帶齒錨固鋼槽承載力性能試驗研究

王 興 盧文勝 袁苗苗

(同濟大學結構工程與防災研究所,上海 200092)

0 引 言

近年來隨著我國城鎮化進程的不斷加速,現代建筑安裝工程技術也得到快速發展,其中鋼筋混凝土結構表面預埋件的安裝錨固技術應用愈加普遍。國內建筑工程中常見應用的預埋錨固方式可分為鋼板式、型鋼式、鋼管式和群組螺栓式等多種預埋方式。其中,預埋件的制作安裝比較復雜,且數量多、規格雜、安裝位置要求高,成為施工技術中的難點;而預埋件的安裝質量又直接影響整個工程的美觀,也是影響工程中電氣設備的便捷安裝、安全運行及使用壽命的重要因素[1-3]。

熱軋帶齒錨固鋼槽正是為了解決上述技術難點而開發的一種新型錨固技術產品,其結合匹配的帶齒螺栓以及配件,構成了一種可靠的形狀配合式固定預埋連接系統,即使沿錨固鋼槽縱向承受較大荷載也不會發生滑移。可用于連接建筑幕墻元件的頂板或前立面、在隧道中安裝懸鏈或高架電纜、信號設備、照明和通風設備、在磚混電梯豎井中安裝導軌、電梯門及其他部件,具有易安裝、可調節、耐疲勞、高普適性等優點[4],廣泛應用于國內外大型工程,如深圳來福士廣場、南京世界貿易中心、新加坡濱海灣金沙度假村酒店、滬昆線、西班牙馬德里薩巴大樓等。但國內外對該類錨固技術的機理研究尚不深入,鄭圓圓、劉祖華[5]對預埋槽鋼進行抗震試驗研究,先進行低周反復加載試驗、再進行靜力加載試驗,結果表明,槽鋼經歷設計荷載下低周反復加載試驗后不影響其工作性能。

本文主要對某三種型號規格的熱軋帶齒錨固鋼槽預埋試件直接進行靜力加載試驗;加載方式采用長鋼槽試件模擬實際工作狀態;預埋試件的結構也采用鋼筋混凝土而非素混凝土,真實模擬其承載錨固狀態。通過試驗結果分析,對其破壞形式進行了深入地機理分析,以期探尋帶齒錨固鋼槽的承載力性能,提出改善性能的措施。

1 試驗概況

1.1 試件設計

選取三種型號規格的熱軋帶齒錨固鋼槽,以及與之相匹配的帶齒T型螺栓緊固件作為試驗試件,該試件參數和示意詳見表1和圖1,鋼槽屈服強度為460 MPa,抗拉強度為474 MPa。將鋼槽按要求預埋在鋼筋混凝土墻體內(圖2)。鋼筋混凝土墻體配筋及所用材料參數詳見圖2和表2。為了方便試驗加載和增加墻體剛度,設計了扶壁式翼墻和底板(圖3)。在鋼槽每根錨腿兩個側面的中間位置粘貼應變片,在鋼槽槽體下表面每兩根錨腿的中間位置粘貼應變片,以期測得不同荷載工況下鋼槽的受力及變形特征。

1.2 加載制度和加載方法

在完成試件安裝、混凝土墻體澆筑和養護后,按合適的扭矩值擰緊帶齒T型螺栓,其扭矩值依據高強度螺栓及螺母施工最大扭矩推薦值選用;然后進行靜力加載試驗,其加載工況共有兩種,即進行沿縱向剪切承載力和垂向拉拔承載力試驗。各種加載工況的荷載方式、作用點和方向詳見表3和圖3。

表1試件規格參數

Table 1 Specimen specification parameters

圖1 試件示意圖Fig.1 Specimen schematic diagram

圖2 鋼筋混凝土墻體配筋圖(單位:mm)Fig.2 Reinforcement diagram of reinforced concrete wall with the channels (Unit:mm)

表2墻體材料參數

Table 2 Material parameters of RC wall

表3各加載工況的荷載方式

Table 3 Load modes under different load cases

圖3 試件加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

每種加載工況的加載步驟均為:①預加載至20 kN,再卸載至0 kN;②正式加載,從0 kN開始連續、均勻、緩慢一直加載至試件破壞。預加載的目的是檢查儀器儀表安裝質量和試件及裝置在承受較小荷載受力時的狀態滿足要求。

靜力加載試驗采用千斤頂進行單調靜力加載,通過千斤頂、螺桿、套筒、連接件、鋼橫梁和T型螺栓,將沿縱向剪切荷載和垂向拉拔荷載作用到帶齒錨固鋼槽指定的加載位置上。沿縱向剪切加載和垂向拉拔加載試驗詳見圖4和圖5。

1.3 測試方法

在沿縱向剪切加載和垂向拉拔加載時,用1個量程為300 kN的荷載傳感器(BLR-1-30t)測量千斤頂施加的剪切荷載和拉拔荷載;用1個量程為100 mm的位移傳感器(NS-WY02)測量帶齒T型螺栓沿剪切荷載作用方向的剪切位移D1;用2個量程為100 mm的位移傳感器(NS-WY02)同時測量帶齒T型螺栓沿拉拔荷載作用方向的拉拔位移D2。

