許成祥，洪良稱，李健康

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

0 引言

植筋、化學(xué)錨栓和預(yù)埋件錨固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于錨板安裝中，其中化學(xué)錨栓為近年來(lái)土木工程界大量運(yùn)用的后錨固連接技術(shù)。采用該技術(shù)時(shí)，首先通過(guò)鉆機(jī)在基材混凝土表面打孔，然后將化學(xué)膠埋入孔內(nèi)，最后將錨栓鉆入孔內(nèi)，使錨栓與化學(xué)膠充分接觸。李智斌等[1]對(duì)鋼筋機(jī)械連接與錨固技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)錨固技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[2-5]對(duì)化學(xué)錨栓力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但多基于化學(xué)膠充分發(fā)揮錨固作用的情況，基本未考慮因施工工藝導(dǎo)致的化學(xué)膠作用減弱，進(jìn)而未考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)自身承載力的影響。王清霖等[6]研究十字板-端板式模塊化鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)處的抗彎性能，得出屋面及樓面高度對(duì)試件抗彎承載力影響較大，而十字板厚度和高度影響較小的結(jié)論。張玉杰等[7]將鋼-混組合梁連接件由普通螺栓改為高強(qiáng)度螺栓，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響。吳洪明等[8]與陳繼龍等[9]提出了新型石材幕墻外飾安裝方式。高雅琨[10]和曹芳維等[11]通過(guò)改變結(jié)構(gòu)膠的化學(xué)成分，使其在惡劣環(huán)境下也能發(fā)揮作用。楊兆源等[12]通過(guò)制作4個(gè)足尺試件，研究了懸挑支撐結(jié)構(gòu)與剪力墻連接節(jié)點(diǎn)處的抗剪性能，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在力學(xué)性能方面，對(duì)錨栓在單一荷載作用下(拉力、剪力)的研究較多，而對(duì)后錨固連接受力的研究較少，該類連接一般可歸結(jié)為群錨復(fù)合受力問(wèn)題。

謝群等[13-14]在已有理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)彎剪作用下后錨固群錨承載力進(jìn)行了計(jì)算，并提出了適合的抗震折減系數(shù)。曹立金等[15]根據(jù)單錨剪力與變形關(guān)系，得到群錨受剪作用下的計(jì)算公式，并對(duì)不同影響因素下的群錨受剪性能進(jìn)行了研究，得出雙錨和四錨在混凝土中的破壞狀態(tài)。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際工程中化學(xué)錨栓因孔內(nèi)清灰、孔徑偏差等導(dǎo)致的錨固能力降低，利用橢圓型拉剪計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，提出不同孔內(nèi)清灰程度對(duì)應(yīng)的承載力折減系數(shù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依據(jù)JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)制作了9個(gè)后錨固群錨節(jié)點(diǎn)試件(見(jiàn)表1)，連接方式為化學(xué)植筋，為避免錨板與工字鋼焊接時(shí)對(duì)化學(xué)膠產(chǎn)生影響，采用滿焊方式，提前將二者焊為一體，并在螺母及錨板間使用墊片將二者隔開(kāi)，以減小螺母接觸壓力。為測(cè)得錨栓應(yīng)變，在M10，M12，M14錨栓底部以上90，110，125mm處各粘貼3片應(yīng)變片?？變?nèi)清灰程度按施工工藝進(jìn)行區(qū)分，其中0%表示使用鉆機(jī)鉆孔后，直接將化學(xué)膠埋入孔內(nèi)；50%表示鉆孔完成后僅使用氣筒對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行4次清灰；100%表示按《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》及《德國(guó)慧魚(yú)建筑錨固技術(shù)手冊(cè)》要求，使用氣筒對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行4次清灰，并使用毛刷對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行4次清理，直至孔內(nèi)幾乎無(wú)灰塵。

表1 群錨試件設(shè)計(jì)

基材尺寸為600mm×600mm×300mm(長(zhǎng)×寬×高)，如圖1所示，采用C30混凝土澆筑，混凝土立方體軸心抗壓強(qiáng)度平均值為33.2N/mm2。基材縱筋與箍筋直徑分別為14，10mm，鋼筋等級(jí)分別為HRB400，HPB300，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度分別為369.7，576.7N/mm2。本試驗(yàn)采用慧魚(yú)牌化學(xué)膠及5.8級(jí)不銹鋼螺栓，錨板與工字鋼采用Q235級(jí)鋼。

