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1、后锚固技术在结构加固中的应用及质量控制* 博士、教授同济大学 土木工程学院2009年11月18日1n一、后锚固的种类n二、后锚固的机理n三、后锚固技术适用范围n四、后锚固技术在结构加固中的运用 n五、后锚固技术的质量控制内容提要2一、后锚固的种类n根据混凝土结构后锚固技术规程（JGJ1452004）的分类，后锚固连接包括膨胀型锚栓连接、扩孔型锚栓连接、粘结型锚栓连接及化学植筋四大类。3n锚栓种类根据欧洲规范分为膨胀型锚栓、扩孔型锚栓及粘结型锚栓三大类n中国产品规程混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓（JG1602004）中只有膨胀型锚栓、扩孔型锚栓两类。n另外还有混凝土螺钉（Concrete Scr
2、ews）、射钉、混凝土钉等，都属于锚栓范围。4二、后锚固的机理n后锚固是在已经硬化的既有混凝土结构上或砌体结构上通过相关技术手段的锚固。根据后锚固连接的类型，其锚固的原理有所不同。5n膨胀型锚栓连接利用锥体与膨胀片（或膨胀套筒）的相向移动，促使膨胀片膨胀，与孔壁混凝土产生膨胀挤压力，并通过剪切摩擦作用产生抗拔力，实现对被连接件锚固的一种组件。6n图1 扭矩控制式膨胀型锚栓7n图2 位移控制式膨胀型锚栓 8n扩孔型锚栓连接通过对钻孔底部混凝土的再次切槽扩孔，利用扩孔后形成的混凝土承压面与锚栓膨胀扩大头间的机械互锁，实现对被连接件锚固的一种组件。9图2 扩孔型锚栓10n粘结型锚栓连接以特制的化学胶
3、粘剂（锚固胶），将螺杆及内螺纹管等胶结固定于混凝土基材钻孔中，通过粘结剂与螺杆及粘结剂与混凝土孔壁间的粘结与锁键（interlock）作用，以实现对被连接件锚固的一种组件。11n图3 粘结型锚栓12n化学植筋以化学胶粘剂锚固胶将带肋钢筋及螺杆胶结固定于混凝土基材钻孔中，通过粘结与琐键作用，以实现对被连接件锚固的一种组件。13n化学植筋锚固基理与粘结型锚栓相同，但化学植筋及螺杆由于长度不受限制，与现浇混凝土钢筋锚固相似，破坏形态易于控制，一般均可以控制为锚筋钢材破坏，故适用于静力及抗震设防烈度小于等于8度之结构构件及非结构构件的锚固连接。1415n混凝土螺钉连接构造与锚固机理与木螺钉相似，是以特
4、制工艺滚压淬制出坚硬锋利的刀口螺纹螺杆，安装时先预钻较小孔径的直孔，后将螺钉拧入，利用螺纹与孔壁混凝土间的咬合作用产生抗拔力，实现对被连接件锚固的一种组件。16n图5 混凝土螺钉17n射钉连接一种以火药为动力，用射钉枪将高硬度钢钉包括螺钉，射入混凝土、砌体或金属结构等基材内，利用其射入时与混凝土之间产生的高温（约900C），使钢钉与基材因化学熔结及夹紧作用而结为一体，以实现对被连接件的锚固。18n图6 射钉19三、后锚固技术适用范围n 各类锚栓的适用范围，除本身性能差异外，还应考虑基材是否开裂，锚固连接的受力性质，被连接结构类型，有无抗震设防要求等因素的综合影响，按规程表3.0规定采用。202
5、1n四、后锚固技术在结构加固中的运用n1、混凝土本体加固用作剪力键混凝土本体加固效果的关键是保证新、旧混凝土能共同作用，为了提高界面的抗剪能力，经常采用在结合面上打膨胀锚栓、植短钢筋。22图7 混凝土界面处理做法示意 232、混凝土加大截面加固新增钢筋的锚固钢筋混凝土梁、板、柱当截面承载力不能满足承载力要求时，当其他加固方法不适用时，可采用加大截面法加固，新增钢筋一般采用化学植筋技术锚固在既有结构的基础、梁、柱中。242526图8 混凝土柱加大截面加固 273、混凝土梁锚栓-钢板法加固混凝土结构采用粘钢、碳纤维布加固有其局限性，特别是混凝土强度、环境因素的影响往往限制了上述方法的采用，主要原因
