膠粘型錨栓的應(yīng)用與設(shè)計

1、膠粘型錨栓的應(yīng)用與設(shè)計本文回顧了膠粘型錨栓的發(fā)展歷史，對特殊倒錐形螺桿的受力機理、破壞模式和抗震應(yīng)用做了詳細(xì)的闡述。結(jié)合新出版混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范GB50367-2013，對某一加固案例做了抗拉、抗剪承載力的計算和結(jié)構(gòu)構(gòu)造校核。錨固技術(shù)可分為預(yù)埋式錨固和后錨固技術(shù)，預(yù)埋式錨固技術(shù)是在混凝土澆注前預(yù)先在模板內(nèi)埋置錨固件，稱為預(yù)埋技術(shù)；后錨固則是在已硬化的混凝土構(gòu)件上鉆孔，將錨栓置入混凝土孔洞中，利用錨栓的自鎖鍵原理或化學(xué)粘結(jié)作用，使新增結(jié)構(gòu)構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)有效連接。后錨固連接構(gòu)件按工作原理和構(gòu)造的不同，可分為機械式錨栓（如膨脹型錨栓、擴孔型錨栓、模擴底錨栓、膠粘-模擴底錨栓）和粘結(jié)式錨栓（化學(xué)錨栓

2、、化學(xué)植筋或螺桿等）。機械錨栓主要依靠錨栓端頭的機械內(nèi)鎖作用將荷載傳遞到周圍混凝土中，機械式錨栓安裝快捷，適用范圍廣泛，對施工要求不高，但該類錨栓安裝和使用過程中會引起基材混凝土內(nèi)部開裂從而降低其承載力，耐久性差，不適用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，一般用于幕墻、設(shè)備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。粘結(jié)錨栓是通過化學(xué)膠體的粘結(jié)作用傳遞荷載，化學(xué)錨栓與機械錨栓一般長度固定，化學(xué)植筋（螺桿）與化學(xué)錨栓的作用機理相近，只是埋置深度可以根據(jù)需要靈活設(shè)置。因此，承重結(jié)構(gòu)用的膠粘型錨栓已大量用于工業(yè)與民用建筑、道路橋梁、水電工程和海洋工程。規(guī)范知識1與廣泛的工程應(yīng)用相比，我國后錨固技術(shù)的理論研究相對滯后，工程應(yīng)用中多依據(jù)產(chǎn)品說明或僅憑經(jīng)驗

3、，且目前市場上的錨栓與粘結(jié)劑良莠不齊。2006年我國第一本加固方面的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范GB50367-2006面世，可以說在加固應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域有了指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。條文，應(yīng)采用有機械鎖鍵效應(yīng)的后擴底錨栓，也可采用適應(yīng)開裂混凝土性能的定型化學(xué)錨栓。對于定型化學(xué)錨栓的定義，條文說明給出了明確的解釋：由于目前化學(xué)錨栓（也稱粘結(jié)型錨栓）在市場上品牌多，存在著魚龍混雜的現(xiàn)象，兼之不少單位在設(shè)計概念和設(shè)計方法上還很混亂，因而不能任其在承載結(jié)構(gòu)中濫用。為此，本規(guī)范經(jīng)過篩選僅納入一種能適應(yīng)開裂混凝土性能的定型化學(xué)錨栓”。其所以冠以定型”作為定語，一是因為需要與其他化學(xué)錨栓相區(qū)別；二是因為目前能安全地用

4、于承重結(jié)構(gòu)的化學(xué)錨栓，均是經(jīng)過定型設(shè)計和安全認(rèn)證后才投入批量生產(chǎn)的，雖然有不同品牌，但其承載原理都是相同的，即通過材料粘合和具有擠緊作用的鍵形嵌合來共同承載，從而達到提高錨固安全性之目的。由此可知，也正是因為有了定型設(shè)計和認(rèn)證”這一前提，才能制定其性能和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，也才能做出如何進行抽樣檢驗的規(guī)定。即將出版的混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范GB50367-2013，對粘結(jié)型錨栓的功能、有效錨固深度和螺桿類型進一步做了深化。條文，應(yīng)采用有鎖鍵效應(yīng)的后擴底錨栓。這類錨栓按其構(gòu)造方式的不同，又分為自擴底、模擴底和膠粘-模擴底三種；承重結(jié)構(gòu)用的膠粘型錨栓，應(yīng)采用特殊倒錐形膠粘型錨栓（見圖1）。1-膠粘劑；2-錐

