膨胀型混凝土用建筑锚栓拉拔试验研究_张曙光

50 低温建筑技术 2003年第6期(总第96期)

膨胀型混凝土用建筑锚栓拉拔试验研究

张曙光, 邹超英

(11长春工程学院, 长春 130012; 21哈尔滨工业大学建筑工程学院, 哈尔滨 150090)

=摘要> 对埋置于混凝土中的膨胀型建筑锚栓进行拉拔试验,利用弹性理论对混凝土体内受集中力作用时的应力状态进行弹性分析,结合修正的莫尔库仑材料破坏准则确定了锚栓在轴向拉拔力作用下的弹性极限荷载,根据极限平衡条件得出拉拔极限承载力的计算公式。

=关键词> 建筑锚栓;弹性分析;弹性极限荷载;拉拔承载力

=中图分类号> TU41314 =文献标识码> A =文章编号> 1001-6864(2003)06-0050-03

THEPULL-OUTEXPERIMENTSTUDYANDTHEORITIALANALYSISOF

EXPANSIONBUILDINGANCHORSINCONCRETE

ZHANGShu-guang, ZOUChao-ying

(1.ChangchunEngineeringCollege,Changchun130012,China;

2.HarbinIndustryUniversity,Harbin150090,China)

Abstract:Inthisarticle,theexpansionbuildinganchorsembeddedintheconcreteandsubjectedtotheconcentratedtensionloadaretested.Byusingelastictheory,theelasticstressconditionwithaconcentratedten-sileforceinconcretebodyhavebeengot.Wehavealsogotelasticultimateloadandpul-loutcapacityoftheex-pansionanchorsbyusingModifiedCoulombmaterialfailurecriterionandultimateequation.

Keywords:buildinganchor;elasticanalysis;elasticultimateload;pul-loutultimatecapacity

混凝土用建筑锚栓是指在硬化后的混凝土基材上钻孔安装连接件的紧固件,由锚固部件和紧固部件组成如图1所示。其中锚固部件是在混凝土钻孔内产生锚固作用的零件,如膨胀套、膨胀锥;紧固部件是在混凝土钻孔外用于连接或紧固固定件的标准件,如螺柱、螺栓、锚杆、螺母、垫片等。其材质主要为碳钢、不锈钢及优质合金钢。按与混凝土锚固结合的原理不同,可分为膨胀摩擦型栓、后切扩底型锚栓及化学粘结型锚栓。本文仅就膨胀摩擦型锚栓(图1)

进行研究。

111 试验测试内容

试验在哈尔滨建筑大学试验室完成,实验装置见图2。

1固定螺帽;2盖板;3力传感器;4柱塞式液压千斤顶;

5球铰;6反力架;7拉杆;8联接件;9膨胀摩擦型锚栓;10混凝土基材

图2 试验装置

测试内容主要有三项:第1项,测定膨胀摩擦型锚栓在

图1 膨胀摩擦型锚栓

轴向拉拔力作用下的力-位移(P-$)变化全过程曲线;第2项,测定弹性极限荷载、极限承载力以及破坏形态;第3项,测定发生混凝土锥体破坏时的锥体半径及锥体高度。拉拔力由液压柱塞式穿心千斤顶通过反力架提供,拉拔力的大小用量程为100kN的拉压力传感器测定,位移用两个对称放置的机电百分表测定,并将力传感器和机电百分表通过动态电阻应变仪接到X-Y函数记录仪上,自动记录力-位移的全过程曲线。试验前首先对力传感器和机电百分表进行标定。

膨胀摩擦型锚栓,是利用锚杆锥体与膨胀套间的相对移动,使膨胀套膨胀,与混凝土孔壁产生膨胀挤压力,并通过剪切摩擦作用,实现对固定件的锚固。它主要有扭矩控制型和位移控制型两种。前者以扭矩控制,后者以变形控制。摩擦型锚栓工艺简单,锚固快捷并且安全可靠,因而广泛的应用于混凝土中的锚固。1

张曙光等:膨胀型混凝土用建筑锚栓拉拔试验研究51

112 混凝土试件的制作与膨胀摩擦型锚栓的选用

为满足试验要求,本次试验设计的混凝土试件为2000mm@2000mm@200mm混凝土板。混凝土试件的强度等级有C30与C50两种。采用机械搅拌,表面振捣器振捣、抹平,在室外条件浇水覆盖养护。每罐混凝土预留100mm@100mm@100mm试块3个,养护条件与混凝土试件相同。

试验选择的膨胀摩擦型锚栓是由国内两个厂家生产的,有M8、M10、M12、M14、M16五种规格。其中Ñ型膨胀摩擦型锚栓M8、M10、M12、M16每种规格10个,M14的2个;Ò型膨胀摩擦型锚栓M8、M10、M12每种规格5个。