圖1 試件

1.2 試驗(yàn)加載裝置及加載方式

本試驗(yàn)為靜力加載試驗(yàn)，加載裝置采用2 000t長(zhǎng)柱壓力機(jī)，施力點(diǎn)位于工字鋼上，采用分級(jí)加載方式，化學(xué)錨栓屈服前每級(jí)荷載增量為10kN，屈服后調(diào)為5kN[13]。為防止試件后端翹起，在基材混凝土表面利用固定裝置進(jìn)行固定，如圖2所示。錨栓應(yīng)變由應(yīng)變箱每隔2s收集1次，荷載及位移數(shù)據(jù)由電腦儀器自動(dòng)采集，因施力點(diǎn)位于工字鋼上，即所測(cè)位移為錨板位移?？紤]臺(tái)座自重，試驗(yàn)開(kāi)始前需進(jìn)行預(yù)加載，待試驗(yàn)力調(diào)至平衡時(shí)，方可進(jìn)行正式加載。試驗(yàn)過(guò)程中錨板與錨栓受力狀態(tài)如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

圖3 錨板與錨栓受力狀態(tài)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

受試驗(yàn)加載方式與試件構(gòu)造影響，上排錨栓主要受拉剪作用，下排錨栓主要受壓剪作用，因此試件破壞現(xiàn)象主要包括錨栓與混凝土混合破壞、鋼材破壞及基材下邊緣混凝土破壞。由于試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法完全確保所有錨栓均勻受力，導(dǎo)致破壞較突然，試件主要破壞現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 試件破壞現(xiàn)象

由圖4可知，M10-2試件上、下排錨栓均發(fā)生了不同程度的破壞，其中上排錨栓膠體被大量拉出，且錨孔周?chē)炷帘淮竺娣e壓碎，上排錨栓已失去承載能力，此時(shí)外荷載由下排錨栓承受，錨栓下側(cè)混凝土承受來(lái)自錨栓的壓剪力，發(fā)生了錐體破壞。

M12-4試件因孔內(nèi)灰塵量較多，孔內(nèi)化學(xué)膠與白色粉末之間的化學(xué)反應(yīng)受到影響，導(dǎo)致膠體黏結(jié)作用減弱，加載前期少許膠體被帶出孔外，此時(shí)，化學(xué)膠與錨栓協(xié)同作用已被打破，荷載主要由錨栓承擔(dān)。加載中期錨孔周?chē)炷帘徊糠謮核?，錨栓發(fā)生彎曲，可判定為鋼材破壞。

M12-5試件因孔內(nèi)灰塵經(jīng)氣筒清理，孔內(nèi)灰塵量較少，膠體黏結(jié)作用得到提高，加載前期處于彈性階段，未發(fā)生明顯變化。隨著荷載的增加，錨板逐漸向下傾斜，此時(shí)錨板下邊緣混凝土受力增大，導(dǎo)致混凝土大面積脫落。

M12-6試件因孔內(nèi)灰塵大部分被清理干凈，錨栓與化學(xué)膠之間的接觸面積增大，錨固能力被充分發(fā)揮，試件表現(xiàn)出較好的承載能力。隨著荷載的增加，少量化學(xué)膠被拉出孔外，同時(shí)上排錨栓逐漸被壓彎，錨栓周?chē)炷涟l(fā)生輕微破壞，且錨栓表面螺紋幾乎被磨平，此時(shí)錨栓已屈服，發(fā)生了鋼材破壞，錨板被壓出30mm左右。

加載前期M14-7試件未發(fā)生明顯變化，當(dāng)荷載逐級(jí)增加時(shí)，上排錨栓孔內(nèi)化學(xué)膠輕微溢出，孔周?chē)炷廖疵黠@破壞，主要破壞來(lái)自錨板下部混凝土保護(hù)層大面積脫落，內(nèi)部鋼筋已肉眼可見(jiàn)，由應(yīng)變儀測(cè)試數(shù)據(jù)可知，錨栓已屈服，可判定為鋼材破壞。

M14-9試件因鉆孔安裝時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，因此不予考慮。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同清灰程度組試件荷載-位移關(guān)系

圖5所示為不同清灰程度組試件荷載-位移曲線。由圖5可知，M12-5，M12-6試件因加載初期螺母與錨板之間存在預(yù)緊力，使荷載-位移曲線增幅較小。

圖5 不同清灰程度組試件荷載-位移曲線

整體來(lái)看，M12-4試件位移增量較小，荷載增加較大。加載初期試件處于彈性階段；當(dāng)荷載超過(guò)10kN時(shí)，荷載-位移曲線陡然上升，此時(shí)，錨板與基材表面未發(fā)生明顯變化；當(dāng)加載至37.9kN時(shí)，因孔內(nèi)存在大量灰塵，降低了化學(xué)膠與錨栓和混凝土之間的黏結(jié)作用，錨固能力已基本喪失，錨栓被輕易拉出，錨板被拉離基材表面約17mm，錨孔周?chē)炷脸霈F(xiàn)輕微裂縫，隨后荷載略有上升，但低于37.9kN，此時(shí)試件已失去承載能力，試驗(yàn)停止。

