后锚固锚栓抗震性能检测技术研究与结果分析

2022-01-08臧凡周俊钧刘占清任建兴李泽文鲍亚楠郭庆杰

中国建材科技 2021年2期

臧凡周俊钧刘占清任建兴李泽文鲍亚楠郭庆杰

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京，100024）

0 引言

地震时非结构构件破坏会造成较严重的人员伤亡和巨大的财产损失。非结构构件包含建筑构件、固定装置、吊顶、幕墙和建筑附属设备等，大多数非结构构件需要通过锚栓与主体结构固定连接，地震时锚栓将受到由主体结构位移产生的拉力与剪力作用，后锚固锚栓的抗震性能对地震时确保人员安全和减小地震造成的财产损失至关重要。

因此，后锚固锚栓的抗震性能是否符合标准要求是地震区工程安全选用的重要技术指标。欧美规范只要通过其指定的测试，各种锚栓都能用于相关应用场合；我国规范对用于非结构构件连接的锚栓的适用范围做了规定，根据锚栓受力状态、锚栓类型、锚栓是否适用于开裂混凝土以及建筑抗震设防类别等进行选用。表1为各国后锚固规范介绍[1]。

表1 各国后锚固规范介绍

1 后锚固锚栓抗震性能相关规定

现行规范JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》[2]明确规定在抗震设防区用于结构构件连接时不允许使用位移控制式膨胀锚栓。后扩底锚栓和特殊倒锥形锚栓应用范围限制在抗震设防烈度8度（0.2g）及以下。化学锚栓抗震性能试验应符合现行标准JG/T 160-2017《混凝土用机械锚栓》[3]的规定。

现行规范GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》[4]明确规定，在抗震设防区的结构中，以及直接承受动力荷载的构件中，不得使用膨胀锚栓作为承重结构的连接件。当在抗震设防区承重结构中使用锚栓时，应采用后扩底锚栓或特殊倒锥形胶粘锚栓，且仅允许用于设防烈度不高于8度并建于Ⅰ、Ⅱ类场地的建筑物。用于抗震设防区承重结构或承受动力作用的锚栓，其性能应通过现行标准JG/T 160-2017的低周反复荷载作用或疲劳荷载作用的检验。

现行规范JG/T 160-2017中锚栓适用条件明确规定机械锚栓只有S类锚栓是可承受地震作用的锚栓，S类锚栓需通过本标准的抗震性能专项试验。

以上规范明确规定了应用到抗震设防区承受地震作用的化学锚栓和机械锚栓的抗震性能均需通过JG/T 160-2017的抗震性能专项试验。

2 后锚固锚栓抗震性能专项试验方案

2.1 试验用锚栓

本次试验方案选用模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓3种类型进行试验，通过型式检验的锚栓类型如表2所示。模扩底锚栓指在混凝土基材打完直孔后，在孔的底部再次扩孔，扩孔后的型腔与锚栓张开的键片构成互锁机构，实现后锚固连接。特殊倒锥形化学锚栓是由特殊倒锥形螺杆和锚固胶组成，通过锚固胶形成锚固作用的锚栓。自攻锚栓是通过锚栓外壁的齿牙切开混凝土从而与在混凝土上形成的螺纹状开口匹配完成锚固的。

表2 通过型式检验的锚栓类型

2.2 试验设备

本次试验采用两种型号设备，即国内首台单作用液压伺服作动器抗震试验台和双作用液压伺服作动器抗震试验台（见图1），其中单作用液压伺服作动器抗震试验台已取得发明专利1项，实用新型专利2项。单作用液压伺服作动器抗震试验台采用恒压伺服泵站，力值范围0-500kN，频率范围0.1-10Hz。双作用液压伺服作动器抗震试验台采用2个1000kN裂缝开合用伺服作动器，1个300kN双向伺服作动器，5个变形传感器，1套电液伺服三通道协调加载控制系统。试验台工装配筋混凝土构件长度最大2米，宽度最大1.5米；混凝土裂缝为自然开缝，裂缝可通过配筋的超高强度钢筋自由闭合（见图2）。

图1 双作用液压伺服作动器抗震试验台

图2 双作用液压伺服作动器抗震试验台现场工装

2.3 变幅脉动拉伸荷载性能试验方法与结果分析

2.3.1 试验方法

变幅脉动拉伸荷载性能试验时，用中等磨损钻头在抗拉强度为（30±5）MPa的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后扩展裂缝并保持裂缝宽度在0.5mm，沿锚栓轴线方向施加如表3所示的正弦拉向荷载50次，频率为0.1Hz。50次循环完成后扩展裂缝宽度并保持在0.8mm，施加表3所示的正弦荷载25次，频率为0.1Hz，直至循环结束。变幅脉动拉伸荷载如图3所示。上限荷载按标准中的规定取值。循环过程连续记录荷载、锚栓位移和裂缝宽度变化情况，记录第50次循环上限时的锚栓位移。循环加载完成后锚栓卸载，保持裂缝宽度等于0.8mm，对锚栓进行剩余承载力检测。