6、是不能保证粘结效果，以及环境对粘结剂耐久性的影响，这时可以采用锚栓-钢板法进行加固。28图图9 9 简支梁锚栓简支梁锚栓- -钢板法加固钢板法加固29图10 框架梁锚栓-钢板法加固30n 后置锚栓一钢板加固法通过加固效果的确认，极限承载力评价方法分析，有隅角部构件的适用性试验得出以下结论：n本法可有效提高混凝土结构的抗弯承载能力。n加固效果取决于锚栓根数(总抗剪承载力)。但是，加固效果上限取决于钢板的强度。31n锚拴根数增加时弯曲承载能力增大，破坏型态由弯曲压坏向剪切破坏过渡。n锚栓的设置间距、早期应力的影响、螺母的施拧扭矩、螺母是否与钢板焊接等对极限承载力影响很小。n试件的承载力符合平截面假
7、定，当钢板的强度上限取锚栓的抗剪强度时计算极限承载力接近实测值。32n用土木学会混凝土标准规范推荐的抗剪承载力公式计算时将钢板视为抗拉钢筋所得的计算结果与实测值相近。n门形结构物，即使加固时部分加固范围内有负弯矩作用，如果极限状态时加固范围内全是正弯矩，则加固后承载力可用与梁式构件同样方法来评定。n门形试件隅角部未发生裂缝。因此可以认为本工法不仅适用于梁式结构，而且还适用于有隅角部的混凝土框架结构。 334、后砌墙体与混凝土结构的连接n 无论是抗震还是抵抗不均匀沉降或是抵抗混凝土和砌体差异变形，混凝土结构中的填充墙与主体结构应设置拉结钢筋，设计或施工中往往漏放或少放，一些接建工程，新砌的墙体与
8、既有结构的连接，需补放、增放、新放拉接钢筋。34图11 后砌墙体与混凝土结构的连接355、砌体与砌体的连接加固在旧房中在纵横墙的交接处，房屋的转角处没有接槎或接槎不规范，在不均匀沉降、振动等的影响下会沿接槎开裂36图12 砌体与砌体的连接加固37五、后锚固技术的质量控制5.1 后锚固连接的破坏n 后锚固破坏类型与锚栓品种、锚固参数、基材性能及作用力性质等因素有关，其中锚栓品种及锚固参数最为直接。破坏分类目的在于精确地进行承载力计算分析，最大限度地提高锚固连接的安全可靠性及使用合理性。38n 后锚固设计时锚栓承受的荷载主要有受拉、受剪、拉剪组合以及弯矩、扭矩等，一般情况下后装膨胀锚栓不承受压力，
9、粘结锚栓和后切式锚栓除外，遇到压力荷载作用时，受压的荷载应从锚板传递到基材上（图12a）、由垫圈传递到基材上（图12b）或由锚栓传递受压荷载（图12c）。 39图图12a12a由锚板承担由锚板承担图图12b12b由垫圈承担由垫圈承担图图12c12c锚栓传锚栓传 递受压荷载递受压荷载40n 荷载作用下，后锚固连接有锚栓或锚筋钢材破坏、混凝土基材破坏及锚栓拔出破坏（包括机械锚栓的拔出破坏和化学锚栓和化学植筋的拔出破坏）等三种破坏模式。41n5.1.1 锚栓或锚筋钢材破坏n 锚栓或锚筋钢材破坏分拉断破坏、剪坏及拉剪复合受力破坏（图13），主要发生在锚固深度hef超过临界深度hcr时，或混凝土强度较高
10、，或锚固区钢筋密集，或锚栓、锚筋材质强度较低或有效截面偏小时。此种破坏，一般具有明显的塑性变形，破坏荷载离散性较小。42n 对于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力的结构构件的后锚固连接设计，根据建筑结构可靠度设计统一标准精神，宜控制为这种破坏形式。图13 锚栓钢材破坏435.1.2 基材混凝土破坏如果发生混凝土基材破坏，主要有四种形式：（1）拉力作用下混凝土锥体破坏当锚栓受拉时，形成以锚栓为中心的一定深度的混凝土锥体受拉破坏（图14a），或受拉锥体与拔出混合型破坏（图14a）。44锥体的直径和形状与锚栓种类及基材配筋情况有关，对于膨胀型锚栓和扩孔型锚栓，破坏锥体一般较大，锥顶一般位于锚栓膨胀扩大头处
11、，锥径约三倍锚固深度（3 hef）（图14b）。45化学植筋和粘结型锚栓受拉时形成以基材表面混凝土锥体及深部粘结拔出之组合破坏形式的锥体一般较小，锥顶位于约 hef / 3处，锥径约一倍锚深，其余2hef/3为粘结拔出（图14c）。46化学植筋或粘结型锚栓受拉时，形成上部锥体及深部粘结拔出之混合破坏形式。当锚固深度小于钢材拉断之临界深度时（hef hcr），一般多发生混合型破坏。47图14a 混凝土锥体受拉破坏图14b 混凝土锥体受拉破坏图14c 混合型受拉破坏48（2）剪力作用下混凝土楔形体破坏n当锚栓受剪时，形成以基材边缘的锚栓轴为顶点的混凝土楔形体受剪破坏（图15）。n楔形体大小和形状与
