長(zhǎng)度均較直高強(qiáng)錨栓的小。

端頭高強(qiáng)錨栓極限拉拔荷載試驗(yàn)值與ACI-318[1]、CCD[12]和ACI-349[13]中關(guān)于受拉錨栓在不同混凝土等級(jí)中混凝土的抗崩裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的比較見圖9。

(2)

(3)

(4)

式中：Nb為錨栓受拉時(shí)混凝土錐體破壞承載力，kN；f′為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm；hef為有效錨固深度(同本文la)，mm；du為端頭直徑，mm。

圖8 不同錨固長(zhǎng)度下極限拉拔荷載分布Fig.8 Development of ultimate load anchorage length

圖9 試驗(yàn)值與相關(guān)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.9 Compared of ultimate tensile forces between tested

圖10 Fs曲線Fig.10 Tension-displacement

從圖9可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，受拉錨栓的混凝土抗崩裂強(qiáng)度也隨之增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，當(dāng)錨固長(zhǎng)度la=10d時(shí)，試驗(yàn)值均小于3種預(yù)測(cè)值，滿足錨栓受拉時(shí)混凝土不發(fā)生崩裂破壞要求。因此，端頭高強(qiáng)錨栓設(shè)計(jì)可借鑒ACI-349中相關(guān)設(shè)計(jì)方法，中國(guó)規(guī)范[2,14]中要求錨栓la>25d,過于保守。

2.3 混凝土保護(hù)層厚度對(duì)混凝土與高強(qiáng)錨栓錨固性能的影響分析

從試驗(yàn)結(jié)果可知，考慮混凝土保護(hù)層的高強(qiáng)錨栓試件均發(fā)生混凝土劈裂滑移破壞，側(cè)面混凝土開裂程度有所不同，錨固長(zhǎng)度為7d的試件組較錨固長(zhǎng)度為10d的試件組嚴(yán)重，這是因?yàn)?，混凝土基礎(chǔ)的配筋有效約束錨栓周圍混凝土，減緩其裂縫的開展。

2.3.1 極限拉拔荷載 圖11為c=30 mm試件和c=∞試件各極限拉拔荷載(表1)在不同錨固長(zhǎng)度la下的分布情況。由圖11知，c=30 mm試件的極限拉拔荷載隨la增加而增加，其增加速度較c=∞試件的快。在la=10d時(shí)，其極限拉拔荷載與c=∞試件的極限拉拔荷載兩者的平均值已基本接近。表明增加c能夠大幅度提高高強(qiáng)錨栓的極限拉拔荷載(la≤10d)，隨著la增加(la>10d)，其對(duì)其極限拉拔荷載的影響程度減弱。

2.3.2 黏結(jié)性能 按式(1)計(jì)算出各試件在不同錨固長(zhǎng)度la下的黏結(jié)強(qiáng)度(黏結(jié)應(yīng)力)τo見表3。

由表3可見，當(dāng)la=7d時(shí)，c=∞試件的τo均高于c=30 mm試件，直徑為16、20、24 mm的高強(qiáng)錨栓分別提高了52.77%、32.84%和35.15%。當(dāng)la=10d時(shí)，兩者τo增減幅度不明顯，說明增加la可以提高試件錨固性能，減少c對(duì)其錨固性能的影響。

c=30 mm試件τo隨著la增加而增加，當(dāng)la從7d增加到10d時(shí)，直徑為16、20、24 mm的高強(qiáng)錨栓的τo分別提高了7.6%、8.99%和23.97%。這是因?yàn)椋^固長(zhǎng)度較短(la=7d)時(shí)，試件周圍混凝土開裂較早，混凝土的抗拉強(qiáng)度未充分利用，導(dǎo)致其黏結(jié)強(qiáng)度較低，同時(shí)，隨著錨固長(zhǎng)度la增加，基礎(chǔ)混凝土的配筋增強(qiáng)了其抗裂能力，提高了高強(qiáng)錨栓的錨固承載力。

圖11 不同錨固長(zhǎng)度下極限拉拔荷載分布Fig.11 Development of ultimate load anchorage length

試件編號(hào)d/mmc/mmla/dla/mmτo/MPaz-16300716300711212.64z-160716∞0711219.31z-16301016301016013.60z-161016∞1016013.77z-20300720300714012.79z-200720∞0714016.99z-20301020301020013.94z-201020∞1020015.20z-24300724300716811.18z-240724∞0716815.11z-24301024301024013.86z-241024∞1024013.36

圖12為單位錨固長(zhǎng)度上黏結(jié)應(yīng)力系數(shù)β與高強(qiáng)錨栓相對(duì)錨固長(zhǎng)度la的關(guān)系曲線，其中，單位錨固長(zhǎng)度的黏結(jié)應(yīng)力系數(shù)β可按式(5)計(jì)算。

β=τo/(la/d)

(5)