表3 变幅脉动拉伸荷载性能试验荷载、循环次数及裂缝宽度

图3 变幅脉动拉伸荷载示意图

2.3.2 结果分析

变幅脉动拉伸荷载性能试验结果如表4所示。经过变幅脉动拉伸荷载性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上拉伸基准试验抗拉承载力平均值相比分别下降了25%、15%、54%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。

表4 变幅脉动拉伸荷载性能试验结果

2.4 变幅往复剪切荷载性能试验方法与结果分析

2.4.1 试验方法

变幅往复剪切荷载性能试验时，用中等磨损钻头在抗拉强度为（30±5）MPa的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后扩展裂缝并保持裂缝宽度在0.8mm直至循环结束。沿裂缝走向对锚栓施加正弦往复剪切荷载，频率为0.1Hz，往复剪切荷载按标准中的规定取值。往复剪切荷载上限、循环次数如表5所示，变幅往复剪切荷载如图4所示。循环过程连续记录荷载、位移和裂缝宽度变化情况，记录第50次循环时锚栓位移的最大值。往复加载过程结束后锚栓卸载，保持0.8mm裂缝下测试剩余剪切承载力。

表5 变幅往复剪切荷载性能试验荷载、循环次数及裂缝宽度

图4 变幅往复剪切荷载性能示意图

2.4.2 结果分析

变幅往复剪切荷载性能试验结果如表6所示。经过变幅往复剪切荷载性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上剪切基准试验抗剪承载力平均值相比分别下降了2%、2%、11%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。

表6 变幅往复剪切荷载性能试验结果

2.5 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验方法与结果分析

2.5.1 试验方法

裂缝变幅往复开合拉伸性能试验时，用中等磨损钻头在抗拉强度为（30±5）MPa的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后对锚栓施加恒定拉伸荷载Nw1，Nw1荷载按标准中的规定取值。对裂缝两侧混凝土施加一定压力使裂缝初始宽度不大于0.05mm。控制裂缝进行正弦变幅往复开合，频率为0.1Hz，裂缝宽度、循环次数及拉伸荷载如表7、图5所示。第45次循环完成后，增加恒定拉伸荷载至Nw2，Nw2荷载按标准中的规定取值。循环过程中连续记录裂缝宽度、锚栓位移和拉伸荷载变化情况，记录第45次循环裂缝宽度0.5mm时锚栓位移。裂缝循环完成后闭合裂缝锚栓卸载，扩展裂缝宽度为0.8mm时对锚栓进行剩余承载力检测。

表7 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验荷载、循环次数及裂缝宽度

图5 裂缝变幅往复开合拉伸性能裂缝宽度示意图

2.5.2 结果分析

裂缝变幅往复开合拉伸性能试验结果如表8所示。经过裂缝变幅往复开合拉伸性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上拉伸基准试验抗拉承载力平均值相比分别下降了27%、16%、55%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。

表8 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验结果

3 抗震性能专项试验结果汇总与分析

对锚栓抗震性能专项测试的三项试验汇总分析后可以得知：

1）模扩底锚栓使用机械锁键原理进行锚固锁定，经抗震专项试验后，拉伸承载力下降分别为25%和27%，剪切承载力下降为2%。从锚栓承载力设计安全出发，模扩底锚栓在地震力作用下的抗拉承载力较低系数可取0.7，剪切承载力可取0.8。

2）特殊倒锥形化学锚栓使用锚固胶和倒锥形螺杆进行锚固锁定，经抗震专项试验后，拉伸承载力下降分别为15%和16%，剪切承载力下降为2%。从锚栓承载力设计安全出发，特殊倒锥形化学锚栓在地震力作用下的抗拉承载力较低系数可取0.8，剪切承载力可取0.8。

3）自攻锚栓使用通过锚栓外壁的齿牙切开混凝土从而与在混凝土上形成的螺纹状开口匹配完成锚固。经抗震专项试验后，拉伸承载力下降分别为54%和55%，剪切承载力下降为11%，承载力下降较大，因此建议自攻锚栓在地震作用下锚固承载力降低系数取较小值。

4 结论与建议

4.1 抗震性能专项试验结论

JG/T 160-2017中定义的S类抗震锚栓必须通过抗震性能专项测试。本文依据JG/T 160-2017的抗震专项性能试验方法，针对模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓分别进行了抗震性能专项试验。本文选用的模扩底锚栓和特殊倒锥形化学锚栓达到了标准中S类Ⅰ级的性能指标，自攻锚栓达到了标准中S类Ⅱ级的性能指标。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓经抗震专项试验后承载力降低较少，地震作用下锚固承载力较低系数可取较大值；自攻锚栓经抗震专项试验后承载力降低较大，地震作用下锚固承载力较低系数宜取较小值。