5、形螺栓；3-全螺紋螺桿；D-鉆孔直徑；d-全螺紋螺桿直徑；hef-錨栓的有效錨固深度特殊倒錐形膠粘型錨栓圖1新版加固規(guī)范GB50367-2013基于全國建筑物鑒定與加固標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會近10年來對各種化學(xué)錨栓所進行的安全性檢測及其使用效果的觀察結(jié)果，對其設(shè)計概念和計算方法做了兩項修訂工作：一是不再采用化學(xué)錨栓”這個不科學(xué)的名稱，而改名為膠粘型錨栓”二是在經(jīng)過篩選后，僅納入能適應(yīng)開裂混凝土性能的特殊倒錐形膠粘型錨栓”受力機理2錨栓的破壞模式大致可以分為錨栓鋼材破壞、混凝土錐體-粘結(jié)復(fù)合型破壞、混凝土基材破壞、拔出破壞和粘結(jié)破壞五種。除錨栓本身鋼材破壞外，其它四種破壞均為脆性破壞，破壞前沒有明顯的征

6、兆，同時錨栓承載力沒有充分發(fā)揮，國內(nèi)外規(guī)范均規(guī)定錨栓連接應(yīng)控制為鋼材延性破壞，避免混凝土錐體破壞和拔出破壞。大量的試驗表明，倒錐形螺桿的粘結(jié)錨栓承載機理為扭矩控制型粘結(jié)錨栓，其設(shè)計原理是：螺桿和膠體之間粘合力需小于膠體和孔壁之間的附著力（見圖2），以保證螺桿能在粘結(jié)劑結(jié)合面間產(chǎn)生位移；因位移產(chǎn)生的應(yīng)變，使螺桿通過膠粘劑作為載體對混凝土基材孔壁產(chǎn)生應(yīng)力；由于螺桿的倒錐形形狀，能在混凝土基材中產(chǎn)生類似于后擴底錨栓的鎖鍵力（見圖3）;同時如果粘結(jié)劑的流動性良好，并具備一定的混凝土滲透和灌縫能力，將在注射后，在一定的擴散半徑內(nèi)提高此區(qū)域內(nèi)混凝土的整體強度，減少或避免此區(qū)域內(nèi)裂縫的發(fā)生和擴張。粘結(jié)截面圖

7、2鎖鍵力圖3設(shè)計應(yīng)用3膠粘型錨栓（定型化學(xué)錨栓）的設(shè)計，舊版加固規(guī)范GB50367-2006條文規(guī)定：1）當(dāng)采用定型化學(xué)錨栓時，其產(chǎn)品說明書標(biāo)明的有效錨固深度：對承受拉力的錨栓，不得小于8.0d。（do為錨栓公稱直徑）；對承受剪力的錨栓，不得小于6.5do。當(dāng)定型化學(xué)錨栓產(chǎn)品說明書標(biāo)明的有效錨固深度大于10do時，應(yīng)按植筋的設(shè)計規(guī)定核算其承載力。因為考慮到11do以上的錨栓已不適于采用錨栓原理計算，況且過大埋深的錨栓在素混凝土中承載也很難在構(gòu)造上保證其安全，同時，建筑結(jié)構(gòu)不可能給出很大的錨栓間距和邊距，為此，鋼筋混凝土構(gòu)件中應(yīng)用的錨栓應(yīng)按植筋原理設(shè)計。2）當(dāng)在地震區(qū)承重結(jié)構(gòu)中采用錨栓時，定型化

