混凝土中自攻型錨定螺栓的受拉試驗研究

吳善能 李 廠

（同濟大學建筑工程系，上海200092）

混凝土中自攻型錨定螺栓的受拉試驗研究

吳善能 李 廠*

（同濟大學建筑工程系，上海200092）

在混凝土后錨固技術中，自攻型錨定螺栓由于其承載力大、成本低、施工效率高，已經受到越來越多的關注。通過對非注膠和注膠自攻型錨定螺栓進行試驗，比較了兩種情況下錨定螺栓的受拉極限承載力的差別，分析了試驗結果以及影響因素，并提出了自攻型錨定螺栓理想情況下錐體受拉承載力標準值的計算公式。

自攻型錨定螺栓，受拉試驗，混凝土錐體破壞，承載力標準值

1 引 言

近年來，后錨固技術以其施工方便、性能可靠、布置靈活等優點得到越來越廣泛的應用。由于在建筑工程中遇到越來越多的建筑結構改造、建筑用途的改變以及大量新建工程施工的需要，混凝土結構后錨固技術的研究和應用也變得越來越重要。

目前有一種新型螺栓，名為“自攻型錨定螺栓”，又分為注膠和非注膠兩種類型。非注膠型錨定螺栓按照其與混凝土的連接方式來看，應屬于有機械鎖鍵效應的錨定螺栓，注膠型錨定螺栓屬于粘結和機械鎖鍵雙重作用下的錨定螺栓。該螺栓施工方便，與混凝土的連接緊密，且有較高的承載力。另外，非注膠型錨定螺栓在潮濕和水中環境，照樣能正常施工。由于制作成本較低、施工速度快，在后錨固施工領域有很好的應用前景，具有良好的社會經濟效益。

Kuenzlen和Eligehausen［1］通過試驗研究了各種因素對自攻型錨定螺栓承載力的影響。分析的因素包括螺栓安裝時施加的扭矩、螺栓直徑、錨固深度、螺栓間距、混凝土開裂情況等。Olsen等［2］在Kuenzlen試驗基礎上，對更多規格（不同直徑和不同錨固深度）的錨定螺栓進一步深入研究，并參考ACI 318—08［3］，提出了錨定螺栓的受拉承載力計算公式。Olsen等主要是結合錨定螺栓自身特點通過調整混凝土錐體破壞時的有效錨固深度，使后錨固錨栓的承載力計算公式適用于錨定螺栓。他們主要是研究機械鎖鍵作用下的非注膠型錨定螺栓承載力，而沒有對注膠型錨定螺栓進行研究。

受拉拔破壞是錨定螺栓的最基本研究內容之一。本文通過對單根錨定螺栓進行注膠與非注膠情況下的軸向拉拔試驗，觀察其受力破壞過程，分析其在靜力作用下的極限承載力值，并比較兩種情況下極限承載力值的評定結果。

圖1 自攻型錨定螺栓Fig.1 Screw anchors

2 試驗方案

2.1 混凝土試件制作

基材混凝土的尺寸為2 000 mm×1 700 mm ×400 mm（厚）?；炷翉姸仍O計等級為C20、C30、C40。錨定螺栓所用鋼材為10.9級的高強鋼。混凝土28 d實測立方體抗壓強度平均值為19.05 MPa、31.14 MPa、40.09 MPa。為避免兩個錨定螺栓受拉時相互影響，基材上的任意兩個螺栓孔之間的距離對于注膠型錨定螺栓都不小于該兩個錨定螺栓的1.5倍錨深之和，而對于非注膠型錨定螺栓都不小于該兩個錨定螺栓的錨深之和。每種規格的錨定螺栓試驗個數為5個，試件基材采用素混凝土，試驗所用錨定螺栓采用浙江嘉善永大螺絲廠提供的自攻型錨定螺栓。

