后錨固錨栓抗震性能檢測技術(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

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京，100024）

0 引言

地震時非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞會造成較嚴重的人員傷亡和巨大的財產(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)件需要通過錨栓與主體結(jié)構(gòu)固定連接，地震時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地震時確保人員安全和減小地震造成的財產(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準要求是地震區(qū)工程安全選用的重要技術(shù)指標。歐美規(guī)范只要通過其指定的測試，各種錨栓都能用于相關(guān)應(yīng)用場合；我國規(guī)范對用于非結(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)、錨栓類型、錨栓是否適用于開裂混凝土以及建筑抗震設(shè)防類別等進行選用。表1為各國后錨固規(guī)范介紹[1]。

表1 各國后錨固規(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)件連接時不允許使用位移控制式膨脹錨栓。后擴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。化學錨栓抗震性能試驗應(yīng)符合現(xiàn)行標準JG/T 160-2017《混凝土用機械錨栓》[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。當在抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)中使用錨栓時，應(yīng)采用后擴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類場地的建筑物。用于抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)或承受動力作用的錨栓，其性能應(yīng)通過現(xiàn)行標準JG/T 160-2017的低周反復(fù)荷載作用或疲勞荷載作用的檢驗。

現(xiàn)行規(guī)范JG/T 160-2017中錨栓適用條件明確規(guī)定機械錨栓只有S類錨栓是可承受地震作用的錨栓，S類錨栓需通過本標準的抗震性能專項試驗。

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錨栓和機械錨栓的抗震性能均需通過JG/T 160-2017的抗震性能專項試驗。

2 后錨固錨栓抗震性能專項試驗方案

2.1 試驗用錨栓

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

表2 通過型式檢驗的錨栓類型

2.2 試驗設(shè)備

本次試驗采用兩種型號設(shè)備，即國內(nèi)首臺單作用液壓伺服作動器抗震試驗臺和雙作用液壓伺服作動器抗震試驗臺（見圖1），其中單作用液壓伺服作動器抗震試驗臺已取得發(fā)明專利1項，實用新型專利2項。單作用液壓伺服作動器抗震試驗臺采用恒壓伺服泵站，力值范圍0-500kN，頻率范圍0.1-10Hz。雙作用液壓伺服作動器抗震試驗臺采用2個1000kN裂縫開合用伺服作動器，1個300kN雙向伺服作動器，5個變形傳感器，1套電液伺服三通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)。試驗臺工裝配筋混凝土構(gòu)件長度最大2米，寬度最大1.5米；混凝土裂縫為自然開縫，裂縫可通過配筋的超高強度鋼筋自由閉合（見圖2）。

圖1 雙作用液壓伺服作動器抗震試驗臺

圖2 雙作用液壓伺服作動器抗震試驗臺現(xiàn)場工裝

2.3 變幅脈動拉伸荷載性能試驗方法與結(jié)果分析

2.3.1 試驗方法

變幅脈動拉伸荷載性能試驗時，用中等磨損鉆頭在抗拉強度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個錨栓孔，然后擴展裂縫并保持裂縫寬度在0.5mm，沿錨栓軸線方向施加如表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。變幅脈動拉伸荷載如圖3所示。上限荷載按標準中的規(guī)定取值。循環(huán)過程連續(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，對錨栓進行剩余承載力檢測。

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

圖3 變幅脈動拉伸荷載示意圖

2.3.2 結(jié)果分析

變幅脈動拉伸荷載性能試驗結(jié)果如表4所示。經(jīng)過變幅脈動拉伸荷載性能試驗后，模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開裂混凝土上拉伸基準試驗抗拉承載力平均值相比分別下降了25%、15%、54%。模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅰ級錨固性能指標的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅱ級錨固性能指標的技術(shù)要求。