试验时,排除间距和边距的影响设置锚栓的锚固位置。即保证每根膨胀摩擦型锚栓周围的混凝土面积足够大,不会因周围混凝土面积不足而导致锚栓的承载力降低。2 试验结果及分析

211 膨胀摩擦型锚栓在轴向拉拔力作用下的(P-$)曲线

单根膨胀摩擦型锚栓受轴向拉拔力作用时,试验实测结果表明,力-位移(P-$)全过程曲线,可将该曲线大致划分为三个阶段。

第一阶段:力-位移(P-$)曲线基本呈线性关系,处于弹性状态。此阶段的最高荷载为弹性极限荷载,用Pe表示。

第二阶段:在力增长不大的情况下,位移增长较大,力-位移(P-$)曲线有明显的偏折,此时荷载增大的同时位移增长较快,直至达到极限承载力,用Pu表示。

第三阶段:曲线达到极限承载力后,荷载值减小,而位移增长迅速,至发生破坏。

单根膨胀摩擦型锚栓受轴向拉拔力作用时,其破坏形态有以下四种:

(a) 混凝土锥体破坏,见图3(a);(b) 锚杆拉断,见图3(b);

(d) 锚栓整体由混凝土孔中滑出见图3(d)

。

表1为国产Ñ型膨胀摩擦型锚栓埋置于C30混凝土中,在埋深不同情况下,拉拔极限承载力实测值。

表1

规格M10M10

M10M10M16M16M16

极限承载力实测值

实测立方体抗压强度值fcu(MPa)

[***********]1235123512

埋深

(mm)[1**********]157

极限荷载(kN)12.[***********][1**********]115

混凝土破坏

形态锚栓拔出锥体破坏锥体破坏锥体破坏锥体破坏锥体破坏锥体破坏

由实测拉拔极限承载力随锚栓埋深变化情况可以看出,极限承载力随着埋深(h)的增大而增加,原因在于混凝土锥体的破裂面面积随埋深增加而增加。但极限承载力的最大值受到锚栓本身材料力学性能的限制,因此承载力不能随埋深无限度增加。

21212 混凝土基材强度对拉拔承载力的影响

影响膨胀摩擦型锚栓拉拔极限承载力的另一个重要因素是混凝土强度。混凝土基材的强度越高,单根锚栓拉拔极限承载力越大。表2为锚栓埋置于不同强度混凝土基材上的拉拔极限承载力实测值。

表2 随强度变化的锚栓拉拔承载力实测值

膨胀摩擦

规格

型锚栓Ñ型Ñ型Ñ型Ñ型

M16M16M16M16

混凝土实测抗压强度fcu(MPa)

[**************]1

埋深

(mm)55554848

承载力

破坏形态

(kN)45.[1**********]17

锥体破坏锥体破坏锥体破坏锥体破坏

21213 安装扭矩对拉拔承载力的影响

安装膨胀摩擦型锚栓时,用扭力扳手施加扭矩拧紧锚栓,此时锚栓的锚杆锥体部分同膨胀套之间产生相对位移,膨胀套对混凝土孔壁产生膨胀力,使轴向的拉力通过摩擦转移至混凝土。当拧紧的扭矩小时,膨胀力小,在锚栓受拉力初期,锚栓与混凝土孔壁间会产生一定程度的滑移,导致锚栓实际埋深减小,承载力减小。随着扭矩的增加初始滑移量减少,当扭矩达到一定值后,加载初期的滑移就基本消除,然而扭矩也不能过大,否则会将锚杆拧断或将混凝土胀裂。3 混凝土体内受集中力时的极限状态分析

图3 锚栓的4种破坏形态

311 理论公式的建立

混凝土中锚固的锚栓在受到轴向拉拔力时,假定混凝土为各向同性体,根据弹性力学的基本理论,采用加设虚拟力的方法和叠加法,对混凝土体内受集中力作用时的应力状态进行弹性分析,得出半无限体体内受集中力作用时应力分布的极坐标近似解析解(RrRHRzS)[5],(R1R2R3)[5]。

利用弹性分析结果结合修正的莫尔库仑材料破坏准则推断出,混凝土体内受集中力作用时的破坏面为锥体,破坏的原因是主拉应力达到了混凝土抗拉强度引起的断裂。并据此推导出拉拔力的弹性极限荷载,根据极限平衡条件推导出拉拔力的极限承载力的计算公式如下:

Pc182ft#h2e=1c124fth2=4

(1)(2)

试验中多发生(a)这种破坏;(b)这种破坏发生在锚栓埋深过大时(本试验未发生);(c)这种破坏发生在锚栓的锚杆锥头过小时(本试验仅有一根锚栓发生这种破坏);(d)这种破坏发生在锚栓的埋深过小时。

