預埋式槽型錨軌抗拔及抗剪性能試驗研究

張世卓 周德源 付宗超 李永超

(同濟大學結構工程與防災研究所， 上海 200092)

預埋式槽型錨軌抗拔及抗剪性能試驗研究

張世卓*周德源 付宗超 李永超

(同濟大學結構工程與防災研究所， 上海 200092)

以研究素混凝土中的預埋式槽型錨軌抗拔及抗剪性能為目的，對34個試件分別進行了垂直拉拔、橫向受剪和縱向受剪試驗，得到了不同受力工況下的開裂荷載、破壞荷載及荷載位移曲線，分析了試件的脆性破壞特征和破壞機理。試驗結果和分析表明：素混凝土中預埋式槽型錨軌試件的主要破壞模式為混凝土的受拉脆性破壞，開裂位移小而開裂荷載大，荷載位移曲線下降段坡度較陡，試件承載力偏低且延性較差。最后根據(jù)試驗結果并參照德國哈芬公司的產(chǎn)品標準，給出了該系列產(chǎn)品的正常工作允許荷載建議值并提出了改善試件受力性能的建議。

預埋式槽型錨軌， 抗拔承載力， 抗剪承載力， 破壞模式

1 引 言

在鋼筋混凝土工程中，因為建筑裝飾或設備安裝的需要，預埋件被廣泛地使用。作為非結構構件的連接件，其受力性能的可靠性不容輕視。在實際工程中，預埋件施工已成為整個工程的關鍵工序，直接影響整個工程的質(zhì)量和工期。一般地，一項工程中所需的預埋件往往數(shù)量多、規(guī)格多、位置要求準確，在施工中容易發(fā)生漏放、錯放的現(xiàn)象，給整個工程造成永久性的質(zhì)量缺陷，所以具有設計簡單、施工方便、性能可靠、機動靈活等優(yōu)點的預埋式槽型錨軌受到人們的青睞。

但目前預埋式槽型錨軌在我國并未得到普遍應用，究其原因，還是因為該型預埋件與我國傳統(tǒng)預埋件差別較大，受力狀態(tài)復雜[1-3]，目前國內(nèi)對其受力性能的研究較少。然而值得一提的是，國內(nèi)不少學者對后錨固技術都有研究[4-5]，其研究方法值得在進行預埋式槽型錨軌研究時借鑒。在這方面，歐洲已做了較為系統(tǒng)的研究，歐洲規(guī)范DD CEN/TS 1992-4-3：2009[6]較為詳盡地給出了其在受拉、橫向受剪情況下的設計規(guī)定，但未能給出預埋式槽型錨軌縱向受剪(即沿錨軌軸線方向)的相關規(guī)定。在國內(nèi)，文獻[7-9]對德國某公司生產(chǎn)的預埋式槽型錨軌的抗拔性能及在混凝土預開裂下的抗震性能進行過試驗研究。綜上所述，關于預埋式槽型錨軌的研究仍有許多工作留待后續(xù)完成。

本文對垂直拉拔、橫向受剪和縱向受剪三種荷載工況下的共計34個預埋式槽型錨軌試件進行了試驗研究。不同混凝土試件中埋置有不同規(guī)格型號的錨軌，具體還分為埋置單個錨軌或兩個錨軌、單個荷載點或多個荷載點加載等不同情況，從而模擬實際工程中各種不同的使用條件。根據(jù)試驗所得結果，本文分析了鋼槽錨軌的抗拔、抗剪性能及其破壞特征和破壞機理。

