后錨固錨栓抗震性能檢測(cè)技術(shù)研究與結(jié)果分析

臧凡 周俊鈞 劉占清 任建興 李澤文 鮑亞楠 郭慶杰

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京，100024）

0 引言

地震時(shí)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞會(huì)造成較嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包含建筑構(gòu)件、固定裝置、吊頂、幕墻和建筑附屬設(shè)備等，大多數(shù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要通過(guò)錨栓與主體結(jié)構(gòu)固定連接，地震時(shí)錨栓將受到由主體結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生的拉力與剪力作用，后錨固錨栓的抗震性能對(duì)地震時(shí)確保人員安全和減小地震造成的財(cái)產(chǎn)損失至關(guān)重要。

因此，后錨固錨栓的抗震性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求是地震區(qū)工程安全選用的重要技術(shù)指標(biāo)。歐美規(guī)范只要通過(guò)其指定的測(cè)試，各種錨栓都能用于相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合；我國(guó)規(guī)范對(duì)用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的錨栓的適用范圍做了規(guī)定，根據(jù)錨栓受力狀態(tài)、錨栓類(lèi)型、錨栓是否適用于開(kāi)裂混凝土以及建筑抗震設(shè)防類(lèi)別等進(jìn)行選用。表1為各國(guó)后錨固規(guī)范介紹[1]。

表1 各國(guó)后錨固規(guī)范介紹

1 后錨固錨栓抗震性能相關(guān)規(guī)定

現(xiàn)行規(guī)范JGJ 145-2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》[2]明確規(guī)定在抗震設(shè)防區(qū)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接時(shí)不允許使用位移控制式膨脹錨栓。后擴(kuò)底錨栓和特殊倒錐形錨栓應(yīng)用范圍限制在抗震設(shè)防烈度8度（0.2g）及以下。化學(xué)錨栓抗震性能試驗(yàn)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JG/T 160-2017《混凝土用機(jī)械錨栓》[3]的規(guī)定。

現(xiàn)行規(guī)范GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]明確規(guī)定，在抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)中，以及直接承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件中，不得使用膨脹錨栓作為承重結(jié)構(gòu)的連接件。當(dāng)在抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)中使用錨栓時(shí)，應(yīng)采用后擴(kuò)底錨栓或特殊倒錐形膠粘錨栓，且僅允許用于設(shè)防烈度不高于8度并建于Ⅰ、Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的建筑物。用于抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)或承受動(dòng)力作用的錨栓，其性能應(yīng)通過(guò)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JG/T 160-2017的低周反復(fù)荷載作用或疲勞荷載作用的檢驗(yàn)。

現(xiàn)行規(guī)范JG/T 160-2017中錨栓適用條件明確規(guī)定機(jī)械錨栓只有S類(lèi)錨栓是可承受地震作用的錨栓，S類(lèi)錨栓需通過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)的抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。

以上規(guī)范明確規(guī)定了應(yīng)用到抗震設(shè)防區(qū)承受地震作用的化學(xué)錨栓和機(jī)械錨栓的抗震性能均需通過(guò)JG/T 160-2017的抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。

2 后錨固錨栓抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用錨栓

本次試驗(yàn)方案選用模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓和自攻錨栓3種類(lèi)型進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)型式檢驗(yàn)的錨栓類(lèi)型如表2所示。模擴(kuò)底錨栓指在混凝土基材打完直孔后，在孔的底部再次擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后的型腔與錨栓張開(kāi)的鍵片構(gòu)成互鎖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后錨固連接。特殊倒錐形化學(xué)錨栓是由特殊倒錐形螺桿和錨固膠組成，通過(guò)錨固膠形成錨固作用的錨栓。自攻錨栓是通過(guò)錨栓外壁的齒牙切開(kāi)混凝土從而與在混凝土上形成的螺紋狀開(kāi)口匹配完成錨固的。

