受剪狀態(tài)下化學(xué)錨栓群錨系統(tǒng)承載力

蘇 磊，李 杰，陸洲導(dǎo)

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092，sulei0518@sina.com)

在過去幾年中，化學(xué)錨栓作為一種施工簡(jiǎn)便、效果可靠的新型材料，具有施工速度快、錨固力強(qiáng)、性能可靠、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在加固、改建、裝潢等建筑領(lǐng)域中得到大量運(yùn)用.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)后錨固系統(tǒng)的研究成果表明:后錨固構(gòu)件的受力性能與整澆構(gòu)件接近，能夠滿足相應(yīng)的規(guī)范要求.而對(duì)于化學(xué)錨栓與混凝土的連接受力性能研究卻相對(duì)較少，該類連接一般可歸結(jié)為化學(xué)錨栓群錨的復(fù)合受力問題.國(guó)外諸多學(xué)者對(duì)復(fù)合受力情況下群錨承載力計(jì)算方法進(jìn)行了研究［1－3］，國(guó)內(nèi)熊學(xué)玉等［4］進(jìn)行了化學(xué)植筋拉拔試驗(yàn)研究，閻鋒等［5］進(jìn)行鋼筋混凝土基材上植筋的拉拔試驗(yàn)研究，袁廷朋等［6］進(jìn)行了后錨固化學(xué)植筋受拉承載力計(jì)算及設(shè)計(jì)，何勇等［7］進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的雙筋粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)研究，胡克旭等［8］進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)化學(xué)植筋安裝鋼梁節(jié)點(diǎn)板受力性能試驗(yàn)研究，張曙光等［9］對(duì)建筑用化學(xué)錨栓拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，其研究多在受拉狀態(tài)，對(duì)群錨其他受力狀態(tài)下的性能掌握不足，實(shí)際工程中通常是多根錨栓處于多種復(fù)合受力狀態(tài)，因此，本文對(duì)后錨固粘結(jié)型化學(xué)錨栓連接件純剪受力性能進(jìn)行深入研究，通過試驗(yàn)確定4根粘結(jié)型化學(xué)錨栓共同工作時(shí)抗剪承載力，并對(duì)目前應(yīng)用較多的群錨抗剪承載力計(jì)算方法進(jìn)行比較分析.

1 化學(xué)錨栓群錨受剪試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)選取混凝土基材塊尺寸為長(zhǎng)×寬×高= 1 000 mm×600 mm×600 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，配筋采用直徑16 mm，HPB335鋼筋，箍筋直徑10 mm，HPB235級(jí)鋼筋，保護(hù)層厚度為25 mm.化學(xué)錨栓慧魚高強(qiáng)化學(xué)錨栓螺桿RGM，直徑16 mm，錨板為Q235B鋼材，尺寸為長(zhǎng)×寬×高= 300 mm×350 mm×15 mm和340 mm×390 mm× 15 mm，采用慧魚植筋膠粘劑、FIS V360S化學(xué)粘合劑.試件設(shè)計(jì)如表1所示，試驗(yàn)為保證群錨試件盡可能保持純剪受力狀態(tài)，制作了加載板，使剪力作用在錨板的中心位置.

本試驗(yàn)為靜力受剪破壞性試驗(yàn)，軸向剪力由一個(gè)千斤頂提供，千斤頂采用電動(dòng)油泵加載，反力由試件頂部的千斤頂提供，試驗(yàn)采用分級(jí)加載，初期每級(jí)荷載增量為10 kN，臨界屈服前及屈服后每級(jí)荷載增量為5 kN，加載裝置如圖1所示［10－11］.

表1 試件設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

邊距較小的SS1、SS2均產(chǎn)生混凝土楔形體裂縫，直至加載到錨栓剪斷或破壞，但此時(shí)混凝土的裂縫已經(jīng)相當(dāng)寬，混凝土已經(jīng)提前破壞，形成以錨栓為中心的倒椎體混凝土基材破壞形式，破壞時(shí)表現(xiàn)出較大的脆性，是脆性破壞;邊距較大的SS3、SS4混凝土裂縫均未充分開展，錨栓直接被剪斷，這是由于錨栓材質(zhì)強(qiáng)度低或者有效截面偏小，破壞時(shí)具有明顯的塑性變形，是延性破壞;各試件破壞形式見圖2.由于4個(gè)試件都以錨栓被剪斷或剪彎為依據(jù)，因此，破壞荷載都很接近，荷載－位移曲線見圖3，主要試驗(yàn)結(jié)果見表2.