同時,在本試驗中,用應變片S1～S14測量帶齒錨固鋼槽槽體和錨腿在加載過程中的應變反應。上述測點布置詳見圖3。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

在單調靜力加載過程中,所有樣品試件都發生了程度不一的破壞,并且可觀測各個樣品試件的破壞模式、極限破壞荷載以及相應的破壞位移。

帶齒錨固鋼槽承載力性能試驗結果匯總詳見表4。

表4試驗結果匯總

Table 4 Summary of test results

工況1的三種型號規格試件(1#、2#、3#試件)的破壞形式都是帶齒錨固鋼槽卷邊內側的鋸齒被T型螺栓剪切磨平,鋼槽卷邊外側表面在滑移范圍內有明顯的摩擦起皮現象,使得T型螺栓和鋼槽內側接觸位置的咬合、摩擦作用大大削弱,從而咬合失效,突然發生滑移,同時T型螺栓墊圈發生程度不一的變形,如圖6所示。

圖6 工況1各試件破壞情況Fig.6 Failure modes under load case 1

工況2的三種型號規格試件(1#、2#、3#試件)的破壞形式都是T型螺栓將帶齒錨固鋼槽卷邊咬出一個缺口,T型螺栓再從此缺口處被拔出,槽體卷邊發生咬邊破壞(呈外翻狀),T型螺栓作用點處鋼槽沿受力方向起拱變形明顯,使得鋼槽兩側混凝土大范圍開裂、剝落(圖7)。

圖7 工況2各試件破壞情況Fig.7 Failure modes under load case 2

2.2 鋼槽承載力性能分析

根據承載力試驗數據,繪制出三種型號規格試件(1#、2#、3#試件)分別在工況1和工況2作用下的荷載-位移曲線。圖8是工況1各個試件在縱向剪切荷載作用下的荷載-位移曲線,圖9是工況2各個試件在拉拔荷載作用下的荷載-位移曲線。

圖8 工況1試件荷載-位移曲線Fig.8 Load-deformation curve under load case 1

圖9 工況2試件荷載-位移曲線Fig.9 Load-deformation curve under load case 2

對比分析三種不同型號規格試件(試件1#、2#、3#)在工況1和工況2作用下的荷載-位移曲線,可以發現:

(1) 在工況1下,三種不同型號的試件在縱向剪切荷載未達到約20 kN時,T型螺栓未發生相應的剪切位移,這是因為帶齒T型螺栓的預緊力一開始限制了剪切滑移的發展,T型螺栓與帶齒錨固鋼槽卷邊內側的咬合、摩擦作用使得剪切位移很小;隨著剪切荷載增大,剪切位移出現增長,兩者呈現一定的線性關系。在達到極限承載力后,咬合作用失效,荷載迅速下降。結果表明,鋸齒的尺寸效應增加了鋼槽槽體的韌性,規格尺寸較小的試件能較好地保持剪切能力(曲線中咬合失效后的強化階段)。

(2) 在工況2作用下,隨著拉拔荷載的逐漸增加,三種型號試件相應的拉拔位移表現出顯著地快慢不一的變化,鋼槽卷邊出現了均勻、緩慢的剛度退化現象。這是因為三種錨固鋼槽壁厚的影響導致其剛度不同。達到極限承載力后,各試件的承載能力出現緩慢下降,隨之鋼槽槽體出現起拱變形,鋼槽周邊混凝土大范圍開裂、剝落。

(3) 此類特殊型面產品的極限承載力試驗值,規格尺寸最大的試件1#為100.30 kN,試件2#為103.48 kN,試件3#為53.48 kN。考慮安全系數取2.0,則在混凝土強度及配筋方式與本文試件設計相同時,正常使用狀態下荷載限值,試件1#為50.00 kN,試件2#為50.00 kN,試件3#為25.00 kN。

(4) 試件2#相較于試件1#和試件3#在靜力加載試驗中表現出較好的工作性能。這是因為試件1#尺寸最大,表現出較嚴重的脆性破壞;試件3#尺寸最小,出現剛度不足、承載能力不足的現象;唯獨尺寸適中的試件2#與墻體錨固工作穩定,表現出較好的延性和承載能力。因此,在實際工程應用中宜根據混凝土強度及配筋方式,配置合適規格尺寸的鋼槽錨固件,以實現合理承載能力的同時,確保其極限狀態下的良好性能。

2.3 鋼槽應變分析

圖10-圖13為工況1和工況2各型號試件槽體與錨腿處峰值應變隨距離原點位置遠近的變化規律。圖中以鋼槽第1個錨腿所在位置為坐標原點,從鋼槽左端指向右端為正方向,以此來表達在荷載作用下距離作用點不同位置的受力情況。峰值應變由同一部位(槽體或錨腿)的不同位置測點的絕對值的最大值取得,反映的是預埋在鋼筋混凝土墻體內槽體和錨腿的受力后內力及變形分布狀態,對于在實際工程應用中具有一定的參考價值。

