预埋式槽型锚轨抗拔及抗剪性能试验研究

张世卓 周德源 付宗超 李永超

(同济大学结构工程与防灾研究所， 上海 200092)

预埋式槽型锚轨抗拔及抗剪性能试验研究

张世卓*周德源 付宗超 李永超

(同济大学结构工程与防灾研究所， 上海 200092)

以研究素混凝土中的预埋式槽型锚轨抗拔及抗剪性能为目的，对34个试件分别进行了垂直拉拔、横向受剪和纵向受剪试验，得到了不同受力工况下的开裂荷载、破坏荷载及荷载位移曲线，分析了试件的脆性破坏特征和破坏机理。试验结果和分析表明：素混凝土中预埋式槽型锚轨试件的主要破坏模式为混凝土的受拉脆性破坏，开裂位移小而开裂荷载大，荷载位移曲线下降段坡度较陡，试件承载力偏低且延性较差。最后根据试验结果并参照德国哈芬公司的产品标准，给出了该系列产品的正常工作允许荷载建议值并提出了改善试件受力性能的建议。

预埋式槽型锚轨， 抗拔承载力， 抗剪承载力， 破坏模式

1 引 言

在钢筋混凝土工程中，因为建筑装饰或设备安装的需要，预埋件被广泛地使用。作为非结构构件的连接件，其受力性能的可靠性不容轻视。在实际工程中，预埋件施工已成为整个工程的关键工序，直接影响整个工程的质量和工期。一般地，一项工程中所需的预埋件往往数量多、规格多、位置要求准确，在施工中容易发生漏放、错放的现象，给整个工程造成永久性的质量缺陷，所以具有设计简单、施工方便、性能可靠、机动灵活等优点的预埋式槽型锚轨受到人们的青睐。

但目前预埋式槽型锚轨在我国并未得到普遍应用，究其原因，还是因为该型预埋件与我国传统预埋件差别较大，受力状态复杂[1-3]，目前国内对其受力性能的研究较少。然而值得一提的是，国内不少学者对后锚固技术都有研究[4-5]，其研究方法值得在进行预埋式槽型锚轨研究时借鉴。在这方面，欧洲已做了较为系统的研究，欧洲规范DD CEN/TS 1992-4-3：2009[6]较为详尽地给出了其在受拉、横向受剪情况下的设计规定，但未能给出预埋式槽型锚轨纵向受剪(即沿锚轨轴线方向)的相关规定。在国内，文献[7-9]对德国某公司生产的预埋式槽型锚轨的抗拔性能及在混凝土预开裂下的抗震性能进行过试验研究。综上所述，关于预埋式槽型锚轨的研究仍有许多工作留待后续完成。

本文对垂直拉拔、横向受剪和纵向受剪三种荷载工况下的共计34个预埋式槽型锚轨试件进行了试验研究。不同混凝土试件中埋置有不同规格型号的锚轨，具体还分为埋置单个锚轨或两个锚轨、单个荷载点或多个荷载点加载等不同情况，从而模拟实际工程中各种不同的使用条件。根据试验所得结果，本文分析了钢槽锚轨的抗拔、抗剪性能及其破坏特征和破坏机理。

2 试验概况

2.1 试件设计

本次试验共设计10种试验工况，涉及4款CTA-G48/28钢槽锚轨，即CTA-G48/28-220/2，CTA-G48/28-370/3，CTA-G48/28-170/2，CTA-G48/28-230/2。以CTA-G48/28-220/2为例，钢槽锚轨名称的含义是该款试件为CTA系列热镀锌的钢槽锚轨，钢槽宽度为48 mm，高度为28 mm，长度为220 mm，锚轨带有2根锚钉，其形状如图1(a)所示。钢槽采用的是Q235C型钢材，锚钉采用30#钢。与钢槽连接的方母型号为CB-48/28，螺栓为M16。试验工况根据预埋件款型、数量、受力方式的不同分为10种工况，其具体编号见表1。由表1可见，每种试验工况制作了3个或5个相同的试件。以1号试验工况为例，共制作了5个相同的试件，在试验中又具体编号为1—1,1—2至1—5以便记录区别。

各试件的混凝土强度等级均为C30，在锚轨高度范围内为素混凝土，仅在锚钉以下的混凝土底部配置牌号为HPB300的普通钢筋，箍筋配置为φ8@150，这样设置是为了防止混凝土试件在养护和吊装时发生开裂。在浇筑混凝土时，需用钢丝绑扎固定锚轨位置，并用塑料填满钢槽空隙以免混凝土贯入，如图1(b)所示。经实测，混凝土立方体抗压强度均值为32.67 MPa，需对混凝土开裂破坏试件的极限荷载进行修正，换算系数(30.0/32.67)0.5=0.9583，即本次试验所得到的破坏荷载需要乘以上述换算系数进行修正。

