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1工程结构后锚固技术

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1工程结构后锚固技术_第1页
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工程结构后锚固技术 1 概述 2 锚栓与基材 3 后锚固连接破坏形态及锚固承载力 4 后锚固连接设计计算 5 后锚固连接构造规定 6 锚固施工与验收 附录A 锚固承载力现场检验方法 附录B 计算实例,1 概述后锚固(post-installed fastenings)是在既有工程结构上的锚固,是通过相关技术手段将被连接件(非结构构件或结构构件)连接锚固到已有结构上的技术相应于传统的预埋件—先锚,后锚固具有设计灵活(时间、空间位置不受限制)、施工简便(摸板制作、砼浇捣、结构施工及构件安装等均比较简单)等优点,是房屋装修、设备安装、旧房改造及工程结构加固必不可少的专用技术 2 锚栓与基材 2.1 锚栓的种类锚栓(Anchor)是一切后锚固组件的总称,范围很广按原材料不同分为金属锚栓和非金属锚栓按锚固机理不同分为膨胀型锚栓、扩孔型锚栓、粘结型锚栓、混凝土螺钉、射钉、混凝土钉等非金属锚栓,主要是塑料锚栓(plastic anchors),又称尼龙锚栓,是利用螺钉旋入尼龙套筒,促使套筒膨胀与基材孔壁产生挤压力,并通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(图2.1.0)因一般尼龙栓强度太低,耐久性又较差,主要用作临时性轻型挂件的锚固,故略。

图2.1.0 慧鱼尼龙锚栓系列,2.1.1 膨胀型锚栓(Expansion anchor)膨胀型锚栓(图2.1.1),简称膨胀栓,是利用锥体与膨胀片(或膨胀套筒)的相对移动,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膨胀型锚栓按安装时膨胀力控制方式的不同,分为扭矩控制式和位移控制式前者以扭力控制,后者以位移控制图2.1.1-1 扭矩控制式膨胀型锚栓,,图2.1.1-2 位移控制式膨胀型锚栓,2.1.2 扩孔型锚栓(Undercut anchors)扩孔型锚栓(图2.1.2),简称扩孔栓或切槽栓,是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扩孔型锚栓按扩孔方式的不同,分为预扩孔和自扩孔前者以专用钻具预先切槽扩孔;后者锚栓自带刀具,安装时自行切槽扩孔,切槽安装一次完成2.1.2 扩孔型锚栓,2.1.3 粘结型锚栓(Bonded anchors)粘结型锚栓(图2.1.3),又称化学粘结栓,简称化学栓或粘结栓,是以特制的化学胶粘剂(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。

目前,一般定型粘结型锚栓较为粗短,锚深较浅,对基材裂缝适应能力较差,不适于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力之结构构件及生命线工程非结构构件的后锚固连接;除专用在开裂混凝土之粘结型锚栓之外,一般粘结型锚栓也不宜用于开裂混凝土基材受拉、边缘受剪、拉剪复合受力之非结构构件的后锚固连接图2.1.3 粘结型锚栓,2.1.4 化学植筋(Bonded rebars)化学植筋包括螺纹钢筋及长螺杆(图2.1.4),是我国工程界广泛应用的一种后锚固连接技术化学植筋锚固基理与粘结型锚栓相同,但化学植筋及长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≤8之结构构件或非结构构件的锚固连接图2.1.4 化学植筋,2.1.5 砼螺钉(Concrete screws)砼螺钉(图2.1.5)的构造与锚固机理与木螺钉相似,是以特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,利用螺纹与孔壁砼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 2.1.6 射钉(Powder-actuated fasteners)射钉(图2.1.6)是一种以火药为动力,将高硬度钢钉,包括螺钉,射入砼,利用其高温(900ºC),使钢钉与砼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。