表2 通過(guò)型式檢驗(yàn)的錨栓類(lèi)型

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用兩種型號(hào)設(shè)備，即國(guó)內(nèi)首臺(tái)單作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)和雙作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖1），其中單作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)已取得發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)。單作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)采用恒壓伺服泵站，力值范圍0-500kN，頻率范圍0.1-10Hz。雙作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)采用2個(gè)1000kN裂縫開(kāi)合用伺服作動(dòng)器，1個(gè)300kN雙向伺服作動(dòng)器，5個(gè)變形傳感器，1套電液伺服三通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)工裝配筋混凝土構(gòu)件長(zhǎng)度最大2米，寬度最大1.5米；混凝土裂縫為自然開(kāi)縫，裂縫可通過(guò)配筋的超高強(qiáng)度鋼筋自由閉合（見(jiàn)圖2）。

圖1 雙作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)

圖2 雙作用液壓伺服作動(dòng)器抗震試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工裝

2.3 變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)方法

變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)時(shí)，用中等磨損鉆頭在抗拉強(qiáng)度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個(gè)錨栓孔，然后擴(kuò)展裂縫并保持裂縫寬度在0.5mm，沿錨栓軸線(xiàn)方向施加如表3所示的正弦拉向荷載50次，頻率為0.1Hz。50次循環(huán)完成后擴(kuò)展裂縫寬度并保持在0.8mm，施加表3所示的正弦荷載25次，頻率為0.1Hz，直至循環(huán)結(jié)束。變幅脈動(dòng)拉伸荷載如圖3所示。上限荷載按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取值。循環(huán)過(guò)程連續(xù)記錄荷載、錨栓位移和裂縫寬度變化情況，記錄第50次循環(huán)上限時(shí)的錨栓位移。循環(huán)加載完成后錨栓卸載，保持裂縫寬度等于0.8mm，對(duì)錨栓進(jìn)行剩余承載力檢測(cè)。

表3 變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)荷載、循環(huán)次數(shù)及裂縫寬度

圖3 變幅脈動(dòng)拉伸荷載示意圖

2.3.2 結(jié)果分析

變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)過(guò)變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)后，模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開(kāi)裂混凝土上拉伸基準(zhǔn)試驗(yàn)抗拉承載力平均值相比分別下降了25%、15%、54%。模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求。

表4 變幅脈動(dòng)拉伸荷載性能試驗(yàn)結(jié)果

2.4 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.4.1 試驗(yàn)方法

變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)時(shí)，用中等磨損鉆頭在抗拉強(qiáng)度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個(gè)錨栓孔，然后擴(kuò)展裂縫并保持裂縫寬度在0.8mm直至循環(huán)結(jié)束。沿裂縫走向?qū)﹀^栓施加正弦往復(fù)剪切荷載，頻率為0.1Hz，往復(fù)剪切荷載按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取值。往復(fù)剪切荷載上限、循環(huán)次數(shù)如表5所示，變幅往復(fù)剪切荷載如圖4所示。循環(huán)過(guò)程連續(xù)記錄荷載、位移和裂縫寬度變化情況，記錄第50次循環(huán)時(shí)錨栓位移的最大值。往復(fù)加載過(guò)程結(jié)束后錨栓卸載，保持0.8mm裂縫下測(cè)試剩余剪切承載力。

表5 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)荷載、循環(huán)次數(shù)及裂縫寬度

圖4 變幅往復(fù)剪切荷載性能示意圖

2.4.2 結(jié)果分析

變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。經(jīng)過(guò)變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)后，模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開(kāi)裂混凝土上剪切基準(zhǔn)試驗(yàn)抗剪承載力平均值相比分別下降了2%、2%、11%。模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求。

表6 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5 裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.5.1 試驗(yàn)方法

裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)時(shí)，用中等磨損鉆頭在抗拉強(qiáng)度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個(gè)錨栓孔，然后對(duì)錨栓施加恒定拉伸荷載Nw1，Nw1荷載按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取值。對(duì)裂縫兩側(cè)混凝土施加一定壓力使裂縫初始寬度不大于0.05mm。控制裂縫進(jìn)行正弦變幅往復(fù)開(kāi)合，頻率為0.1Hz，裂縫寬度、循環(huán)次數(shù)及拉伸荷載如表7、圖5所示。第45次循環(huán)完成后，增加恒定拉伸荷載至Nw2，Nw2荷載按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取值。循環(huán)過(guò)程中連續(xù)記錄裂縫寬度、錨栓位移和拉伸荷載變化情況，記錄第45次循環(huán)裂縫寬度0.5mm時(shí)錨栓位移。裂縫循環(huán)完成后閉合裂縫錨栓卸載，擴(kuò)展裂縫寬度為0.8mm時(shí)對(duì)錨栓進(jìn)行剩余承載力檢測(cè)。

表7 裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)荷載、循環(huán)次數(shù)及裂縫寬度

圖5 裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能裂縫寬度示意圖

2.5.2 結(jié)果分析

裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。經(jīng)過(guò)裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)后，模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開(kāi)裂混凝土上拉伸基準(zhǔn)試驗(yàn)抗拉承載力平均值相比分別下降了27%、16%、55%。模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了JG/T 160-2017標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ級(jí)錨固性能指標(biāo)的技術(shù)要求。

表8 裂縫變幅往復(fù)開(kāi)合拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3 抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果匯總與分析

對(duì)錨栓抗震性能專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試的三項(xiàng)試驗(yàn)匯總分析后可以得知：

1）模擴(kuò)底錨栓使用機(jī)械鎖鍵原理進(jìn)行錨固鎖定，經(jīng)抗震專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)后，拉伸承載力下降分別為25%和27%，剪切承載力下降為2%。從錨栓承載力設(shè)計(jì)安全出發(fā)，模擴(kuò)底錨栓在地震力作用下的抗拉承載力較低系數(shù)可取0.7，剪切承載力可取0.8。

2）特殊倒錐形化學(xué)錨栓使用錨固膠和倒錐形螺桿進(jìn)行錨固鎖定，經(jīng)抗震專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)后，拉伸承載力下降分別為15%和16%，剪切承載力下降為2%。從錨栓承載力設(shè)計(jì)安全出發(fā)，特殊倒錐形化學(xué)錨栓在地震力作用下的抗拉承載力較低系數(shù)可取0.8，剪切承載力可取0.8。

3）自攻錨栓使用通過(guò)錨栓外壁的齒牙切開(kāi)混凝土從而與在混凝土上形成的螺紋狀開(kāi)口匹配完成錨固。經(jīng)抗震專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)后，拉伸承載力下降分別為54%和55%，剪切承載力下降為11%，承載力下降較大，因此建議自攻錨栓在地震作用下錨固承載力降低系數(shù)取較小值。

4 結(jié)論與建議

4.1 抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)論

JG/T 160-2017中定義的S類(lèi)抗震錨栓必須通過(guò)抗震性能專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試。本文依據(jù)JG/T 160-2017的抗震專(zhuān)項(xiàng)性能試驗(yàn)方法，針對(duì)模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓和自攻錨栓分別進(jìn)行了抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。本文選用的模擴(kuò)底錨栓和特殊倒錐形化學(xué)錨栓達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中S類(lèi)Ⅰ級(jí)的性能指標(biāo)，自攻錨栓達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中S類(lèi)Ⅱ級(jí)的性能指標(biāo)。模擴(kuò)底錨栓、特殊倒錐形化學(xué)錨栓經(jīng)抗震專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)后承載力降低較少，地震作用下錨固承載力較低系數(shù)可取較大值；自攻錨栓經(jīng)抗震專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)后承載力降低較大，地震作用下錨固承載力較低系數(shù)宜取較小值。

4.2 地震區(qū)工程安全選材的建議

通過(guò)抗震性能專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)的錨栓并不一定是JG/T 160-2017中定義的S類(lèi)抗震錨栓，S類(lèi)抗震錨栓需要通過(guò)JG/T 160-2017中型式檢驗(yàn)的全部項(xiàng)目檢測(cè)。為保證后錨固錨栓承載力設(shè)計(jì)安全，工程選材時(shí)供方應(yīng)提供符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的型式檢驗(yàn)報(bào)告。