2 試驗概況

2.1 試件設計

本次試驗共設計10種試驗工況，涉及4款CTA-G48/28鋼槽錨軌，即CTA-G48/28-220/2，CTA-G48/28-370/3，CTA-G48/28-170/2，CTA-G48/28-230/2。以CTA-G48/28-220/2為例，鋼槽錨軌名稱的含義是該款試件為CTA系列熱鍍鋅的鋼槽錨軌，鋼槽寬度為48 mm，高度為28 mm，長度為220 mm，錨軌帶有2根錨釘，其形狀如圖1(a)所示。鋼槽采用的是Q235C型鋼材，錨釘采用30#鋼。與鋼槽連接的方母型號為CB-48/28，螺栓為M16。試驗工況根據(jù)預埋件款型、數(shù)量、受力方式的不同分為10種工況，其具體編號見表1。由表1可見，每種試驗工況制作了3個或5個相同的試件。以1號試驗工況為例，共制作了5個相同的試件，在試驗中又具體編號為1—1,1—2至1—5以便記錄區(qū)別。

各試件的混凝土強度等級均為C30，在錨軌高度范圍內(nèi)為素混凝土，僅在錨釘以下的混凝土底部配置牌號為HPB300的普通鋼筋，箍筋配置為φ8@150，這樣設置是為了防止混凝土試件在養(yǎng)護和吊裝時發(fā)生開裂。在澆筑混凝土時，需用鋼絲綁扎固定錨軌位置，并用塑料填滿鋼槽空隙以免混凝土貫入，如圖1(b)所示。經(jīng)實測，混凝土立方體抗壓強度均值為32.67 MPa，需對混凝土開裂破壞試件的極限荷載進行修正，換算系數(shù)(30.0/32.67)0.5=0.9583，即本次試驗所得到的破壞荷載需要乘以上述換算系數(shù)進行修正。

圖1 試件照片

表1 試件規(guī)格

Table 1 Specimen specification

2.2 試驗裝置和加載制度

試驗加載裝置如圖2所示。試驗過程中通過加載端板對嵌入錨軌內(nèi)的螺栓施加荷載，試件由兩側的型鋼梁進行固定。本次試驗為單調(diào)靜載試驗，采用千斤頂逐級施加荷載，并通過壓力傳感器及油泵控制加載速率；試驗過程中采用DH3815型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集試驗數(shù)據(jù)(荷載、位移等)，采集時間間隔為1 s。

本次試驗加載按照BS 5080—1∶1993[10]中規(guī)定的加載程序進行：在正式加載之前先對整套試驗裝置施加預估破壞荷載5%的初始荷載，使各連接件之間建立平穩(wěn)的接觸，檢查儀器是否工作正常。然后釋放預加荷載，開始進行連續(xù)加載，從零開始均勻連續(xù)加載至試件破壞。試驗加載每分鐘的加荷速率取為錨栓預估破壞荷載的25%，當荷載達到試件的工作荷載、兩倍工作荷載時，分別持續(xù)2 min觀測記錄試驗現(xiàn)象。拉拔試驗中共布置兩個位移計，考慮到試驗工程中是通過加載端板對嵌入錨軌內(nèi)的螺栓施加荷載，且制作的加載端板相對剛度很大，故本次試驗盡可能將兩個位移計布置在加載端板上，位移計布置如圖3所示。對于加載板較小或儀器布置空間不足等情況，采取在加載端板上粘結水平玻璃片等方法。剪切試驗中也布置兩個位移計，均布置在加載千斤頂與加載端板連接的水平鋼板上如圖3所示。因試塊本身在試驗中的位移可以忽略不計，故不再在混凝土上布置位移計。

圖2 試驗加載裝置

圖3 位移計布置示例圖

3 試驗結果及分析

3.1 試件破壞模式

本次試驗分為垂直拉拔、橫向受剪和縱向受剪三種受力工況，每種受力工況中試件的破壞形態(tài)各不相同。

對于垂直拉拔試驗，試件的破壞模式均為混凝土的受拉脆性破壞，表現(xiàn)為在臨近極限荷載時裂縫迅速開展貫通，隨后混凝土塊被整體拔出，而鋼槽本身在試驗結束后均基本完好，槽身及槽齒部分未發(fā)生明顯變形，其破壞形態(tài)如圖4(a)所示。