表4 變幅脈動拉伸荷載性能試驗結(jié)果

2.4 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗方法與結(jié)果分析

2.4.1 試驗方法

變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗時，用中等磨損鉆頭在抗拉強度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個錨栓孔，然后擴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)剪切荷載按標準中的規(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)時錨栓位移的最大值。往復(fù)加載過程結(jié)束后錨栓卸載，保持0.8mm裂縫下測試剩余剪切承載力。

表5 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗荷載、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)剪切荷載性能試驗結(jié)果如表6所示。經(jīng)過變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗后，模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開裂混凝土上剪切基準試驗抗剪承載力平均值相比分別下降了2%、2%、11%。模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅰ級錨固性能指標的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅱ級錨固性能指標的技術(shù)要求。

表6 變幅往復(fù)剪切荷載性能試驗結(jié)果

2.5 裂縫變幅往復(fù)開合拉伸性能試驗方法與結(jié)果分析

2.5.1 試驗方法

裂縫變幅往復(fù)開合拉伸性能試驗時，用中等磨損鉆頭在抗拉強度為（30±5）MPa的混凝土裂縫上安裝錨栓，讓裂縫貫穿整個錨栓孔，然后對錨栓施加恒定拉伸荷載Nw1，Nw1荷載按標準中的規(guī)定取值。對裂縫兩側(cè)混凝土施加一定壓力使裂縫初始寬度不大于0.05mm。控制裂縫進行正弦變幅往復(fù)開合，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荷載按標準中的規(guī)定取值。循環(huán)過程中連續(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時錨栓位移。裂縫循環(huán)完成后閉合裂縫錨栓卸載，擴展裂縫寬度為0.8mm時對錨栓進行剩余承載力檢測。

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

圖5 裂縫變幅往復(fù)開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)開合拉伸性能試驗結(jié)果如表8所示。經(jīng)過裂縫變幅往復(fù)開合拉伸性能試驗后，模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓和自攻錨栓的剩余承載力平均值與非開裂混凝土上拉伸基準試驗抗拉承載力平均值相比分別下降了27%、16%、55%。模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅰ級錨固性能指標的技術(shù)要求；自攻錨栓的試驗結(jié)果達到了JG/T 160-2017標準中Ⅱ級錨固性能指標的技術(shù)要求。

表8 裂縫變幅往復(fù)開合拉伸性能試驗結(jié)果

3 抗震性能專項試驗結(jié)果匯總與分析

對錨栓抗震性能專項測試的三項試驗匯總分析后可以得知：

1）模擴底錨栓使用機械鎖鍵原理進行錨固鎖定，經(jīng)抗震專項試驗后，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)計安全出發(fā)，模擴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）特殊倒錐形化學錨栓使用錨固膠和倒錐形螺桿進行錨固鎖定，經(jīng)抗震專項試驗后，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)計安全出發(fā)，特殊倒錐形化學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）自攻錨栓使用通過錨栓外壁的齒牙切開混凝土從而與在混凝土上形成的螺紋狀開口匹配完成錨固。經(jīng)抗震專項試驗后，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 抗震性能專項試驗結(jié)論

JG/T 160-2017中定義的S類抗震錨栓必須通過抗震性能專項測試。本文依據(jù)JG/T 160-2017的抗震專項性能試驗方法，針對模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓和自攻錨栓分別進行了抗震性能專項試驗。本文選用的模擴底錨栓和特殊倒錐形化學錨栓達到了標準中S類Ⅰ級的性能指標，自攻錨栓達到了標準中S類Ⅱ級的性能指標。模擴底錨栓、特殊倒錐形化學錨栓經(jīng)抗震專項試驗后承載力降低較少，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)抗震專項試驗后承載力降低較大，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

通過抗震性能專項試驗的錨栓并不一定是JG/T 160-2017中定義的S類抗震錨栓，S類抗震錨栓需要通過JG/T 160-2017中型式檢驗的全部項目檢測。為保證后錨固錨栓承載力設(shè)計安全，工程選材時供方應(yīng)提供符合國家相關(guān)標準要求的型式檢驗報告。