圖1 試驗(yàn)加載裝置

圖2 試件破壞模式

2 化學(xué)錨栓群錨系統(tǒng)有限元分析計(jì)算

2.1 有限元模型的創(chuàng)建與參數(shù)選擇

分析模型的試件尺寸、邊界條件以及加載制度同試件的實(shí)際試驗(yàn)情況完全相同.針對(duì)試件模型和加載對(duì)稱性，取試件一半進(jìn)行分析以節(jié)省計(jì)算資源.混凝土單軸抗拉強(qiáng)度取5.31 N/mm2，混凝土彈性模量取3.25×104N/mm2，泊松比取0.167.裂縫張開剪力傳遞系數(shù)取0.3，裂縫閉合剪力傳遞系數(shù)取0.9，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用過鎮(zhèn)海模型，化學(xué)錨栓材性定義采用von-mises屈服準(zhǔn)則.錨栓與混凝土之間作用采用接觸單元CONTAC 173和TARGET170單元來模擬.基材混凝土底部約束z方向位移及側(cè)面約束3個(gè)方向位移，荷載與試驗(yàn)所加部位一致，直接施加在錨板側(cè)面.

圖3 試驗(yàn)荷載－位移曲線

2.2 有限元分析結(jié)果

對(duì)小邊距小間距SS1的前排錨栓處混凝土應(yīng)力近似35°沿邊緣擴(kuò)散，在混凝土邊緣形成一個(gè)1/4半橢球體應(yīng)力區(qū)，由于距離試件邊緣較遠(yuǎn)，后排錨栓處混凝土應(yīng)力很難擴(kuò)散，只是在錨栓周圍引起高應(yīng)力.從混凝土等效應(yīng)變圖上看，最大極限應(yīng)變達(dá)到0.006 8，大大超過混凝土最大極限應(yīng)變，錨栓周圍混凝土被壓碎，位移均不到1 mm;對(duì)小邊距間距稍大SS2的前排錨栓處混凝土應(yīng)力以35°向邊緣擴(kuò)散成兩個(gè)獨(dú)立混凝土楔形體應(yīng)力區(qū)，后排錨栓處混凝土應(yīng)力只在錨栓周圍引起高應(yīng)力，應(yīng)變與應(yīng)力趨勢(shì)基本一致，形成兩個(gè)相互獨(dú)立的35°應(yīng)變區(qū)，最大極限應(yīng)變達(dá)到0.017，超過了定義的混凝土最大極限應(yīng)變.對(duì)于大邊距SS3和SS4，其應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D非常相似，四個(gè)錨栓周圍的應(yīng)力應(yīng)變幾乎接近均勻分布，但向邊距方向上擴(kuò)展有限，小間距同排錨栓的應(yīng)力云圖會(huì)有部分重疊，大間距的應(yīng)力云圖基本獨(dú)立，說明SS4間距是相互影響臨界間距.四個(gè)試件后排錨栓混凝土幾乎同時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力，前排錨栓混凝土應(yīng)力會(huì)相對(duì)滯后.這是由于后排錨栓靠近加載端，傳力路徑較短，受力較大.裂縫開展充分的試件，前排錨栓應(yīng)力得到一定釋放，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)荷載最大，滯后最厲害.有限元分析得到的平均等效應(yīng)力圖、等效應(yīng)變圖、開裂狀態(tài)矢量圖、荷載－錨板位移、荷載－應(yīng)力曲線分析結(jié)果如圖4～8所示.

圖4 有限元分析平均等效應(yīng)力圖

圖5 有限元分析等效應(yīng)變圖

圖6 有限元分析開裂狀態(tài)矢量圖

圖7 有限元分析荷載－錨板位移曲線

3 化學(xué)錨栓群錨系統(tǒng)抗剪承載力分析

對(duì)試件進(jìn)行承載力計(jì)算，分別采用喜利得［12］平均值、慧魚［13］建議公式標(biāo)準(zhǔn)值、我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程［14］標(biāo)準(zhǔn)值與有限元結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果如表2所示.

由表3看出，當(dāng)錨栓邊距較小時(shí)，群錨系統(tǒng)為混凝土楔形體破壞的脆性破壞;當(dāng)錨栓邊距較大時(shí)，為錨栓剪斷破壞的延性破壞.雖然其破壞荷載接近，但邊距較小時(shí)，在錨栓破壞前混凝土的裂縫已經(jīng)相當(dāng)寬，混凝土已經(jīng)提前破壞，小邊距的群錨系統(tǒng)極限承載力更低.小邊距系統(tǒng)混凝土邊緣裂縫開展的比較充分，當(dāng)間距較小時(shí)前排兩個(gè)錨栓之間的裂縫會(huì)連通，形成垂直與剪力方向上劈裂裂縫.大邊距系統(tǒng)錨栓幾乎均勻受力，裂縫基本只存在于錨栓周圍很難開展.在荷載作用下某個(gè)錨栓或者某排錨栓被剪斷，但位移較小.錨栓基材配置了一定數(shù)量的縱筋或箍筋，使系統(tǒng)在外荷載作用時(shí)，通過膠體的粘結(jié)作用傳遞到錨栓周圍的混凝土中，有效限制混凝土的橫向變形，混凝土處于雙向甚至三向受壓狀態(tài)，有效降低劈裂應(yīng)力的大小，延緩混凝土開裂，避免發(fā)生混凝土剪撬破壞，提高群錨系統(tǒng)的極限承載力.