分析圖12可知，c=∞試件和c=30 mm試件的β值均隨la增加而下降，且在la≤10d以內(nèi)，c=∞試件的β值均大于c=30 mm試件，隨著la的增加，其影響減小。這是因?yàn)閏較小，混凝土對(duì)試件握裹能力較差，易開裂。因此，增加c厚度，提高混凝土對(duì)高強(qiáng)錨栓環(huán)向約束作用，降低試件內(nèi)部混凝土裂縫的開展，提高其黏結(jié)錨固性能。

圖12 單位錨固長(zhǎng)度的黏結(jié)應(yīng)力系數(shù)β與la/d關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between bonding stress coefficient β in unit length and anchorage length

由表1、圖11、圖12可知，直高強(qiáng)錨栓的黏結(jié)力主要集中分布在la=10d以內(nèi)，中國(guó)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)[14-16]中要求錨栓錨固長(zhǎng)度應(yīng)滿足鋼筋錨固長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)要求過于保守。在滿足設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度條件下，在配筋的混凝土基礎(chǔ)中，直高強(qiáng)錨栓在混凝土c=30 mm左右時(shí)，既能滿足錨栓與混凝土間可靠黏結(jié)錨固，又可以避免側(cè)面混凝土發(fā)生爆裂破壞。

2.3.3 ACI-318中關(guān)于受拉錨栓邊緣距離的設(shè)計(jì)方法 圖13為不同直高強(qiáng)錨栓直徑試件的極限拉拔荷載試驗(yàn)值與ACI-318[1]中關(guān)于受拉錨栓在不同混凝土邊緣距離中混凝土的抗崩裂強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的比較。

(6)

圖13 試驗(yàn)值與相關(guān)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.13 Compared of ultimate tensile forces between tested results and predicated

從圖13看出，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，受拉錨栓的混凝土抗崩裂強(qiáng)度也隨之增加。c=30 mm試件中，高強(qiáng)錨栓直徑為16 mm時(shí)，其極限拉拔荷載低于設(shè)計(jì)預(yù)算值，但已基本達(dá)到預(yù)測(cè)值；高強(qiáng)錨栓直徑為20、24 mm時(shí)，其極限拉拔荷載均高于設(shè)計(jì)預(yù)算值，c=∞(大于150 mm)試件中，其極限拉拔荷載均低于預(yù)測(cè)值。

2.4 混凝土與高強(qiáng)錨栓黏結(jié)性能的能量分析

高強(qiáng)錨栓在受拉時(shí)與混凝土發(fā)生黏結(jié)破壞是一種能量耗散轉(zhuǎn)化的過程，在發(fā)生黏結(jié)破壞過程中，伴隨著能量消耗，在達(dá)到極限拉拔荷載破壞時(shí)，界面內(nèi)的能量消耗可按式(7)計(jì)算。

(7)

式中：S為錨栓的滑移值；D為破壞時(shí)錨栓界面單位面積的能量消耗。

圖14 不同直徑d下各試件耗能情況Fig.14 Energy dissipation of the specimen with different

按式(7)計(jì)算出各試件在不同錨固長(zhǎng)度la和混凝土保護(hù)層c下的能量耗散分布情況如圖14所示。由圖14知，高強(qiáng)錨栓直徑為16 mm時(shí)，c=30 mm試件耗能能力均低于c=∞試件；直徑為20 mm和24 mm的試件，在相同la時(shí)，c=∞試件耗能能力均高于c=30 mm試件，是因?yàn)閏較小時(shí)，混凝土開裂較早，繼續(xù)承擔(dān)的拉拔荷載少。直徑為16 mm，c=∞，且la=7d試件D值大于c=30 mm，且la=10d試件，這是因?yàn)閏=∞，且la=7d試件發(fā)生黏結(jié)界面滑移，在滑移破壞時(shí)混凝土未開裂破壞，能夠吸收較多的能量；其他試件D值均隨la的增加而增加。

3 結(jié)論

1)端頭高強(qiáng)錨栓試件均發(fā)生拉斷破壞，較直高強(qiáng)錨栓，端頭高強(qiáng)錨栓可有效減小其所需的錨固長(zhǎng)度。在配筋的混凝土基礎(chǔ)中，直高強(qiáng)錨栓可滿足混凝土保護(hù)層厚度c=30 mm左右時(shí)的錨栓設(shè)計(jì)需求。

2)直高強(qiáng)錨栓的黏結(jié)力主要集中分布在錨固長(zhǎng)度la=10d以內(nèi)，在發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí)，伴隨著能量耗散轉(zhuǎn)化，增加混凝土保護(hù)層厚度c和錨固長(zhǎng)度la均能提高高強(qiáng)錨栓的錨固性能和能量消耗能力。

3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了中國(guó)現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)錨栓的錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過于保守。建議對(duì)高強(qiáng)錨栓的錨固設(shè)計(jì)方法可借鑒ACI中關(guān)于錨栓的設(shè)計(jì)規(guī)定。