對于橫向剪切試驗，試件的破壞模式均為混凝土的受剪脆性破壞，其破壞形態(tài)與垂直拉拔試驗的破壞形態(tài)相似，最終破壞均為裂縫迅速貫通，混凝土塊被整體拉出而破壞，其破壞形態(tài)如圖4(b)所示。不同的是在橫向受剪試驗中，小邊距試件在達到破壞荷載后短暫卸載，隨后承載力再次增加并超過破壞荷載。這是因為鋼槽變形較大時，錨固在混凝土內(nèi)部的錨釘開始對鋼槽的變形產(chǎn)生約束作用，使得鋼槽能夠繼續(xù)承載，但是此時混凝土已經(jīng)嚴重開裂，鋼槽的變形位移也較大，因此將試件荷載位移曲線第一個峰值所對應的荷載作為此類試件的極限荷載。

對于縱向剪切試驗，試件的破壞模式有三種即混凝土的受剪脆性破壞、鋼槽與方母的鋼齒間的滑移破壞和鋼槽與方母的鋼齒間的剃齒破壞，其破壞形態(tài)如圖4(c)、圖4(d)所示。對于小邊距情況，素混凝土的錐體破壞荷載小于槽齒的抗剪承載力，則表現(xiàn)為混凝土的受剪脆性破壞。若連接鋼槽和方母的螺栓的預緊力較小或鋼齒強度不足，鋼槽與方母間的咬合力小于混凝土的破壞荷載，則表現(xiàn)為鋼槽與方母的鋼齒間的滑移破壞及剃齒破壞。

圖4 試件破壞形態(tài)

3.2 荷載—位移曲線

因試件本身在加載過程中的位移相對可以忽略不計，故只將位移計布置在加載端板上是可行的。試件的荷載—位移曲線中的位移值取兩個測點處的平均值。以3號、7號和8號試驗工況為例，圖5(a)為3號試驗工況的3個垂直拉拔試件的荷載—位移曲線,圖5(b)為7號試驗工況的3個橫向剪切試件的荷載—位移曲線，圖5(c)為8號試驗工況的3個縱向剪切試件的荷載—位移曲線。由得到的荷載—位移曲線可見，在垂直拉拔、橫向剪切和縱向剪切受力工況中，試件均表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，其整個發(fā)展趨勢可以大體分為以下三個階段：彈性變形階段，即1倍工作荷載之前，位移隨荷載增大呈線性變化，試件具有良好的使用性能并且無混凝土開裂的現(xiàn)象，此時鋼槽錨軌位移非常小；彈塑性變形階段，即1倍工作荷載至極限破壞荷載之間，位移隨著荷載增大較快增加，荷載—位移曲線趨于平緩，試件所形成的新裂縫快速開展并很快貫通，此時鋼槽已明顯與混凝土剝離；卸載段，達到極限破壞荷載后，混凝土錐體被拉出或鋼齒間產(chǎn)生破壞，試件無法繼續(xù)承載，表現(xiàn)為荷載陡然下降，位移增加，荷載—位移曲線表現(xiàn)為斜率為負值。

圖5 荷載-位移曲線

3.3 試件受力性能分析

根據(jù)垂直拉拔、橫向受剪及縱向受剪三種受力工況的試驗結果來看，試件破壞均屬于脆性破壞類型。在垂直拉拔受力工況下,小邊距試件極限荷載位移Δp僅為1.2～2.2 mm，開裂位移則為(0.2～0.4)Δp，而開裂荷載為(0.45～0.7)Fp(極限荷載)，即試件開裂位移小而開裂荷載大。試驗現(xiàn)象表現(xiàn)為試件一旦開裂，裂縫便較快發(fā)展，在臨近破壞荷載時裂縫迅速貫通并發(fā)生清脆巨響，錐形混凝土塊被整塊掀起。試件達到極限荷載后便快速卸載，荷載位移曲線下降段坡度較陡(圖5(a))。在橫向受剪和縱向受剪受力工況下，小邊距試件極限荷載位移Δp為5.0～7.6 mm，開裂位移仍為(0.2～0.4)Δp，而開裂荷載為(0.45～0.6)Fp，與垂直拉拔試件相比，受剪試件延性有所提高，但試件的開裂位移仍然較小而開裂荷載較大。試驗現(xiàn)象與垂直拉拔試件相似，大部分試件破壞模式仍為素混凝土的局部受拉破壞，荷載—位移曲線下降段坡度較陡(圖5(b)、圖5(c))，表現(xiàn)出較差的延性。