對(duì)于M12-5試件而言，因孔內(nèi)存在灰塵，其峰值荷載低于M12-6試件，當(dāng)荷載達(dá)46.5kN時(shí)，化學(xué)膠隨著錨栓被拉出孔外，且試件右下角邊緣處混凝土大面積被壓碎，內(nèi)部鋼筋已肉眼可見(jiàn)，隨后曲線近乎垂直地下降，此時(shí)試件已失去承載能力，試驗(yàn)停止。

對(duì)于M12-6試件而言，當(dāng)荷載達(dá)80kN時(shí)，加載區(qū)傳來(lái)混凝土被壓碎的聲音，錨栓已向下傾斜，此時(shí)因孔內(nèi)裂縫增加，化學(xué)膠黏結(jié)作用降低，荷載隨即降至72.5kN，荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，但隨即回升；當(dāng)加載至86.9kN時(shí)，錨栓出現(xiàn)了明顯彎曲，少許化學(xué)膠被拉出孔外。

3.2 不同錨栓直徑組試件荷載-位移關(guān)系

不同錨栓直徑組試件荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可知，M10組試件荷載無(wú)太大波動(dòng)，M10-1，M10-3試件因施工安裝時(shí)錨板與錨栓之間產(chǎn)生縫隙，試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)位移增量幾乎為0；M10-2試件在加載前期因錨栓與螺母之間存在預(yù)緊力，荷載-位移曲線較平緩，隨著錨栓受力逐漸增大，曲線急劇上升，加載至29.7kN時(shí)上排錨栓被拉出孔外，發(fā)生了黏結(jié)破壞，曲線隨即下降。隨著工字鋼向下傾斜，M10-2試件上排錨栓已失去作用，荷載由原來(lái)的拉區(qū)錨栓承擔(dān)轉(zhuǎn)化為下部壓區(qū)錨栓承擔(dān)，下排錨栓受力迅速增大，錨孔周?chē)炷涟l(fā)生表皮破壞，荷載-位移曲線呈回升趨勢(shì)，后因工字鋼與平臺(tái)接觸，如繼續(xù)施加荷載，會(huì)對(duì)儀器造成損耗，隨即停止試驗(yàn)。M10-1～M10-3試件破壞現(xiàn)象多為錨栓被拉出孔外，且伴隨著孔壁周?chē)炷凛p微壓裂。

圖6 不同錨栓直徑組試件荷載-位移曲線

M14-7，M14-8試件因錨栓本身直徑較大，提高了錨栓表面與化學(xué)膠的接觸面積，使試件錨固能力增強(qiáng)，破壞現(xiàn)象多為混凝土被壓碎，錨栓被壓彎，鋼材屈服。

對(duì)于M10-3，M14-7試件而言，因加載前期加載裝置與工字鋼摩擦傳力，荷載主要由錨栓承擔(dān)；當(dāng)荷載-位移曲線上升至中間段時(shí)，發(fā)生了混凝土局部壓碎破壞，其中M10-3試件以錨孔周?chē)炷撩撀錇橹?，而M14-7試件在上排錨栓受拉剪的情況下，錨板下端承擔(dān)因彎矩引起的壓力，導(dǎo)致錨板下邊緣處因受壓導(dǎo)致混凝土大面積剝離壓碎，荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，隨后呈直線下降。M14-7試件錨栓與混凝土孔壁未發(fā)生明顯變化，最終為基材混凝土破壞，可知M14組試件具有較好的受力性能。

3.3 清灰程度對(duì)化學(xué)膠承載力的影響

孔內(nèi)灰塵對(duì)化學(xué)膠黏結(jié)作用及抗剪承載力的影響較大，隨著孔內(nèi)灰塵量的增加，埋入孔內(nèi)的化學(xué)膠雜質(zhì)越多，此時(shí)錨栓與膠體之間的黏結(jié)作用受到影響，錨栓與膠體易脫離，導(dǎo)致錨栓被拉出孔外。M12-6試件為100%清灰，提升了錨栓與膠體的錨固性能，隨著錨板位移的逐漸增大，錨栓雖發(fā)生了彎曲，但孔內(nèi)膠體幾乎未被拉出孔外。M12-4試件峰值承載力相比M12-6試件下降了56.4%，M12-5試件峰值承載力相比M12-6試件下降了47.1%，可知灰塵對(duì)后錨固系統(tǒng)的影響較大，在實(shí)際工程施工過(guò)程中需對(duì)錨孔內(nèi)灰塵進(jìn)行清理。

3.4 不同清灰程度下能量演化規(guī)律

荷載加至錨栓屈服時(shí)，規(guī)定W為外荷載做功，即試件破壞消耗的能量，可通過(guò)下式計(jì)算得到：

(1)