图1 试件照片

表1 试件规格

Table 1 Specimen specification

2.2 试验装置和加载制度

试验加载装置如图2所示。试验过程中通过加载端板对嵌入锚轨内的螺栓施加荷载，试件由两侧的型钢梁进行固定。本次试验为单调静载试验，采用千斤顶逐级施加荷载，并通过压力传感器及油泵控制加载速率；试验过程中采用DH3815型数据采集系统自动采集试验数据(荷载、位移等)，采集时间间隔为1 s。

本次试验加载按照BS 5080—1∶1993[10]中规定的加载程序进行：在正式加载之前先对整套试验装置施加预估破坏荷载5%的初始荷载，使各连接件之间建立平稳的接触，检查仪器是否工作正常。然后释放预加荷载，开始进行连续加载，从零开始均匀连续加载至试件破坏。试验加载每分钟的加荷速率取为锚栓预估破坏荷载的25%，当荷载达到试件的工作荷载、两倍工作荷载时，分别持续2 min观测记录试验现象。拉拔试验中共布置两个位移计，考虑到试验工程中是通过加载端板对嵌入锚轨内的螺栓施加荷载，且制作的加载端板相对刚度很大，故本次试验尽可能将两个位移计布置在加载端板上，位移计布置如图3所示。对于加载板较小或仪器布置空间不足等情况，采取在加载端板上粘结水平玻璃片等方法。剪切试验中也布置两个位移计，均布置在加载千斤顶与加载端板连接的水平钢板上如图3所示。因试块本身在试验中的位移可以忽略不计，故不再在混凝土上布置位移计。

图2 试验加载装置

图3 位移计布置示例图

3 试验结果及分析

3.1 试件破坏模式

本次试验分为垂直拉拔、横向受剪和纵向受剪三种受力工况，每种受力工况中试件的破坏形态各不相同。

对于垂直拉拔试验，试件的破坏模式均为混凝土的受拉脆性破坏，表现为在临近极限荷载时裂缝迅速开展贯通，随后混凝土块被整体拔出，而钢槽本身在试验结束后均基本完好，槽身及槽齿部分未发生明显变形，其破坏形态如图4(a)所示。

对于横向剪切试验，试件的破坏模式均为混凝土的受剪脆性破坏，其破坏形态与垂直拉拔试验的破坏形态相似，最终破坏均为裂缝迅速贯通，混凝土块被整体拉出而破坏，其破坏形态如图4(b)所示。不同的是在横向受剪试验中，小边距试件在达到破坏荷载后短暂卸载，随后承载力再次增加并超过破坏荷载。这是因为钢槽变形较大时，锚固在混凝土内部的锚钉开始对钢槽的变形产生约束作用，使得钢槽能够继续承载，但是此时混凝土已经严重开裂，钢槽的变形位移也较大，因此将试件荷载位移曲线第一个峰值所对应的荷载作为此类试件的极限荷载。

对于纵向剪切试验，试件的破坏模式有三种即混凝土的受剪脆性破坏、钢槽与方母的钢齿间的滑移破坏和钢槽与方母的钢齿间的剃齿破坏，其破坏形态如图4(c)、图4(d)所示。对于小边距情况，素混凝土的锥体破坏荷载小于槽齿的抗剪承载力，则表现为混凝土的受剪脆性破坏。若连接钢槽和方母的螺栓的预紧力较小或钢齿强度不足，钢槽与方母间的咬合力小于混凝土的破坏荷载，则表现为钢槽与方母的钢齿间的滑移破坏及剃齿破坏。

图4 试件破坏形态

3.2 荷载—位移曲线

因试件本身在加载过程中的位移相对可以忽略不计，故只将位移计布置在加载端板上是可行的。试件的荷载—位移曲线中的位移值取两个测点处的平均值。以3号、7号和8号试验工况为例，图5(a)为3号试验工况的3个垂直拉拔试件的荷载—位移曲线,图5(b)为7号试验工况的3个横向剪切试件的荷载—位移曲线，图5(c)为8号试验工况的3个纵向剪切试件的荷载—位移曲线。由得到的荷载—位移曲线可见，在垂直拉拔、横向剪切和纵向剪切受力工况中，试件均表现为明显的脆性破坏，其整个发展趋势可以大体分为以下三个阶段：弹性变形阶段，即1倍工作荷载之前，位移随荷载增大呈线性变化，试件具有良好的使用性能并且无混凝土开裂的现象，此时钢槽锚轨位移非常小；弹塑性变形阶段，即1倍工作荷载至极限破坏荷载之间，位移随着荷载增大较快增加，荷载—位移曲线趋于平缓，试件所形成的新裂缝快速开展并很快贯通，此时钢槽已明显与混凝土剥离；卸载段，达到极限破坏荷载后，混凝土锥体被拉出或钢齿间产生破坏，试件无法继续承载，表现为荷载陡然下降，位移增加，荷载—位移曲线表现为斜率为负值。