究其原因，主要是因為未配置補強鋼筋?？紤]到在實際工程中，一般的混凝土結構均配置有適量鋼筋，混凝土能夠與鋼筋的協(xié)同作用可以防止試驗中的局部脆性破壞現(xiàn)象，其承載力應較試驗結果增長較多，試驗所得承載力可以作為試件最小承載力的參考值。本次測試側重于驗證錨軌的安全性，在試驗中，錨軌表現(xiàn)出良好的工作性能，大部分試件破壞時錨軌基本完好無損。對于縱向受剪的情況還可以通過提高連接錨軌和方母的螺栓的預緊力來進一步提高其承載力。綜合來看，錨軌本身承載能力具有較高的富余。

根據(jù)本次試驗結果，應對各型號槽式預埋件的工作荷載進行一定調(diào)整。參照德國哈芬產(chǎn)品的標準，引入綜合安全系數(shù)γg，γg為極限破壞荷載與試件的允許工作荷載的比值，建議取為γg=2.5。取試件極限荷載的平均值作為該款槽式預件在此種工況下的極限荷載值，由此得到的各型號槽式埋件的建議工作荷載值如表2所示。

表2 試件建議工作荷載值

Table 2 Recommend values for working load

4 結 論

(1) 根據(jù)試驗結果，試件在垂直拉拔和橫向受剪工況下破壞模式均為混凝土受拉脆性破壞，錐體擴展角約為30°；試件在縱向受剪工況下破壞模式分為混凝土的受拉脆性破壞、鋼齒滑移破壞和鋼齒剃齒破壞。

(2) 根據(jù)試驗所得的各試件的荷載—位移曲線，試件整體發(fā)展趨勢可以大體分析三個階段：彈性變形階段、塑性變形階段和卸載階段。

(3) 在垂直拉拔工況下，小邊距試件開裂位移為(0.2～0.4)Δp(極限荷載位移)，而開裂荷載為(0.45～0.7)Fp(極限荷載)；在橫向受剪和縱向受剪受力工況下，小邊距試件開裂位移為(0.2～0.4)Δp，而開裂荷載為(0.45～0.6)Fp；試件開裂位移均較小而開裂荷載較大，試件一旦開裂后，裂縫便迅速發(fā)展并較快達到極限承載力，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

(4) 試驗結果表明，試件普遍承載力較低，延性較差，而錨軌本身強度較高，性能較好。建議在實際使用中配置適量鋼筋，這樣可以充分利用混凝土的良好抗壓性能及錨軌的高強特性，從而提高試件的承載能力和變形能力。

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Test Study on Tensile and Shear Behavior of Cast-in Channels

ZHANG Shizhuo*ZHOU Deyuan FU Zongchao LI Yongchao

(Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In order to study the tensile and shear behavior of cast-in channels embedded in plain concrete, 34 specimens were tested under tensile forces, lateral shear forces and longitudinal shear forces. The cracking load, failure load and load-displacement curves of cast-in channels under different forces were obtained. The brittle fracture characteristic and failure mechanism of specimens were analyzed. It was found that the main failure mode of cast-in channels embedded in plain concrete is the tensile brittle fracture of concrete. The cracking displacement is small while the cracking load is relatively large. The descent part of load-displacement curves are steeper. The bearing capacity of specimens is low and the ductility is poor. According to the test results and the product standards of Halfen, this paper provides recommended values of working load and proposes recommendations to improve the behavior of cast-in channels.

cast-in channel, pulling-out bearing capacity, shearing capacity, failure mode

2014-03-03

*聯(lián)系作者，Email: zszgetit@126.com