吊钉抗拔锚固性能试验研究及有限元分析

2022-02-10常世涛孙波魏树浩

智能建筑与智慧城市 2022年1期

常世涛，孙波，魏树浩

（北京市燕通建筑构件有限公司）

1 引言

预埋吊钉因其方便操作而受到广泛应用，然而目前国内没有对此类吊装配件的设计原则给予直接规定，对吊装配件的机理性研究相对较少。国内设计及分析大多根据《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013[1]中锚栓的计算方法，但在结构形式、尺寸以及施工方法上存在一定的差异[2]。吊装现场大多根据工程经验，以此会给工程施工带来部分隐患。本文对预埋在混凝土中的吊钉力学性能进行了试验研究，在此基础上，建立了相应的有限元分析模型，对预埋吊钉受力性能进行了分析。

2 试验设计

2.1 试件设计

试验共设计4个试件，置于4个混凝土板之上。其布置如图1a所示。吊钉高度为170mm，直径为14mm，顶部直径为25mm，底部直径为34mm，钢材采用S355J0基材（详细尺寸如图1b所示）。混凝土板尺寸为700mm×700mm×250mm，底部单层双向钢筋12＠150mm，钢筋强度等级为HRB400，保护层厚度30mm，混凝土强度为C40，吊钉埋深为140mm和100mm，试件主要参数见表1所示。

表1 试件主要参数

图1 吊钉尺寸及试件尺寸图

C40混凝土中水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级43MPa，粗骨料类型碎石，细骨料采用中砂，砂率为0.31，水灰比为0.39，设计配合比为m水：m水泥：m砂：m石子=0.39:1:1.29:2.88。在浇筑混凝土时，留置1组混凝土标准试块，并进行同条件养护。测得混凝土立方体抗压强度平均值分别为48.2MPa。采用标准试验方法针对吊钉钢材进行拉伸试验，钢材的屈服强度为429MPa、抗拉强度556MPa，延伸率为29%。

2.2 加载方案

试验加载采用自平衡装置。加载装置采用ZY型锚杆拉力机加载，加载设备量程为300kN。采用荷载大小控制方法分级加载。抗拔试验装置中，为避免1.5倍埋深范围内的混凝土受影响。

试验为单向静力加载，在加载前，先施加一个不超过预估极限荷载5%的预加荷载，消除试验装置或紧固件间的空隙，每级荷载值取为各组试件预估极限荷载的10%，当混凝土发生崩裂、吊钉拉断或者千斤顶无法持荷时，表明试件破坏，停止试验（见图2）。

图2 抗拔试验装置

2.3 量测内容

试验中测量了加载点的荷载大小F和吊钉位移变化s，加载点荷载大小通过千斤顶数字显示器直接读取，吊钉位移变化通过百分表量测，百分表量程为10mm。

3 试验结果及分析

3.1 极限承载力

表2中给出了各构件极限承载力大小及最终破坏形态，由表2可知，试件破坏形态均为钢材破坏，吊钉屈服荷载大约为60kN，极限承载力大小约为83kN，吊钉的安全系数大约为3.3，符合文献[3]中对与吊装构件安全系数的要求（见图3）。

表2 试件极限承载力

图3 钢材破坏形态

3.2 试件破坏形态

对于试件1-1，随着荷载的不断增大，在吊钉根部垂直于混凝土边缘方向出现混凝土的裂缝，随着荷载的不断增大，裂缝逐渐向混凝土侧面发展。同时，吊钉进入屈服阶段，并逐渐出现径缩现象，试件最终破坏形式为吊钉拉断破坏。

对于试件1-2当荷载增大至66kN时，在吊钉根部出现微小裂缝，随着荷载的不断增大，裂缝不断向径向发展，裂缝宽度不断增大，当荷载达大到71kN时，吊钉出现明显的颈缩现象，其最终破坏为吊钉被拉断。

ACI318-05[4]中规定，对于预埋在混凝土中带撑帽的预埋吊装件，考虑有效埋深、混凝土强度、边缘距离，以及吊装件尺寸等因素的影响，发生的破坏形态包括混凝土锥体破坏、钢材破坏以及混凝土边缘拉崩破坏。根据文献中的公式，分别对不同破坏形态的承载力进行计算。根据表3中的计算结果可知，由于混凝土强度及埋深均较大，预埋吊钉发生混凝土锥体破坏承载力均大于钢材破坏承载力。同时，表4给出了计算承载力与试验结果对比，根据表3和表4计算结果可知，吊钉均发生钢材破坏与试验结果相同，规范承载力计算值与试验值吻合较好。

表3 吊钉各破坏形态承载力大小

表4 试件极限承载力对比

3.3 试件荷载-位移曲线

由图4可知，加载初期，荷载-位移曲线基本上呈现出直线，吊钉处于弹性阶段，当荷载增大至60kN左右时，吊钉刚度发生明显变化即进入屈服阶段，当荷载增大至80kN左右时，吊钉截面发生明显的径缩或者拉断，构件发生破坏，构件的荷载-位移曲线与钢材基本相同。

图4 试件荷载-位移曲线

4 力学性能分析

4.1 材料本构模型

钢材和混凝土材料强度根据材性试验结果确定。钢材的本构采用理想弹塑性模型，如图5a所示，图中，E为钢材的弹性模量，fy为钢材的屈服强度，混凝土本构采用文献[3]中混凝土应力-应变曲线关系，如图5b所示。

图5 材料本构模型

4.2 单元类型

模型中吊钉和混凝土均采用8节点六面体线性减缩积分的三维实体单元C3D8R。减缩积分单元比完全积分单元在每个方向少用一个积分点。缩减积分的线性单元只在单元中心有一个积分点。

4.3 边界条件和网格划分

根据上述试验结果可知，吊钉发生钢材破坏时，钢材与混凝土之间并滑移量较小，同时由于吊钉底部与混凝土之间作用力很小可忽略不计，因此吊钉底部以上外表面与混凝土之间采用绑定约束。模型中约束混凝土板底部，吊钉与混凝土的网格划分如图6所示。

图6 试件网格划分

4.4 有限元计算结果

表4给出了有限元分析的计算结果，并与试验结果及规范计算结果进行了对比，根据表4可知，有限元计算结果大于试验值，主要原因在于钢材极限强度与材性试验值有一定误差。

图7和图8分别给出了在额定荷载、屈服荷载以及极限荷载作用下，吊钉的应力分布情况以及混凝土的塑性应变分布情况。在额定荷载作用下，吊钉的最大应力为283MPa，此时，混凝土在顶部塑性应变较大；随着荷载的增大，当吊钉发生屈服时，混凝土发生塑性变形的深度增大，且混凝土裂缝宽度逐渐增大，当荷载增大至极限荷载时，吊钉顶部变截面处发生明显的径缩，吊钉在一半高度范围内均达到极限强度。