12、边距C、锚深hef及锚栓外径dnom或d有关。49（3）剪撬破坏n当锚栓中心受剪时，基材混凝土沿与剪力反方向被锚栓撬坏（图16）。50基材中部锚栓受剪时，形成基材局部混凝土沿剪力反方向被锚栓撬坏的破坏形式。剪撬破坏一般发生在埋深较浅的粗短锚栓情况。51（4）劈裂破坏n当群锚受拉时，混凝土受锚栓的胀力产生沿锚栓连线的劈裂破坏（图17）。52基材混凝土因锚栓的膨胀挤压，形成沿锚栓轴线或群锚轴线连线之胀裂破坏形式，称为劈裂破坏。劈裂破坏与锚栓类型、边距c、间距s及基材厚度h 有关。基材混凝土破坏，尤其是第一、第二种破坏是锚固破坏的基本形式，特别是短粗的机械锚栓；此种破坏表现出一定脆性，破坏荷载离散性
13、较大。对于结构构件及生命线工程非结构构件后锚固连接设计，宜避免这种破坏形式。 535.1.3 拔出破坏5.1.3.1 机械锚栓拔出破坏对机械锚栓有两种破坏形式，一种是锚栓受拉时整个锚栓从锚孔中整体拔出（图18），称为拔出破坏。另一种是膨胀型锚栓受拉时，螺杆从膨胀套筒中穿出，而膨胀套筒（或膨胀片）仍留在锚孔中（图19），称为穿出破坏。54图18 机械锚栓整体拔出 图19 机械锚栓穿出破坏55n前者拔出破坏主要是施工安装方法不当，如钻孔过大，锚栓预紧力不够等情况，拔出破坏承载力很低，离散性大，难于统计出有用的承载力指标；56n后者穿出破坏是某些锚栓常见破坏现象，主要原因是锚栓设计构造不合理，如锚栓
14、套筒或膨胀片材质过软材质过软，壁厚过薄，接触表面过于光滑等，因穿出破坏缺乏系统试验统计数据，其承载力只能由厂家提供，且荷载变形曲线存在一定滑移。57n整体拔出破坏，由于承载力很低，且离散性大，很难统计出有用的承载力设计指标，因此不允许发生。58n至于穿出破坏，偶发性检验表明虽具有一定承载力，但缺乏系统的试验统计数据供应用，且变形曲线存在较大滑移，对于结构构件受拉、边缘受剪、拉剪复合受力之锚固连接，宜避免发生，一旦发生应通过承载力现场检验予以评定，且检验数量加倍，以保证应有的安全可靠性。595.1.3.2 粘结型锚栓和化学植筋拔出破坏粘结型锚栓和化学植筋拔出破坏有两种形式：一种是沿胶粘剂与钢筋界
15、面之拔出破坏形式（图20），称为胶筋界面破坏。胶筋界面破坏多发生在粘结剂强度较低，基材混凝土强度较高，锚固区配筋较多，钢筋表面较为光滑（如光园钢筋）等情况。60另一种是沿胶粘剂与混凝土孔壁界面之拔出破坏形式（图21），称为胶混界面破坏。胶混界面破坏主要发生在锚孔表面处理不当，如未清孔（存在大量灰粉），孔道过湿，孔道表面被油污等。61拔出破坏多发生在锚深过浅时，其性能远不如钢材破坏好。对化学植筋，不论是结构构件或非结构构件，应避免发生拔出破坏；对于粘结型锚栓，因长度有限，当为受拉、边缘受剪、拉剪复合受力之结构构件，宜避免发生拔出破坏。62图20 化学植筋沿胶筋界面拔出 图21 化学植筋沿胶混界面
16、拔出635.2 后锚固连接的材料控制5.2.1基材的检查作为后锚固连接的母体基材混凝土构件和砌体构件应坚实、坚固、可靠，相对于被连接件，应具有较大体量64同时，基材结构本身尚应具有相应的安全余量，以承担被连接件所产生的附加内力和全部附加荷载，并获得较高锚固力。存在严重缺陷和材料强度等级较低的基材，锚固承载力也低，且很不可靠。65连接结构的荷载通过锚栓的机械内锁、摩擦、粘结等作用传递到基材上，一般情况下，荷载传递性能的确定、连接依靠基材混凝土或砌体的抗拉能力。因此规程要求基材混凝土强度等级不应低于C20，基材混凝土强度指标及弹性模量取值应根据现场实测结果，按现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010确定。66风化混凝土和砌体、严重裂损混凝土和砌体、不密实混凝土、结构抹灰层、装饰层等，均不得作为锚固基材。675.2.2 锚栓材质及力学性能的控制n混凝土结构所用
