高温下植筋式后锚固群锚的抗剪性能试验研究

2021-09-08于洪军李凌志陆洲导

结构工程师 2021年3期

于洪军李凌志陆洲导苏磊

（同济大学结构防灾减灾工程系，上海200092）

0 引言

目前植筋式后锚固连接的受力性能研究主要集中在常温下抗拉拔、抗剪性能及高温下抗拉拔性能研究，对于高温下抗剪性能的研究很少。Ueda［1-2］通过双锚试验，发现试件大多发生混凝土边缘楔形体破坏，抗剪强度随边距和间距增加而提高，但小于单锚承载力之和。Zhang等［3］进行了弯剪受力下群锚的抗震性能试验，表明动力荷载作用下的荷载-位移曲线与静力曲线基本吻合。Eligehausen、Fuchs等［4-5］通过试验，发现锚栓的间距以及沿剪应力正方向的边距是影响双锚栓破坏形态的主要因素。李杰等［6］通过试验研究群锚在单向受剪下的性能，发现边距为5d时发生混凝土边缘楔形体破坏，边距不小于8d时发生锚栓剪断破坏；曹立金等［7］在总结国内外研究成果的基础上讨论了群锚抗剪承载力计算方法；苏磊等［8］通过对比试验、数值模拟及相关规范和技术手册中的推荐公式值，提出了群锚抗剪承载力计算的若干建议。然而，对于高温下植筋式后锚固连接的抗剪性能，至今未见有成果公布。鉴于国内外加固和改造的项目逐年增多，植筋式后锚固技术的应用将变得更加广泛，因此开展高温下植筋式后锚固连接抗剪性能的研究具有重要的科研意义和经济效益。

为了研究植筋式后锚固连接的抗剪性能，本文选取群锚结构进行研究，考虑锚栓的埋深、边距、间距及温度等因素的影响，对所有试件的锚栓施加剪切荷载，研究各因素对锚栓的破坏形式、极限承载力、刚度和延性的影响，重点关注高温对于植筋式后锚固连接的抗剪性能的影响程度。

1 常温与高温静载试验设计

1.1 试件概况

本试验采用直径为12 mm的8.8级高强螺栓设计4组共16个试件，试件采用相同的植筋深度10d，根据植筋的边距、间距以及高温试验的温度对试件命名，详见表1。基材混凝土为600 mm×500 mm×250 mm的长方体，设计强度等级为C30，钢筋保护层厚度均25 mm。加载板具体尺寸见表1，钢板强度为Q460。

表1 试件基本参数Table 1 Basic parameters of specimens

试件锚栓布置如图1所示。加载板和基材上的孔洞直径大小均为D=14 mm，加载板通过螺母和垫片与锚栓连接在一起。植筋胶采用氯氧镁水泥。

图1 群锚试件示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen with group anchors

1.2 材料力学性能

1.2.1 钢筋、锚栓及钢板材性

按照《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）对钢筋、钢板分别选用同批次材料制作材性试验试件，并在试验室进行拉伸试验。钢材力学性能见表2。

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical properties of steel

1.2.2 混凝土

混凝土采用商品混凝土，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB 50081—2002）进行试验，3个立方体试块实测的极限荷载和强度见表3。

表3 混凝土材料力学性能Table 3 Mechanical Properties of concrete

1.3 试验装置

考虑到锚栓剪切试验的要求，以及高温中抗剪试验的具体操作，根据高温试验炉的尺寸设计并制作了用于加载的锚栓抗剪试验装置。该装置主要由底座、上部支座和加载端三部分组成，如图2所示。

图2 试验装置Fig.2 Experiment equipment

1.4 常温下静载试验

常温下抗剪试验在同济大学耐久性试验室进行，所有试件采用500 kN万能试验机进行加载。试验加载采用位移控制，加载速率采用0.3 mm/min。当试件的荷载减小到实际峰值荷载的80%，或者试件的荷载突然快速下降时，试验停止。