圖10 工況1試件槽體應變Fig.10 Strain of tank under load case 1

圖11 工況1試件錨腿應變Fig.11 Strain of anchor leg under load case 1

圖12 工況2試件槽體應變Fig.12 Strain of tank under load case 2

觀察上述應變分布曲線,可以發現:

(1) 在縱向剪切荷載作用下,槽體和錨腿處的峰值應變隨著距離作用點位置的增大而先增大再減小,其中距離加載點兩個錨腿處的槽體應變峰值與最大峰值應變相比較小,錨腿應變峰值則更小。

(2) 在垂向拉拔荷載作用下,在荷載作用點處的槽體和錨腿應變最大,然后向兩邊遠端迅速遞減。無論槽體或是錨腿,距離拉拔荷載作用點一個半錨腿間距處的峰值應變均接近于0με。

圖13 工況2試件錨腿應變Fig.13 Strain of anchor leg under load case 2

(3) 鋼槽屈服應變為2 233με。除工況2拉拔荷載作用點處鋼槽起拱屈服破壞之外,其他位置處的峰值應變最大的僅為屈服應變的54.0%;在工況1中,在T型螺栓出現剪切滑移之后,槽體和錨腿的應變也非常小,仍保持著良好的彈性性能。

2.4 試件破壞機理與改善性能的措施

試驗結果表明,三種型號規格的試件在工況1、工況2下破壞形式一致。工況1在縱向剪切加載下發生鋼槽卷邊齒磨平以及工況2在垂向拉拔加載下發生鋼槽卷邊咬邊,這兩種工況下的破壞形式與既有研究的鋼槽破壞形式基本類似。兩種工況下的破壞機理如下:

(1) 在縱向剪切荷載作用下,帶齒T型螺栓的預緊力使得螺栓頭與鋼槽卷邊內側的咬合作用增大,螺栓存在初始滑移荷載。隨著縱向剪切力逐漸增大直至超過初始滑移荷載而咬合失效,螺栓開始發生滑移。當剪切荷載增大至一定程度時,鋼槽卷邊內側的齒和螺栓頭的齒被剪切磨平,荷載急速下降,滑移持續增大,但仍可承受一定的荷載,并隨著新的齒受力、磨平出現承載力強化階段,直至螺栓出現松動一直滑移到鋼槽端部。

(2) 在垂向拉拔荷載作用下,一方面,由于鋼槽卷邊壁厚不足,導致槽體剛度不足以抵抗T型螺栓的拉拔力;另一方面,由于該鋼槽配套的T型螺栓頭形狀是平行四邊形,與鋼槽卷邊內側接觸面積較小,導致接觸區域的局部應力很大,超過鋼槽材料剪切強度,最終發生鋼槽卷邊咬邊破壞。

根據對上述破壞形式機理的分析,提出改善帶齒錨固鋼槽承載力性能的措施如下:

(1) 鋼槽卷邊內側的齒距與螺栓頭的齒距比較適中時(本試驗中極限剪切力最大的型號齒距3 mm),承載力性能最佳。

(2) 優化設計鋼槽錨腿間距s、帶肋錨腿表面肋高以及錨腿長度H。

(3) 鋼槽錨腿在設計安裝時應盡可能地靠近結構內部受力鋼筋,使得錨腿處混凝土與鋼筋共同受力,改善鋼槽錨固性能。

3 結 論

本文開展了三種型號的帶齒錨固鋼槽極限承載力性能試驗,通過分析試驗現象和數據,可以得到以下結論:

(1) 在單調靜力加載過程中,獲得了三種型號規格樣品試件的破壞模式、極限破壞荷載以及相應的破壞位移。此類特殊型面產品的極限承載力試驗值,規格尺寸最大的試件1#為100.30 kN,試件2#為103.48 kN,試件3#為53.48 kN。考慮安全系數取2.0,則在混凝土強度及配筋方式與本文試件設計相同時,正常使用狀態下限值,試件1#為50.00 kN,試件2#為50.00 kN,試件3#為25.00 kN。

(2) 在工況1和工況2試驗中,三種不同型號的試件均未出現粘結錨固破壞,而是出現鋼槽卷邊齒被剪切磨平和鋼槽卷邊咬邊破壞。T型螺栓端頭與鋼槽卷邊接觸面積較小是主要原因。建議結合破壞模式對錨固鋼槽和T型螺栓尺寸進行優化設計。

(3) 在縱向剪切加載和垂向拉拔加載過程中,隨著與受力點的距離增大,鋼槽槽體和錨腿的受力明顯減小,最遠端的預埋錨腿基本不受力,還有較大的富余度。因此,帶齒錨固鋼槽可在多點錨固荷載作用下表現出良好的工作性能,以充分發揮錨腿與混凝土之間的粘結錨固作用,體現經濟性,并改善承載力性能。

(4) 根據試件破壞機理分析,提出一些關鍵參數,諸如鋼槽卷邊內側齒距、螺栓頭齒距、鋼槽錨腿間距s、帶肋錨腿表面肋高、錨腿長度H等。上述關鍵參數對帶齒錨固鋼槽承載力性能的影響分析有待于進一步深入研究。

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