圖8 有限元分析前、后排錨栓荷載－應(yīng)力曲線

有限元計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他推薦公式計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)橛邢拊?jì)算結(jié)果能夠考慮各錨栓之間協(xié)同受力作用，此時(shí)前排錨栓應(yīng)力變小，后排錨栓受力變大，使得混凝土開裂時(shí)間滯后，構(gòu)件抗剪承載力提高.有限元可以模擬混凝土部分破壞后的應(yīng)力重分布，考慮鋼材的塑性和強(qiáng)化階段，這是普通公式不能考慮的.3種推薦公式以混凝土楔形體裂縫破壞為控制條件，只是考慮了邊緣錨栓受力，以此脆性破壞為控制條件，就必須預(yù)留足夠的安全儲(chǔ)備.我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程是基于可靠度理論以一定保證率的概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，采用喜利得推薦公式設(shè)計(jì)值比我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)值大了近一倍，而慧魚推薦公式設(shè)計(jì)值十分接近.有限元的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果前期吻合比較好，后期結(jié)果就會(huì)有一定偏差，有限元結(jié)果比破壞荷載偏小.這是因?yàn)榫植炕炷翂核閲?yán)重，開裂明顯，后期混凝土的損傷形式、裂縫開展都比較難以模擬.錨栓屈服后，錨栓應(yīng)變隨著荷載的增加而增加，且應(yīng)變的增加要明顯快于荷載的增長(zhǎng)，但錨栓承載力不會(huì)提高，錨栓出現(xiàn)大變形，達(dá)到強(qiáng)度極限后出現(xiàn)頸縮，至最終破壞是有一個(gè)較明顯的塑性變形過程，經(jīng)過反復(fù)試算可能超過有限元極限階段.試驗(yàn)結(jié)果是試件的破壞荷載，而有限元結(jié)果大于推薦公式結(jié)果.由此可以看出，依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范公式和慧魚推薦公式進(jìn)行設(shè)計(jì)具有足夠安全儲(chǔ)備.

表2 試件試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1)邊距大小影響化學(xué)錨栓群錨系統(tǒng)破壞形式.對(duì)于本群錨系統(tǒng)來說，小邊距群錨系統(tǒng)破壞表現(xiàn)為混凝土楔形體的脆性破壞，承載力低，離散性大;大邊距群錨系統(tǒng)破壞為錨栓剪斷的延性破壞，承載力高.

2)邊距大小影響化學(xué)錨栓的位移.出現(xiàn)上述兩種破壞的試件，在其失效前位移均很小，失效后，邊距越小，錨栓位移越大.當(dāng)存在各種施工誤差及偶然偏心時(shí)，會(huì)出現(xiàn)剪力方向上錨栓受力不均勻現(xiàn)象，錨栓受力越大，開裂越早，破壞越大.

3)間距大小影響群錨系統(tǒng)錨栓之間相互作用.當(dāng)間距較小時(shí)，同排錨栓的云圖會(huì)有部分重疊，應(yīng)力會(huì)往錨桿深度方向上擴(kuò)展的較多，前排錨栓之間的裂縫會(huì)連通形成垂直與剪力方向上的劈裂裂縫，相反，當(dāng)間距較大時(shí)，同排錨栓的應(yīng)力云圖相互獨(dú)立，會(huì)形成兩個(gè)獨(dú)立混凝土楔形體應(yīng)力區(qū).當(dāng)錨栓引起的應(yīng)力云圖基本獨(dú)立每個(gè)裂縫獨(dú)立開展時(shí)，可以認(rèn)為處于臨界間距狀態(tài).

4)由于我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范公式、喜利得公式和慧魚公式以混凝土楔形體裂縫的脆性破壞為控制條件，而有限元可以考慮錨栓之間協(xié)同受力作用、混凝土部分破壞后的應(yīng)力重分布等方面影響，因此，有限元結(jié)果遠(yuǎn)大于現(xiàn)行推薦計(jì)算公式.對(duì)于粘結(jié)型化學(xué)錨栓群錨系統(tǒng)，錨栓與混凝土之間的空隙有粘結(jié)劑，能夠比較好的傳遞剪力，使錨栓之間能夠協(xié)同工作，更加符合有限元模擬的模型，因此，依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范公式和慧魚推薦公式進(jìn)行設(shè)計(jì)具有足夠安全儲(chǔ)備.

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