2.2 影响膨胀摩擦型锚栓拉拔极限承载力的因素21211 锚栓的埋置深度对拉拔极限承载力的影响

影响膨胀摩擦型锚栓的拉拔极限承载力的一个重要因素是锚栓的埋置深度(简称为埋深),用h表示。埋深不同时,其拉拔极限承载力值也不相同,而且不同的埋置深度将得到不同的破坏形态。当锚栓的埋深较浅时,锚栓在轴向拉力作用下可能由孔中滑出;埋置至一定深度时,会拔出一个,

52 低温建筑技术 2003年第6期(总第96期)

式中:Pce)弹性极限荷载;

Pcu)极限承载力;ft)混凝土轴心抗拉强度;h)锚栓的埋深。

312 理论公式与试验结果的对比

弹性极限荷载的理论计算值与实测值符合很好,拉拔极限承载力的理论计算值与实测值符合较好,因此可以分别用式(1)、式(2)计算锚栓的弹性极限荷载和拉拔极限承载力。4 结语

411 混凝土体内受集中力作用时的应力分布表3

锚栓型号Ñ-M8Ñ-M8Ñ-M10Ñ-M10Ñ-M10Ñ-M10Ñ-M16Ñ-M16Ñ-M10Ò-M10Ò-M12Ò-M12

埋深(mm)[***********]494050

弹性极限荷载实测值

Pe(kN)

8.299.059.8010.6012.8012.8011.309.0512.8012.809.0513.60

弹性极限荷载理论值

Pce(kN)

5.407.056.708.928.928.927.408.928.5310.607.0511.00

混凝土体内受集中力作用时的正应力、剪应力随z及r的增大迅速减小,当达到z=0.6h,r=2h后趋于平缓且保持基本不变。轴向正应力、径向正应力和剪应力的共同作用使混凝土发生锥体破坏,环向正应力始终是拉应力,是混凝土发生锥体破坏时锥体沿径向开裂的原因。

412 影响单根膨胀摩擦型锚栓拉拔极限承载力的主要因素

通过对单根膨胀摩擦型锚栓拉拔极限承载力理论计算式和试验结果的对比分析可以看出,拉拔极限承载力主要与锚栓的埋深及混凝土基材的强度有关。其相关关系是:埋深越深、混凝土强度越高,单根锚栓的拉伸极限荷载越大。

理论公式计算值与试验结果的对比

Pe1.541.281.461.181.441.441.531.011.501.211.281.23

拉拔极限承载力实测值

Pu(kN)

15.0822.6222.6217.3421.1122.6227.1424.8832.4240.7154.2852.02

拉拔极限承载力理论值

Pcu(kN)

12.5716.3820.7215.6818.0620.7220.7219.8820.7226.7433.3233.32

PuPu1.201.381.091.111.161.091.311.251.561.521.631.56

注:Ñ、Ò为两个不同厂家生产的国产膨胀摩擦型锚栓;混凝土实测立方体抗压强度3512MPa;轴心抗拉强度2.42MPa。

413 设计选用膨胀摩擦型锚栓时应考虑的主要问题

在选用膨胀摩擦型锚栓时应考虑以下主要问题:膨胀摩擦型锚栓的埋深、规格(锚栓本身的材料和直径)及混凝土基材的强度;同时在设计群锚连接时,注意锚栓的间距和边距。

在膨胀摩擦型锚栓安装时,要注意钻孔质量和清孔质量以及紧固时的扭矩。

参考文献

[1] 徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,1987.[2] 孙训芳.材料力学(下册)[M].北京:高等教育出版社,1992.

[3] 宋启根,等.钢筋混凝土力学[M].南京:南京工学院出版社,

1986.

[4] 姚振纲,等.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社,1996.[5] 张曙光.混凝土用建筑锚栓(膨胀型)拉伸性能研究[D].哈尔滨

建筑大学,1999,12.

[收稿日期] 2003-07-07

[作者简介] 张曙光(1968-),男,吉林白山人,副教授,硕士,

从事结构工程专业。

欢迎订阅1四川建材2

1四川建材2杂志系四川省经贸委建材行业管理办公室主管,四川省建材科研院主办,全国公开发行,全国优秀建材期刊,统一刊号:ISSN1672-4011,CN51-1175PTU。

1四川建材2杂志融权威性、学术性、服务性于一体,是建材科技人员发表学术论文,展示科研成果的理想舞台,是建材企业、商家了解国家政策法规,交流企业信息,把握建材商情的主要宣传阵地。

1四川建材2杂志主要栏目有:建材工业论坛、水泥技术、新型建材、墙材改革技术、化学建材、玻璃与陶瓷、探索与争鸣、国外技术、技术讲座、服务指南、信息荟萃等。

1四川建材2杂志每期定价8100元,年订费48100元(含邮资)。地址:成都市马鞍西路15号邮编:610081开户行:农行德盛支行解北分理处电话:83338610

帐号:[**************]单位:四川建材杂志社