2.2 自攻型錨定螺栓的安裝

使用指定規格的電動鉆頭在混凝土基材上打孔，非注膠情況下鉆孔直徑約等于螺栓的直徑，注膠時鉆孔直徑比螺栓的直徑大0.5 mm左右，鉆孔深度要比錨定螺栓的錨固深度大10 mm左右。鉆孔結束后，用壓縮氣槍吹去孔中的塵埃及沙粒，并保證凊孔干凈。非注膠錨定螺栓則直接安裝，而對于注膠錨定螺栓要在安裝前先在孔底注膠，然后將錨定螺栓通過電動扳手置入孔中。安裝過程中要限制電動扳手施加的扭矩，以防止由于扭矩過大在切入混凝土的過程中損壞了螺紋。旋緊錨定螺栓，不能松動。

2.3 加載裝置

加載裝置如圖2所示。其中千斤頂傳感器和拉力端的位移計接入自動數據采集系統并通過電腦自動生成數據文件。數據采集系統設計為每秒讀取10組數據。

圖2 試驗加載裝置示意圖Fig.2 Test set－up

2.4 加載制度

參照《混凝土結構試驗方法標準》的要求，按照試驗研究的目標，將試驗加載分為兩個階段：第一階段為預加載，目的是檢驗儀器安裝的可靠性；第二階段為加載試驗，最大加載值為錨定螺栓的受拉極限承載力值，目的是研究正常使用狀態時錨定螺栓拉拔作用下的受力性能。

3 錨定螺栓錨固拉拔破壞形態

3.1 破壞模式

錨定螺栓傳遞荷載的方式與其他后錨固錨栓不同。非注膠錨定螺栓錨固系統的傳力是靠機械鎖鍵作用來完成的，注膠錨定螺栓的傳力是靠粘結作用和機械鎖鍵作用共同完成的。根據錨定螺栓拉拔試驗結果，并綜合分析前人的研究成果［4，5］，錨定螺栓的破壞模式可分為圖3－圖6所示的4種類型。

試驗結果表明，如果錨定螺栓的直徑較大且錨深很淺時將發生穿出破壞（圖3）。當錨定螺栓的埋深較淺時，在拉拔試驗中將出現混凝土錐體破壞（圖4），且破壞源于錨定螺栓端部的第一個螺紋。如果錨定螺栓的強度相對較小，錨固深度較大且混凝土強度也較大時，則會發生鋼材破壞，即錨定螺栓受拉屈服或拉斷（圖5）。當錨定螺栓的錨固深度適中時，將發生混合破壞（圖6），混合破壞的次序總是在接近拉力端發生混凝土錐體破壞，在遠離拉力端發生錨定螺栓的穿出界面破壞。

錨定螺栓應避免穿出破壞和錐體破壞的發生，一般錨固深度相對加大后都可避免出現這兩類破壞［6］。錨定螺栓破壞的最小錨固深度代表實際基本要求的最大錨固長度，這個基本錨固深度受錨定螺栓材料性能和混凝土強度的影響［7］。