图5 荷载-位移曲线

3.3 试件受力性能分析

根据垂直拉拔、横向受剪及纵向受剪三种受力工况的试验结果来看，试件破坏均属于脆性破坏类型。在垂直拉拔受力工况下,小边距试件极限荷载位移Δp仅为1.2～2.2 mm，开裂位移则为(0.2～0.4)Δp，而开裂荷载为(0.45～0.7)Fp(极限荷载)，即试件开裂位移小而开裂荷载大。试验现象表现为试件一旦开裂，裂缝便较快发展，在临近破坏荷载时裂缝迅速贯通并发生清脆巨响，锥形混凝土块被整块掀起。试件达到极限荷载后便快速卸载，荷载位移曲线下降段坡度较陡(图5(a))。在横向受剪和纵向受剪受力工况下，小边距试件极限荷载位移Δp为5.0～7.6 mm，开裂位移仍为(0.2～0.4)Δp，而开裂荷载为(0.45～0.6)Fp，与垂直拉拔试件相比，受剪试件延性有所提高，但试件的开裂位移仍然较小而开裂荷载较大。试验现象与垂直拉拔试件相似，大部分试件破坏模式仍为素混凝土的局部受拉破坏，荷载—位移曲线下降段坡度较陡(图5(b)、图5(c))，表现出较差的延性。

究其原因，主要是因为未配置补强钢筋。考虑到在实际工程中，一般的混凝土结构均配置有适量钢筋，混凝土能够与钢筋的协同作用可以防止试验中的局部脆性破坏现象，其承载力应较试验结果增长较多，试验所得承载力可以作为试件最小承载力的参考值。本次测试侧重于验证锚轨的安全性，在试验中，锚轨表现出良好的工作性能，大部分试件破坏时锚轨基本完好无损。对于纵向受剪的情况还可以通过提高连接锚轨和方母的螺栓的预紧力来进一步提高其承载力。综合来看，锚轨本身承载能力具有较高的富余。

根据本次试验结果，应对各型号槽式预埋件的工作荷载进行一定调整。参照德国哈芬产品的标准，引入综合安全系数γg，γg为极限破坏荷载与试件的允许工作荷载的比值，建议取为γg=2.5。取试件极限荷载的平均值作为该款槽式预件在此种工况下的极限荷载值，由此得到的各型号槽式埋件的建议工作荷载值如表2所示。

表2 试件建议工作荷载值

Table 2 Recommend values for working load

4 结 论

(1) 根据试验结果，试件在垂直拉拔和横向受剪工况下破坏模式均为混凝土受拉脆性破坏，锥体扩展角约为30°；试件在纵向受剪工况下破坏模式分为混凝土的受拉脆性破坏、钢齿滑移破坏和钢齿剃齿破坏。

(2) 根据试验所得的各试件的荷载—位移曲线，试件整体发展趋势可以大体分析三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和卸载阶段。

(3) 在垂直拉拔工况下，小边距试件开裂位移为(0.2～0.4)Δp(极限荷载位移)，而开裂荷载为(0.45～0.7)Fp(极限荷载)；在横向受剪和纵向受剪受力工况下，小边距试件开裂位移为(0.2～0.4)Δp，而开裂荷载为(0.45～0.6)Fp；试件开裂位移均较小而开裂荷载较大，试件一旦开裂后，裂缝便迅速发展并较快达到极限承载力，表现出明显的脆性破坏特征。

(4) 试验结果表明，试件普遍承载力较低，延性较差，而锚轨本身强度较高，性能较好。建议在实际使用中配置适量钢筋，这样可以充分利用混凝土的良好抗压性能及锚轨的高强特性，从而提高试件的承载能力和变形能力。

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Test Study on Tensile and Shear Behavior of Cast-in Channels

ZHANG Shizhuo*ZHOU Deyuan FU Zongchao LI Yongchao

(Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In order to study the tensile and shear behavior of cast-in channels embedded in plain concrete, 34 specimens were tested under tensile forces, lateral shear forces and longitudinal shear forces. The cracking load, failure load and load-displacement curves of cast-in channels under different forces were obtained. The brittle fracture characteristic and failure mechanism of specimens were analyzed. It was found that the main failure mode of cast-in channels embedded in plain concrete is the tensile brittle fracture of concrete. The cracking displacement is small while the cracking load is relatively large. The descent part of load-displacement curves are steeper. The bearing capacity of specimens is low and the ductility is poor. According to the test results and the product standards of Halfen, this paper provides recommended values of working load and proposes recommendations to improve the behavior of cast-in channels.

cast-in channel, pulling-out bearing capacity, shearing capacity, failure mode

2014-03-03

*联系作者，Email: zszgetit@126.com