b)直接射入 c)预钻孔射入,,图2.1.6 射钉,,a)射钉种类,2.1.5 混凝土螺钉,2.1.7 锚固胶化学植筋及粘结型锚栓的锚固性能主要取决于锚固胶(又称胶粘剂、粘结剂)和施工方法,我国使用最广的锚固胶是环氧基锚固胶,因此,表2.1.7对环氧基锚固胶的性能指标及使用条件提出了要求表2.1.7 环氧基锚固胶性能指标,,,图2.1.7 锚固胶使用形态,2.2 基材(Base material)承载锚栓的母体结构材料称为锚固基材,简称基材(Base material)作为工程结构基材的种类很多,有砼、砌体、石材、金属、木材,有空心的、空心体、多孔的,有强度很高的(如花岗岩、金属)、强度极低的(如泡沫砼、多孔砖)一般情况,材质越坚实、整体性越强、体量越大的基材,其锚固性能越好,反之,材质疏松、整体性差、体量小的基材,锚固性能就较差基材锚固性能由强到弱的大致排序为:金属→花岗岩→砼→轻砼→砌体、木材→空心及多孔块材砌体→泡沫砼后锚固连接基材破坏及拔出破坏的承载力均与基材开裂否有关,未裂基材锚固承载力较高,开裂基材锚固承载力较低当式(2.2)成立时,锚固区基材可判定为非开裂混凝土,否则宜判定为开裂混凝土:,,(2.2),2.3 适用范围 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。

就国内外工程实践而言,目前一般定型锚栓由于受破坏形态控制,主要用于非结构构件的后锚固连接及受压、中心受剪(c≥10hef)、压剪组合受力之结构构件的后锚固连接注:○适用,╳不适用,△有条件应用表2.3 锚栓适用范围,3 后锚固连接破坏形态及承载力荷载作用下,后锚固连接有锚栓钢材破坏、砼基材破坏及锚栓拔出破坏等三种破坏模式 3.1 钢材破坏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3.1),主要发生在锚固深度hef超过临界深度hcr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对于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力之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a)拉断 b)剪坏图3.1 锚栓钢材破坏,3.2 混凝土基材破坏基材混凝土破坏,主要有四种形式基材破坏表现出一定脆性,破坏荷载离散性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图3.2.1 混凝土锥体受拉破坏 图3.2.2 混合型受拉破坏,图3.2.3 混凝土边缘楔形体受剪破坏,图3.2.4 基材剪撬破坏,图3.2.5 基材劈裂破坏,3.3 拔出破坏拔出破坏对机械锚栓有两种破坏形式。

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,因此不允许发生穿出破坏虽具有一定承载力,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,宜避免发生粘结型锚栓和化学植筋拔出破坏有胶筋界面拔出和胶混界面拔出两种形式对化学植筋,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,宜避免发生拔出破坏图3.3.1 机械锚栓整体拔出,图3.3.2 机械锚栓穿出破坏,图3.3.3 粘结型锚栓或化学植筋沿胶筋界面拔出,图3.3.4粘结型锚栓或化学植筋沿胶混界面拔出,3.4 锚固承载力,表3.4.1 单根锚栓极限承载力(N)统计公式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Nuc,test/Nuc,cal,,hef(mm),图3.4.1 膨胀型锚栓锚固未裂砼锥体破坏受拉极限承载力与有效锚固深度的关系,a)膨胀型锚栓 b)扩孔型锚栓 图3.4.2 裂缝宽度对砼锥体破坏受拉极限承载力的影响,Nuc,crack/Nuc,uncracked cal,Nuc,crack/Nuc,uncracked cal,0.4,0.8,图3.4.3 粘结型锚栓(筋)锚固未裂混凝土锥体组合型破坏受拉极限承载力与锚固深度的关系,图3.4.4 裂缝宽度对粘结型锚栓砼锥体组合型破坏受拉极限承载能力的影响,Nuc,crack/Nuc,uncracked,图3.4.5 边缘受剪砼楔形体破坏极限承载力与边距的关系,a) 钢材破坏时 b) 砼基材破坏时图 3.4.6 拉剪复合受力极限承载力关系,N/ Nus,N/ Nus,V/ V us,V/ V us,图3.4.7 粘结型锚栓拔出破坏极限承载力与埋深关系,图3.4.8 粘结型锚栓拔出破坏极限承载力与粘结面积的关系,Nu,p(kN),图3.4.9 砼螺钉基材破坏受拉极限承载力与锚固深度的关系,Nuc(kN),图3.4.10 射钉极限抗拔力与埋深关系,Nuc(kN),1. 受拉时混凝土锥体破坏承载力分布曲线及回归公式,按ETAG规定,在无间距和边距影响的理想条件下,单根膨胀型锚栓或扩孔型锚栓受拉时,非开裂混凝土锥体破坏承载力统计公式为:,,(1),图3.4.11 膨胀型锚栓抗拔力概率分布图,为了检验国产锚栓对公式(1)的适用情况,分别对六个厂家计8种类型锚栓,进行了锚固抗拔力试验及抗剪试验。