圖3 穿出破壞Fig.3 Pull-through failure

圖4 錐體受拉破壞Fig.4 Cone failure

圖5 鋼材破壞Fig.5 Steel failure

圖6 混合破壞Fig.6 Combination failure

圖7 錨定螺栓破壞面Fig.7 Failure surface of screw anchors

3.2 試驗破壞過程

試驗所用試件均為直徑20 mm的錨定螺栓，在基材混凝土中錨深均為205 mm。試驗中30個錨定螺栓拉拔試驗的破壞過程基本一致，其破壞形式均是混合型破壞，其極限荷載值見表1。加載初期手動控制加載，拉力穩步上升，當加到極限荷載值的85%左右時可見錨定螺栓根部混凝土隆起，周圍出現裂縫和起皮現象，這時能聽到輕微的混凝土開裂的聲音。這是由于錨定螺栓受力伸長，而錨定螺栓的螺紋與混凝土之間的機械鎖鍵作用使錨定螺栓帶著混凝土一起變形，當混凝土中的拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土內便出現環狀裂縫。此時錨定螺栓的拉拔力仍能增加，且混凝土錐體鼓起更大。當拉力達到極限荷載值時，可見混凝土表面出現橢圓形的破壞面（圖7），隨著荷載的繼續施加，錨定螺栓被徐徐拉出。混合破壞時，混凝土錐體破壞面的半徑對注膠錨定螺栓約為1.5hnom，深度約為0.5hnom，對非注膠錨定螺栓約為hnom，深度約為1／3hnom，其中hnom是錨定螺栓的錨固深度。

4 自攻型錨定螺栓試驗結果

4.1 錨定螺栓荷載位移曲線

30個試件受拉試驗所得到的受力端荷載位移曲線中分別取典型的曲線如圖8－圖10所示。由試驗結果可見，試件的荷載－位移曲線的變化規律基本一致。

4.2 錨定螺栓的極限承載力

通過數據自動采集系統得到的荷載位移曲線，取曲線的峰值為錨定螺栓受拉承載力的極限值。根據現行后錨固技術規范［8，9］，對試驗結果的評定如表1所示。

表1 錨定螺栓的承載力試驗值評定Table 1 Bearing capacity assessment of screw anchors based on test results

由相關規范可知［8，9］，當試驗結果數據滿足N c

Rm／NRK，*≥1.1且Nmin／NRK，*≥1時，該批錨定螺栓的極限抗拔力才算合格。由表1可以看到，只有非注膠錨定螺栓在C20上的試驗結果不滿足規范的要求，其余部分均滿足要求；隨著混凝土強度等級的提高，上述兩個指標的數值也隨之增大。

對于非注膠錨定螺栓，由已有的研究結果可知［1，6，8］，其極限承載力比膨脹型錨栓和擴孔型錨栓小20%左右，與此次試驗結果較吻合。因此，應該在現有后錨固承載力計算公式的基礎上對相關系數進行相應的調整以使該公式適用于非注膠錨定螺栓受拉承載力的計算，例如調整有效錨固深度、混凝土強度等級對承載力的影響系數等。

圖8 C20混凝土中錨定螺栓的荷載位移曲線Fig.8 Load-displacement curve of screw anchors in C20 concrete

圖9 C30混凝土中錨定螺栓的荷載位移曲線Fig.9 Load-displacement curve of screw anchors in C30 concrete

圖10 C40混凝土中錨定螺栓的荷載位移曲線Fig.10 Load-displacement curve of screwanchors in C40 concrete

對于注膠型錨定螺栓，現行有關規范［8，9］中后錨固承載力計算公式要保守很多。其中最小的*兩個指標值比評定要求值大70%左右。因此，應對規范公式中的相應參數作出適當調整才能適用于注膠錨定螺栓受拉承載力的計算，例如增大理想混凝土錐體破壞受拉承載力的標準值等。

根據《混凝土結構后錨固規程》（JGJ 145—2004）［8］，未開裂混凝土中錨定螺栓極限抗拔力標準值NRk，*＝kfcu，kh1ef.5，其中k＝9.8。

根據相關規范［1，4］，破壞性試驗結果的評定見表1。表1中后面兩列分別是在非開裂混凝土中，非注膠型錨栓取k＝8.8，注膠型錨栓取k＝13.0的評定結果。綜合評定結果可知，k的取值是合理的，能夠滿足NcRm／NRk，*≥1.1且Nmin／NRk，*≥1.0要求。參考《混凝土結構后錨固規程》（JGJ 145—2004）［8］6.1.10條，開裂混凝土中的錨定螺栓受拉承載力計算公式在未開裂混凝土的基礎上除以1.4的折減系數得到［8］。

