復合材料抗浮錨桿外錨固性能試驗研究

摘要：基于海語城紅島項目，探究GFRP材料抗浮錨桿的外錨固性能。為了克服GFRP材料錨桿脆性高、抗剪能力差的問題，研發了一種能后將錨桿桿端應力分散的結構裝置，該裝置在固定錨桿的同時有避免了因應力集中而導致的錨桿損壞問題。對研發的裝置進行對向拉力試驗，結果表明：在錨固長度相同的條件下，采用應力分散裝置的GFRP材料錨桿承受的破壞拉力大于普通錨固的抗浮錨桿；就平均粘結強度而言，GFRP材料錨桿比普通錨桿提高了9%～25%。在控制其他變量相同的條件下，GFRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度越長，錨桿與混凝土基體間發生的相對位移就越大。由此可見在一定范圍內，增加FRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度，可以提高工程的錨固安全系數。

關鍵詞：抗浮錨桿；外錨固；對拉試驗；應力分散錨具

0" "引言

對于地下建筑而言，隨著埋深的增加，地下水會對建筑會產生較大的浮力，由此嚴重影響了建筑物的工程安全性[1]。地下建筑的抗浮結構設計時不容忽視的問題，目前工程中多采用抗浮錨桿來提高工程的安全系數[2]。

玻璃纖維聚合物（GFRP）是一種新型的復合材料，具有輕質、高強、耐腐蝕的優點，是目前被廣泛采用的抗浮錨桿材料之一[3-4]。匡政[5]、白曉宇[6]、張明義[7]等對GFRP材料的錨具在建筑物抗浮方面的應用進行了深入研究，但在GFRP材料錨桿與混凝土基體的粘結應力發展特性研究方面仍有不足。本文基于海語城（紅島）項目，探究GFRP材料抗浮錨桿的外錨固性能，研發了將錨桿桿端應力分散的結構裝置，并對整體結構進行對向拉力試驗。該研究將為實際的建筑物抗浮結構設計提供理論基礎。

1" "工程概況

中國鐵建·海語城（紅島）項目，總建筑面積33萬m2，主要包括4幢16～18F高層住宅樓、1棟23層辦公樓及4座2層商業用房，部分高層住宅樓帶有1F商業網點，場區整體帶1～2層地下車庫。該項目位于沿海區域，屬于華北暖溫帶沿海濕潤季風區氣候，且沿海環境對建筑物混凝土構件具有一定的腐蝕性；濱海地區地下水位變化頻繁，建筑物基礎地下抗浮問題突出。

2" "試驗方案

2.1" "錨具設計

在傳統施工過程中多采用夾片錨具完成對抗浮錨桿的固定。但對于GFRP材料而言，由于其各項異性的特點，導致其具有脆性高、抗剪能力差的力學特征。若在施工過程中依然采用傳統的夾片式錨固，容易將錨桿夾碎，針對這一問題本文研發出一種新型的錨固方式，用于固定GFRP材質錨桿。本文研發的新型錨具是在夾片錨具的結構上，添加能夠將應力分散的結構裝置。該結構由應力分散裝置和圓錐形螺母構成，應力分散裝置內置螺紋，圓錐形螺母咬合螺紋將兩部分連接成為一個整體，進一步將錨桿固定。該裝置在固定錨桿的同時，又避免了因應力集中而導致錨桿損壞問題。

2.2" "試驗設計

本文設計了對向拉力試驗對裝置進行檢驗，該試驗可以在一次加載過程中完成對兩組樣品的驗證。試驗樣品將兩塊混凝土試塊用GFRP材料錨桿連接，在兩塊試塊之間用千斤頂施加推力，并設置施拉力計測試錨桿極限受力值。在采用千斤頂施加拉力時，需要連接荷載傳感器對施加的拉力值加以控制。GFRP復合材料混凝土試件對拉試驗裝置設計如圖1所示。共進行4組實驗，其中設計兩組對照組，實驗組采用文中研發的應力分散錨固裝置。

本文試驗使用的錨桿由山東某公司生產，錨桿采用為YH-28GFRP型全螺紋抗浮錨桿。錨桿的直徑尺寸為Φ28mm。合成錨桿的主要材料是樹脂與玻璃纖維，兩種材料按照體積比1：3的比例混合制成GFRP復合材料，密度為2.06g/cm3。GFRP材料的抗壓強度極值為710MPa，抗剪強度極值為150MPa，彈性模量為49GPa，詳細的試驗參數見表1。

本文才采用的GFRP全螺紋抗浮錨，其中應力分散圓盤的尺寸為Φ170mm，圓盤呈碟形，最大厚度為12mm，全螺紋錨桿的直徑為30mm，螺紋長65mm。經過實際測量，該錨具的最大承載力可達130kN。

2.3" "基體材料

在本文實驗中，混凝土基礎采用強度等級為C25的混凝土澆筑成立方體試塊，用來模擬實際工程中的建筑物底板。在澆筑混凝土試塊時，需要預留直徑30mm以便于錨桿的定位和試塊澆筑連接。將錨桿固定在混凝土中指定的位置后，對混凝土進行振搗密實，養護28d后拆除模板，然后測試品的抗壓強度。

對達到養護齡期的樣品進行無側限抗壓強度試驗，12個樣品的平均抗壓強度測試值為25.7MPa，實驗值大于混凝土的設計抗壓強度25MPa，滿足作為GFRP材料全螺紋抗浮錨桿對拉試驗的基體材料強度要求。

在進行試驗時，在千斤頂與混凝土接觸的位置采用鋼板襯墊，采用手動的方式對混凝土試塊施加荷載，施加荷載的速度可以根據測力計的讀數進行調控。采用逐級加載繁榮方式施加荷載，控制加載速度為200N/s勻速加載。施加完一級荷載后飽載15min然后再施加下一級荷載，當錨桿發生斷裂破壞時視為試驗結束，讀取測力計的示數，并完成數據記錄。