1.5 高温下静载试验

高温下抗剪性能试验在同济大学工程结构抗火试验室进行。升温设备和加载装置相互独立，互不干扰。升温设备采用电阻炉作为抗剪加载试验电炉，将试验装置与试件一同放入试验炉中进行高温试验，试验炉的顶部有开口，便于加载端伸出。高温中的加载系统由反力架、千斤顶和手动油泵三部分组成，试件的加载方式如图3所示。采用恒温加载，当试验炉温上升到指定温度后，保持此温度1.5 h后开始加载。剪力由千斤顶提供，千斤顶采用手动液压油泵加载。试验采用分级加载方式，每级荷载为5 kN，持荷时间1 min。通过温度采集板收集试验过程中炉温及混凝土内部的温度数据。

图3 剪切试验设计图Fig.3 Design drawing of shear test

2 试验结果分析

2.1 常温下试验结果分析

2.1.1 破坏模式及裂缝开展

试件在常温下的破坏模式如图4所示。为便于描述，锚栓编号原则为沿试验加载方向，从后排到前排，从左往右，依次编号为1～4。

图4 常温下破坏模式Fig.4 Failure mode under normal temperature

1）试件E5S10

（1）1号锚栓被剪断，1号、2号锚栓之间出现宽度较小的劈裂裂缝，1号、2号锚栓周围出现多条放射状裂缝。

（2）3号、4号锚栓处发生混凝土破坏，两个锚栓略有弯曲，混凝土边缘楔形体破坏，两者之间发生混凝土劈裂破坏。

（3）基材底部形成闭合裂缝，右侧裂缝开展贴近支座位置，裂缝几乎扩展到整个基材厚度范围。

2）试件E5S16

（1）1号锚栓被剪断，1号、2号锚栓周围混凝土没有明显损坏。

（2）3号、4号锚栓处发生混凝土破坏，锚栓周围混凝土被压碎，锚栓之间出现劈裂裂缝。

（3）基材底部裂缝没有闭合，左右两侧裂缝几乎沿支座位置扩展，裂缝几乎扩展到整个基材厚度范围。

3）试件E8S10

（1）1号、2号锚栓处混凝土破坏严重，锚栓两侧出现向自由边扩展的斜向裂缝，角度接近3号、4号锚栓处裂缝扩展角度；1号、2号锚栓处还有放射状裂缝，两者之间出现劈裂裂缝。

（2）3号、4号锚栓处混凝土破坏严重，两者之间形成劈裂裂缝。

（3）基材底部形成闭合裂缝，左右两侧裂缝几乎沿支座位置扩展，裂缝几乎扩展到整个基材厚度范围。

4）试件E8S16

（1）1号、2号锚栓处发生混凝土破坏，两者之间出现劈裂裂缝，锚栓周围出现多条细小裂缝。

（2）2号锚栓被剪断，1号锚栓弯曲，两个锚栓周围没有混凝土被压碎现象发生。

（3）基材底部未形成闭合裂缝，裂缝扩展深度约为基材厚度的一半。

试件在常温下破坏模式总体类似：混凝土楔形体破坏或者混凝土破坏，锚栓剪断或者锚栓剪弯。对于有形成混凝土边缘楔形体的试件，一般其位移比只发生混凝土破坏的大。对于难以形成混凝土边缘楔形体的试件，一般其某个后排锚栓会发生剪断现象。试验结果见表4。

表4 试验结果对比Table 4 Comparison of test results

虽然锚栓处都出现斜裂缝或者形成楔形体，但是出现裂缝的顺序有先后，受力较大的锚栓周围会先出现裂缝。

2.1.2 荷载-位移关系分析

试件在常温下的荷载-位移曲线如图5所示。除E8S10剪切位移较大，其他试件均在下降段后期发生了由于锚栓剪断而引起的承载力突降现象。其中，E8S16的承载力最大，E5S10的承载力最小。

图5 常温下荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves under normal temperature