因此，建議自攻型錨定螺栓理想錐體受拉破壞的承載力標準值N0Rk，c計算公式按下式計算。

非注膠錨定螺栓：

開裂混凝土

非開裂混凝土

注膠錨定螺栓：

開裂混凝土

非開裂混凝土

5 結論與建議

（1）自攻型錨定螺栓單向拉拔的破壞模式有鋼材受拉破壞、混凝土錐體破壞、錨定螺栓的穿出破壞以及混合破壞四種形式。試驗結果表明，混合破壞呈現出非線性的破壞過程，拉力位移曲線均有較長的水平段。這說明錨定螺栓在喪失承載力前有較大變形，破壞預兆明顯。

（2）非注膠型錨定螺栓和注膠型錨定螺栓的承載力與膨脹型或擴孔型錨栓有一定的差別。非注膠型錨定螺栓的承載力要小于膨脹型或擴孔型錨栓，而注膠型錨定螺栓的承載力要大于膨脹型或擴孔型錨栓。試驗結果表明，現有的后錨固錨栓計算公式不完全適用于自攻型錨定螺栓。

（3）試驗結果表明，混凝土出現初始錐體開裂時，荷載約為受拉極限荷載的85%。

（4）根據非注膠或注膠型自攻錨定螺栓的試驗數據，并參考國內外的相關文獻資料，得到了在理想錐體破壞條件下的自攻型錨定螺栓受拉承載力標準值計算公式。

［1］ Kuenzlen JH R，Eligehausen R.Load bearing behavior of fastenings with concrete screws［J］.Otto-Graf Journal，2002，13：27-52.

［2］ Olsen J，Pregartner T，Lamanna A J.Basis for design of screw anchors in concrete［J］.ACIStructural Journal，2012，109（4）：559-567.

［3］ ACICommittee 318.ACI 318-11 Buliding code requirements for structural concrete and commentary［S］.American Concrete Institute，2011：447-469.

［4］ Stuart G A，Harrison D K，Wood B M，et al.A proposed methodology for the design and characterisation of concrete screw anchors［J］.Meccanica，2010，45：635-656.

［5］ FuchsW，Eligehausen R，Breen JE.Concrete capacity design（CCD）approach for fastening to concrete［J］.ACIStructural Journal，1995，92（1）：73-94.

［6］ 張建榮，石麗忠.植筋錨固拉拔試驗及破壞機理研究［J］.結構工程師，2004，20（5）：47-51. Zhang Jianrong，Shi Lizhong.The anchoring bar tensile test and research of failuremechanism［J］.Structural Engineers，2004，20（5）：47-51.（in Chinese）.

［7］ 張建榮，石麗忠，楊建華.混凝土化學植筋錨固性能的試驗研究［J］.建筑結構，2006，36（3）：17-21.Zhang Jianrong，Shi Lizhong，Yang Jianhua.Test research about anchorage performance of bonded rebars in concrete［J］.Structural Engineers，2006，36（3）：17-21.（in Chinese）.

［8］ 中華人民共和國建設部.JGJ 145—2004混凝土結構后錨固設計規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2004.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 145—2004 Technical specification for post-installed fastenings in concrete structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2004.（in Chinese）.

［9］ 中華人民共和國建設部.GB 50367—2006混凝土結構加固設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367—2006 Code for design of strengthening concrete structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.（in Chinese）

Tensile Test Study of Screw Anchors in Concrete

WU Shanneng LIChang*
（Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Screw anchors has

more and more attentions in concrete post-installed fastening technology because of its large capacity，low cost and high construction efficiency.The performances of the injecting and uninjecting screw anchorswere investigated by tensile tests.Base on comparative analyses of the test results，the influence factors for the screw anchorswere discussed.The calculationmethod of the concrete cone breakout capacity on screw anchors in the perfect condition was proposed.

screw anchor，tensile test，concrete cone failure，standard value of bearing capacity

2013－07－11

*聯系作者，Email：649329224＠qq.com