3" "試驗結果與分析

3.1" "錨桿破壞機制

采用上述試驗方式，GFRP材料全螺紋抗浮錨桿對拉試驗的測試結果包括失效荷載和破壞位移兩個參數，具體的實驗數據見表2。

由表2中的數據可知，編號為Z840-2的樣品除外，其他編號的試件均由于錨桿被拔出混凝土基體而導致構件破壞失效，發生的是粘結滑移破壞。這種破壞形式下的錨桿并未出現明顯的損傷，說明錨桿還未達到抗拉強度極值，對基體的錨固作用還未發揮完全。編號為Z840-2的樣品錨桿主體發生斷裂，且桿體埋入混凝土的部分也發生顯著的位移。與編號為Z420-2/1的試件相比，編號為Z840-2的樣品擁有更長的埋入長度（錨固長度），這增大了錨桿與混凝土的粘結力。

GFRP材料的主要材料是樹脂與玻璃纖維，當桿體螺紋與混凝土相互咬合承受的相互作用力數值較大、時間過長時，對螺紋會造成不可逆的機械損傷，導致錨桿與混凝土的粘結力降低，呈現出錨桿被拔出的現象。當GFRP材料錨桿與混凝土的粘結力分布均勻時，錨桿螺紋與基體的咬合力會超過向外的拉拔力。此時錨桿不會出現粘結滑移破壞。當錨桿主體受到的拉力大于其自身的抗拉承載力后，會發生斷裂破壞。

3.2" "GFRP復合材料抗浮錨桿荷載－滑移曲線

粘結強度是衡量錨桿錨固效果的主要參數，本文采用粘結強度來表征GFRP材料全螺紋抗浮錨桿對混凝土的錨固效果。圖2中展示了GFRP材料全螺紋抗浮錨桿的粘結強度指標。由圖2可知，在錨固長度相同的條件下，采用應力分散裝置的GFRP材料錨桿承受的破壞拉力，大于普通錨固的抗浮錨桿。就平均粘結強度而言，GFRP材料錨桿比普通錨桿提高了9%～25%。

文中設置的GFRP復合材料錨桿長度為420mm與840mm，根據對拉試驗的結果可以得到，錨桿的與混凝土基體之間的滑動位移與承受抗拉力之間的變化曲線，變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，編號為Z420-1/2的樣品除外，錨桿長度相同的樣品發生的滑動位移大致相同，滑動位移與承受抗拉力之間的變化曲線發展趨勢也基本相同。Z420樣品在承受的拉力的加載值到40kN時，錨桿兩端的滑動位移會出現差值。錨桿長度為420mm的樣品，在承受拉力為200kN時滑動位移的增長隨拉力值的增大出現明顯加快，發展曲線出現顯著的拐點。

錨桿長度為840mm的樣品，在承受拉力為300kN時滑動位移的增長率隨拉力值的增大出現明顯加快，發展曲線出現顯著的拐點。這一現象說明GFRP復合材料錨桿承受的拉力接近錨固粘結強度的臨界范圍。如果荷載繼續增加，錨桿與混凝土基體的相對滑動位移會急速增大，埋入錨桿處的混凝土會出現表面裂縫，并且向基體內部發展為滑動剪切破壞。

觀察圖3a和3b可以發現，當樣品錨固長度相同時，使用設置應力分散裝置的GFRP材料全螺紋抗浮錨桿，通過對拉試驗錨桿與基體見的相對滑動位移，要大于裸筋錨固GFRP材料全螺紋抗浮錨桿。這一現象說明應力分散圓盤，可以有效抑制錨桿在混凝土基體中的滑動。在GFRP材料錨桿桿端設置螺紋，將錨具與螺紋擰緊，增加了與基體間的咬合力。桿端的圓錐形螺母，可有效將應力分散裝置和錨桿固定，提高了應力分散圓盤的工作效率，削減了錨桿承受得到剪力。在錨桿的一端設置應力分散圓盤，然后將錨桿固定在混凝土底板上，相當于擴大了錨桿的端頭，極大增強了錨桿的錨固強度極值和抗拔強度極值。由于GFRP材料自身抗剪強度差的特點，隨著錨具受到拉力越來越大，錨桿會承受更大的剪力，直至桿體發生剪切破壞或者錨桿的埋入段被完全拔出混凝土基體。

綜上所述，在控制其他變量相同的條件下，GFRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度越長，錨桿與混凝土基體間發生的相對位移就越大。由此可見在一定范圍內，增加FRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度，可以提高工程的錨固安全系數。

4" "結論

為了克服GFRP材料錨桿脆性高、抗剪能力差的問題，本文基于海語城（紅島）項目，探究GFRP材料抗浮錨桿的外錨固性能，研發了將錨桿應力分散的結構裝置，并對整體結構進行對向拉力試驗，試研究結論如下：

在錨固長度相同的條件下，采用應力分散裝置的GFRP材料錨桿承受的破壞拉力大于普通錨固的抗浮錨桿。就平均粘結強度而言，GFRP材料錨桿比普通錨桿提高了9%～25%。

在控制其他變量相同的條件下，GFRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度越長，錨桿與混凝土基體間發生的相對位移就越大。由此可見在一定范圍內。增加FRP材料全螺紋抗浮錨桿的外錨固長度可以提高工程的錨固安全系數。

參考文獻

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[7] 張明義，寇海磊，白曉宇，等.玻璃纖維增強聚合物抗浮錨桿抗拔性能試驗研究與機制分析[J].巖土力學，2014，35（4）：1069-1076+1083.