锚栓规格为M10~M16,锚固深度hef=53~100mm,基材为C25混凝土试验结果表明,锚栓受拉时基本上为混凝土锥体破坏,极限抗拔力波动范围较大, /Nuc=0.51~1.17,但多数仍与公式(1)计算值吻合目前国内一些锚栓的主要问题是:品种单一,构造简单,加工粗糙,大多为蹬粗螺杆与白铁皮套筒组成,拧紧时螺杆常一起转;螺母太薄,丝扣易损伤;受力时松弛滑移现象严重如图3.4.12,若以超出5%的极限变形值(≥0.05△u)作为不可接受的滑移量,那么,滑移荷载N1(或V1)与极限荷载Nu(或Vu)之比,N1/Nu=0.62~0.76,V1/Vu=0.1~0.32这一现象表明,国产某些锚栓应加以改进,使用应当特别注意图3.4.12 锚栓受拉荷载—位移曲线,,2. 化学植筋受拉时,混合型破坏承载力回归公式,化学植筋在我国建筑工程乃至整个土木工程中,应用极为普遍,量大面广JGJ145规程编制组结合我国具体情况,对化学植筋的极限抗拔力进行了较为系统地试验研究,所用胶种型号较多,有DJR-DWM胶、XH130ABC胶、XH111AB胶、XH131ABC胶、HX-JMG胶、YS-JGN胶、YJS-1胶、ESA胶、RM管装胶、ZL-JGM胶、汇丽锚固胶、管装JCT胶以及JJK型胶等;所用钢筋为Ⅱ级φ12~φ20及RGM12×160螺杆,锚固深度hef=32~215mm(hef/d=2~14.6),基材混凝土为C25~C30。

试验结果列于表3.4.2和图3.4.3由列表数值可知,随着相对锚固深度hef/d的变化,破坏形态亦在发生变化,当hef/d<9时,主要表现为混凝土锥体与钢筋拔出之混合型破坏(带锥拔出),当hef/d≥9时,则多表现为钢筋拉断破坏就混合型破坏极限承载力而言,根据国内外有效试验数据,经统计分析,提出了回归公式如下:,,(N) (4.3.4-2),3. 化学植筋受拉时,胶筋界面破坏承载力回归公式,图3.4.13 胶筋界面破坏试验简图,4. 化学植筋受拉时,胶混界面破坏承载力回归公式,图3.4.14 胶砼界面破坏试验简图,5. 地震作用下锚固承载力的变化后锚固连接在地震作用下或反复荷载下的表现,因破坏型态的不同相差很大有限的试验表明,对于钢材破坏,荷载—变形滞回曲线较为丰满,延性较好,承载能力降低可以忽略不计,k=1.0;对于基材砼破坏影响较大,尤其是受剪破坏,承载力降低系数k值,膨胀型锚栓为0.6,扩孔型锚栓为0.7;对于基材受拉破坏,膨胀型锚栓为0.7,扩孔型锚栓为0.8。

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