（1）相同边距条件下，E5S16比E5S10的承载力提高了25%，E8S16比E8S10的承载力增长率ξp大34%，表明在前排锚栓由于混凝土开裂丧失承载能力时，后排锚栓对试件的极限承载力贡献较大，这取决于后排锚栓周围混凝土对锚栓的约束能力。比较E8S10和E8S16的破坏模式可以看出，当边距为8d时，前者发生了混凝土楔形体破坏，可见其前排锚栓受力大于后者，而后者的承载力高于前者且发生了后排锚栓剪断，由此得出锚栓在边距为8d、间距为16d时可以保证群锚的性能充分发挥。

（2）相同间距条件下，E8S10比E5S10的承载力提高7%，E8S16比E5S16的承载力增长率ξp大16%，表明在群锚受力过程中，极限承载力并不完全由后排锚栓决定；前排锚栓在整个群锚受力过程中也发挥一定作用，其受到的约束越大，对极限承载力的贡献越高。

2.2 高温下试验结果分析

2.2.1 破坏模式及裂缝开展

高温试验在密闭的试验炉中进行，待试验结束温度下降后对试件的破坏形态进行观察。

1）试件E5S10

如图6所示，试件破坏后，后排锚栓处的加载板翘起，表明混凝土破坏后，后排锚栓因受剪而发生向外的拔出，未发生锚栓剪断现象。前后排锚栓处均形成了斜裂缝，同一排锚栓之间形成劈裂裂缝，基材底部均有分散的裂缝，但未形成完整的边缘楔形体。后排锚栓处有环向放射状裂缝。相比于常温情况，随着温度升高，试件的破坏模式由后排锚栓剪断、边缘楔形体破坏转变为混凝土破坏。

图6 E5S10高温破坏模式Fig.6 Failure mode of E5S10 under high temperature

2）试件E5S16

如图7所示，试件破坏后，加载板后部翘起，后排锚栓产生了拔出位移。高温试件均发生了混凝土边缘楔形体破坏。其中，E5S16-300的2号锚栓被剪断，E5S16-450的1号、2号锚栓均被剪断，E5S16-600未发生锚栓剪断现象。

图7 E5S16高温破坏模式Fig.7 Failure mode of E5S16 under high temperature

观察破坏现象可以发现：

（1）比较E5S16-20到E5S16-600的后排锚栓破坏情况，破坏模式从常温下基本没有破坏发展到600℃时严重破坏，这是由于温度升高导致混凝土材料性能下降，无法给后排锚栓提供足够的约束力，从而使得随温度升高试件的破坏模式由锚栓剪断转变为混凝土破坏。

（2）由于混凝土材性降低，后排锚栓的破坏模式由被剪断转变为混凝土破坏甚至剪撬破坏。

3）试件E8S10

如图8所示，试件破坏后，观察破坏现象可以发现：

图8 E8S10高温破坏模式Fig.8 Failure mode of E8S10 under high temperature

（1）加载板在后排锚栓处翘起，试件均未出现锚栓剪断现象，混凝土边缘楔形体发生了明显的剪切方向的位移。

（2）前排锚栓破坏现象类似，均出现了斜裂缝，且锚栓之间形成了劈裂裂缝。

（3）常温及高温下后排锚栓周围均出现了放射状裂缝，且后排锚栓处均出现了抗剪斜裂缝。

（4）由于温度升高导致混凝土材性降低，后排锚栓处均出现了明显的剪撬裂缝。

4）试件E8S16

如图9所示，试件破坏后，加载板后部翘起，后排锚栓产生拔出位移。其中，E8S16-300的2号锚栓被剪断，E8S16-450、E8S16-600均未发生锚栓剪断现象。

图9 E8S16高温破坏模式Fig.9 Failure mode of E8S16 under high temperature

观察破坏现象可以发现：

（1）前排锚栓破坏现象类似，均出现斜裂缝，且锚栓之间形成了劈裂裂缝。

（2）常温下后排锚栓周围几乎没有破坏，高温下后排锚栓周围均出现放射状裂缝。

（3）由于温度升高导致混凝土材性降低，E8S16-450和E8S16-600的后排锚栓处均出现明显的剪撬裂缝。

2.2.2 荷载-位移关系分析

试件在高温下的荷载-位移曲线如图10所示，具体有以下几个特征：

图10 高温下荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curves under high temperature