式中：P為試驗(yàn)施加的荷載；s為加載位移。

計(jì)算得到不同清灰程度下試件外荷載做功，如表2所示。由表2可知，清灰程度0%，50%，100%試件外荷載做功分別為133.34，166.57，665.80kN·mm，表明孔內(nèi)清灰程度越高，孔內(nèi)灰塵量越少，試件承載力越大，外荷載做功越大。這是因?yàn)楫?dāng)孔內(nèi)灰塵幾乎被清理干凈后，錨栓與膠體之間黏結(jié)效果良好，此時(shí)僅在應(yīng)力處于較高水平的情況下二者才會(huì)分離，因此外荷載做功較大，能量消耗明顯。隨著孔內(nèi)灰塵量增多，膠體中摻雜了大量雜質(zhì)，與錨栓接觸面積減小，因此錨栓與膠體在較低應(yīng)力水平下發(fā)生分離，從而發(fā)生了膠體破壞，外荷載做功較小，能量消耗逐漸降低。

表2 不同清灰程度下試件峰值荷載、最大位移和外荷載做功

4 后錨固群錨節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算

試驗(yàn)過(guò)程中試件處于彎剪復(fù)合受力狀態(tài)，而非純剪受力狀態(tài)，此時(shí)錨栓主要受拉(壓)力、剪力共同作用。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，最外排錨栓(距形心軸最遠(yuǎn)處的錨栓)所受拉力最大，對(duì)試件承載力起控制作用，可將彎剪作用下承載力計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)樽钔馀佩^栓拉力計(jì)算。由國(guó)外研究成果可知，復(fù)合受力狀態(tài)下群錨承載力計(jì)算時(shí)主要采用塑性設(shè)計(jì)與彈性設(shè)計(jì)方法，包括直線型、三折線型、橢圓型計(jì)算公式。因彈性設(shè)計(jì)方法及橢圓型計(jì)算公式最符合實(shí)際受力情況，從而被廣泛采用。《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》規(guī)定拉剪復(fù)合受力狀態(tài)下承載力計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中變量計(jì)算方法在《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》未有明確定義，本文引用謝群等[13]推導(dǎo)公式：

(3)

式中：φ為折減系數(shù)，可取0.8；m為受拉錨栓個(gè)數(shù)；As為錨栓截面面積；fy為鋼材(本文為化學(xué)錨栓)屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；n為受剪錨栓數(shù)；λ為承載力折減系數(shù)，取0.8；N為外荷載；e為荷載至混凝土基材表面的水平距離；y1與yi分別為受拉力最大排錨栓、第i排受拉錨栓至群錨形心的距離。

由式(2)和式(3)計(jì)算得到不同清灰程度下試件承載力，如表3所示。由表3可知，M12-4，M12-5試件承載力因孔內(nèi)灰塵的影響，試驗(yàn)承載力均低于計(jì)算承載力，故在計(jì)算群錨抗剪承載力時(shí)可根據(jù)清理錨孔時(shí)的施工工藝不同分別乘以對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)。M12-6試件因錨孔內(nèi)灰塵已完全清理，清灰過(guò)程符合規(guī)范要求，化學(xué)膠錨固能力發(fā)揮充分，導(dǎo)致試驗(yàn)承載力高于計(jì)算承載力，故未規(guī)定折減系數(shù)。因本試驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)有限，折減系數(shù)適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表3 不同清灰程度下試件承載力

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)錨孔進(jìn)行不同程度清灰處理，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)灰塵對(duì)化學(xué)膠錨固黏結(jié)作用具有較大影響，進(jìn)而削減了試件承載能力，相比100%清灰試件，0%，50%清灰試件承載力分別下降了56.4%，47.1%，未清灰試件基本失去抗剪承載力。

2)不同強(qiáng)度錨栓試件破壞現(xiàn)象不同，M10組試件錨栓多攜帶著化學(xué)膠被拉出孔外，發(fā)生了膠體破壞。M14組試件錨栓因錨板下邊緣處混凝土被壓碎，導(dǎo)致荷載-位移曲線陡降，多為邊緣混凝土破壞，表現(xiàn)出良好的受剪性能。

3)計(jì)算得到清灰程度0%，50%，100%試件外荷載做功分別為133.34，166.57，665.80kN·mm，孔內(nèi)清灰程度越高，孔內(nèi)灰塵量越少，試件承載力越大，外荷載做功越大。

4)基于橢圓型拉剪計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)得到的承載力進(jìn)行分析，0%，50%清灰試件試驗(yàn)承載力均低于計(jì)算承載力，100%清灰試件試驗(yàn)承載力高于計(jì)算承載力，故進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮因清灰程度不同導(dǎo)致的抗剪承載力折減，需乘以折減系數(shù)，建議未清灰時(shí)折減系數(shù)取為0.6，中度清灰時(shí)取為0.8。