8、學(xué)錨栓僅允許用于設(shè)防烈度不高于7度的建筑物。原因是這類錨栓在我國應(yīng)用時間尚不長，缺乏震害資料，還是以穩(wěn)健為妥。新版加固規(guī)范GB50367-2013結(jié)合多年的安全性檢測及其使用效果，對錨固深度和地震區(qū)應(yīng)用做了條文增補：1）如圖1所示，全螺紋倒錐形螺桿的有效錨固深度不得大于9do，其它類型倒錐形螺桿的有效錨固深度則不得大于12do;2）當(dāng)在抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)中使用特殊倒錐形膠粘型錨栓時，僅允許用于設(shè)防烈度不高于8度、且建于I、II類場地的建筑物。綜上所述可知，新版加固規(guī)范對粘結(jié)型錨栓的埋置深度要求更為嚴(yán)格，但放寬了其在地震區(qū)域的應(yīng)用范圍。計算案例4某構(gòu)件為承載結(jié)構(gòu)，混凝土強度為C30,厚度為250

9、mm,基材內(nèi)無邊緣箍筋，鋼筋間距150mm分別承受軸心拉力N=10kN,水平剪力V=5kN,粘結(jié)型RE500SD配合倒錐形螺桿的錨栓直徑為M16，有效錨固深度125mm,間、邊距布置如圖4所示。承載力校驗依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范GB50367-2013。錨栓布置圖44.1混凝土錐體破壞的抗拉承載力校驗2=2A叭久広研符合設(shè)計。1）膠粘型錨栓對粘結(jié)強度的影響系數(shù)：業(yè)=0.90。2）構(gòu)件邊距及錨固深度等因素對基材受力的影響系數(shù)：抵h=0.953）荷載偏心對群錨受拉承載力的影響系數(shù)：e,N=1.0（無偏心荷載）4）混凝土呈錐形受拉破壞的實際錐體投影面積:4）混凝土呈錐形受拉破壞的實際錐體投影面積:

10、m2。5）單個錨栓引起的基材混凝土呈錐形受拉破壞的錐體投影面:6）基材混凝土受拉承載力修正系數(shù):Cpe,NAc,N/Ac,NIpN=號h-0.95xk0 x268750140625二L824.2混凝土邊緣破壞的受剪承載力校驗-17,684kN5kS，符合設(shè)計。1）邊距比C2/C1對受剪承載力的影響系數(shù)：0V=0.7+0.2乞51，取值1.02）邊距厚度比C1/h對受剪承載力的影響系數(shù):3）剪力與垂直于構(gòu)件自由邊的軸線之間的夾角對受剪承載力的影響系數(shù)：帕v=1.04）構(gòu)件錨固區(qū)配筋對受剪承載力的影響系數(shù)：u,v=1.0（邊緣無配筋）。5）荷載偏心對群錨受剪承載力的影響系數(shù)：e,V=1.0（無偏心

11、荷載）。6）錨栓受剪承載力不受其邊距、間距及構(gòu)件厚度的影響時，其基材混凝土呈半錐體破壞的側(cè)向投影面積：A0c,v=4.5C2i=4.5：2002=180000mm2。7）錨栓有間、邊距或構(gòu)件厚度影響下的側(cè)向?qū)嶋H投影面積：Ac,v=（1.5C1+S2+I.5C1）1.5Ci=（1.5200+125+1.5冕00）X.5：200=21750mm2。8）考慮各種因素對基材混凝土受剪承載力影響的修正系數(shù)：4.3錨栓連接承受拉力和剪力復(fù)合作用校驗符合設(shè)計。4.4構(gòu)造規(guī)定校驗1）基材厚度hmin=250mm1.5hef=188mm;滿足要求。2）承載結(jié)構(gòu)用的錨栓：直徑不得小于12mm；滿足要求。3）有效錨固深度hef=125mm125mm；滿足要求。4）邊距C1=200mm0.8hef=100mm;滿足要求。5）間距S2=125mn10hef=125mm;滿足要求。結(jié)語51）膠粘劑的錨固性能對倒錐形螺桿在基材中能否形成鎖鍵功能至關(guān)重要，但目前這方面的研究還不夠，