（1）与常温下相比，高温试件的荷载-剪切位移曲线上升段的斜率显著降低，600℃时斜率降低非常明显。

（2）试件的抗剪承载力随温度升高而下降，但是不同高温试件的抗剪承载力没有随温度增加出现显著的降低。

按照等效弹塑性体系计算规则，计算出各试件的等效刚度Ke、等效能量延性Ut列于表5。

表5 各试件的等效刚度和等效延性及其变化率Table 5 Equivalent stiffness，equivalent ductility and its variation ratio of each specimen

2.2.3 承载力

各试件抗剪承载力及其随温度的变化如图11所示。

图11 抗剪承载力随温度变化关系Fig.11 Relationship between shear resistance and temperature

（1）对于边距、间距和埋深相同的试件，其抗剪承载力随温度升高而显著降低。与常温相比，300℃、450℃和600℃时，各试件承载力降低率的平均值分别为19%、20%和27%。温度越高，承载力下降的幅度越大。

（2）在相同温度条件下对比E5S10和E5S16（或E810和E8S16），保持边距相同而增大间距，试件的承载力增长率范围分别是21%～31%（或23%～31%）。由此可见后排锚栓对提高群锚的承载力有较大影响。在边距相同时，间距越大，后排锚栓与自由边的距离越大，承载力越高。

（3）E5S10-500的承载力高于E5S10-400，分析是由于试验炉内部环境非密闭，导致两个试件的内部温度并未出现显著差异，E5S10-500的材料性能相比于E5S10-400没有发生显著削弱，导致前者承载力偏高。

2.2.4 抗剪刚度

对比表5和图12（a）中各试件的抗剪刚度及其随温度的变化，可发现如下规律：

图12 抗剪刚度、延性随温度变化关系Fig.12 Relationship between shear stiffness、ductility and temperature

（1）对于边距和间距相同的试件，锚栓的刚度随温度升高而降低，各试件在300℃、450℃和600℃时，抗剪刚度的降低率分别为65%、69%和83%，降低幅度较大。这主要是因为锚栓在高温中弹性模量明显下降。因此，高温会显著降低群锚的抗剪刚度；温度越高，刚度降低幅度越大。

（2）边距相同时，增大锚栓间距并不能显著提高试件刚度，考虑到基材体积较大，高温对混凝土材性的削弱有限，因此群锚试件刚度主要由锚栓在高温下的材料性能决定。

（3）各高温试件的刚度相比于常温试件均有显著降低。但同类试件，不同高温条件下的差别较小，个别试件刚度存在随温度升高反而增大的现象。分析是由于采用钼丝引出试验炉外测量位移，而试验炉上部需要用防火棉进行封堵，会对位移测量产生影响；另外，试件破坏时，剪切位移非常小，较小的干扰就会对结果产生显著影响。

2.2.5 延性

对比表5和图12（b）中各试件的延性及其随温度的变化，可发现如下规律：

（1）各试件的位移延性随着温度升高增长迅速，甚至达到常温下位移延性的数倍。一方面，虽然混凝土的变形能力非常有限，但锚栓延性在400℃～600℃时增长显著。另一方面，试件达到极限荷载时产生的斜裂缝穿过箍筋，即箍筋在之后的加载过程中会承担相当一部分剪切荷载，而高温中箍筋的延性也会增加。所以，高温下锚栓及箍筋延性的增加以及混凝土的开裂，共同导致了试件位移延性的提高。

（2）对于边距和间距相同的锚栓，延性随温度升高而增大。混凝土破坏一般为脆性破坏，高温条件下锚栓及基材内的配筋延性的增加使得试件的延性显著增长。