混凝土中自攻型锚定螺栓的受拉试验研究

吴善能 李 厂

（同济大学建筑工程系，上海200092）

混凝土中自攻型锚定螺栓的受拉试验研究

吴善能 李 厂*

（同济大学建筑工程系，上海200092）

在混凝土后锚固技术中，自攻型锚定螺栓由于其承载力大、成本低、施工效率高，已经受到越来越多的关注。通过对非注胶和注胶自攻型锚定螺栓进行试验，比较了两种情况下锚定螺栓的受拉极限承载力的差别，分析了试验结果以及影响因素，并提出了自攻型锚定螺栓理想情况下锥体受拉承载力标准值的计算公式。

自攻型锚定螺栓，受拉试验，混凝土锥体破坏，承载力标准值

1 引 言

近年来，后锚固技术以其施工方便、性能可靠、布置灵活等优点得到越来越广泛的应用。由于在建筑工程中遇到越来越多的建筑结构改造、建筑用途的改变以及大量新建工程施工的需要，混凝土结构后锚固技术的研究和应用也变得越来越重要。

目前有一种新型螺栓，名为“自攻型锚定螺栓”，又分为注胶和非注胶两种类型。非注胶型锚定螺栓按照其与混凝土的连接方式来看，应属于有机械锁键效应的锚定螺栓，注胶型锚定螺栓属于粘结和机械锁键双重作用下的锚定螺栓。该螺栓施工方便，与混凝土的连接紧密，且有较高的承载力。另外，非注胶型锚定螺栓在潮湿和水中环境，照样能正常施工。由于制作成本较低、施工速度快，在后锚固施工领域有很好的应用前景，具有良好的社会经济效益。

Kuenzlen和Eligehausen［1］通过试验研究了各种因素对自攻型锚定螺栓承载力的影响。分析的因素包括螺栓安装时施加的扭矩、螺栓直径、锚固深度、螺栓间距、混凝土开裂情况等。Olsen等［2］在Kuenzlen试验基础上，对更多规格（不同直径和不同锚固深度）的锚定螺栓进一步深入研究，并参考ACI 318—08［3］，提出了锚定螺栓的受拉承载力计算公式。Olsen等主要是结合锚定螺栓自身特点通过调整混凝土锥体破坏时的有效锚固深度，使后锚固锚栓的承载力计算公式适用于锚定螺栓。他们主要是研究机械锁键作用下的非注胶型锚定螺栓承载力，而没有对注胶型锚定螺栓进行研究。

受拉拔破坏是锚定螺栓的最基本研究内容之一。本文通过对单根锚定螺栓进行注胶与非注胶情况下的轴向拉拔试验，观察其受力破坏过程，分析其在静力作用下的极限承载力值，并比较两种情况下极限承载力值的评定结果。

图1 自攻型锚定螺栓Fig.1 Screw anchors

2 试验方案

2.1 混凝土试件制作

基材混凝土的尺寸为2 000 mm×1 700 mm ×400 mm（厚）。混凝土强度设计等级为C20、C30、C40。锚定螺栓所用钢材为10.9级的高强钢。混凝土28 d实测立方体抗压强度平均值为19.05 MPa、31.14 MPa、40.09 MPa。为避免两个锚定螺栓受拉时相互影响，基材上的任意两个螺栓孔之间的距离对于注胶型锚定螺栓都不小于该两个锚定螺栓的1.5倍锚深之和，而对于非注胶型锚定螺栓都不小于该两个锚定螺栓的锚深之和。每种规格的锚定螺栓试验个数为5个，试件基材采用素混凝土，试验所用锚定螺栓采用浙江嘉善永大螺丝厂提供的自攻型锚定螺栓。

2.2 自攻型锚定螺栓的安装

使用指定规格的电动钻头在混凝土基材上打孔，非注胶情况下钻孔直径约等于螺栓的直径，注胶时钻孔直径比螺栓的直径大0.5 mm左右，钻孔深度要比锚定螺栓的锚固深度大10 mm左右。钻孔结束后，用压缩气枪吹去孔中的尘埃及沙粒，并保证凊孔干净。非注胶锚定螺栓则直接安装，而对于注胶锚定螺栓要在安装前先在孔底注胶，然后将锚定螺栓通过电动扳手置入孔中。安装过程中要限制电动扳手施加的扭矩，以防止由于扭矩过大在切入混凝土的过程中损坏了螺纹。旋紧锚定螺栓，不能松动。

2.3 加载装置

加载装置如图2所示。其中千斤顶传感器和拉力端的位移计接入自动数据采集系统并通过电脑自动生成数据文件。数据采集系统设计为每秒读取10组数据。

图2 试验加载装置示意图Fig.2 Test set－up

2.4 加载制度

参照《混凝土结构试验方法标准》的要求，按照试验研究的目标，将试验加载分为两个阶段：第一阶段为预加载，目的是检验仪器安装的可靠性；第二阶段为加载试验，最大加载值为锚定螺栓的受拉极限承载力值，目的是研究正常使用状态时锚定螺栓拉拔作用下的受力性能。

3 锚定螺栓锚固拉拔破坏形态

3.1 破坏模式

锚定螺栓传递荷载的方式与其他后锚固锚栓不同。非注胶锚定螺栓锚固系统的传力是靠机械锁键作用来完成的，注胶锚定螺栓的传力是靠粘结作用和机械锁键作用共同完成的。根据锚定螺栓拉拔试验结果，并综合分析前人的研究成果［4，5］，锚定螺栓的破坏模式可分为图3－图6所示的4种类型。

试验结果表明，如果锚定螺栓的直径较大且锚深很浅时将发生穿出破坏（图3）。当锚定螺栓的埋深较浅时，在拉拔试验中将出现混凝土锥体破坏（图4），且破坏源于锚定螺栓端部的第一个螺纹。如果锚定螺栓的强度相对较小，锚固深度较大且混凝土强度也较大时，则会发生钢材破坏，即锚定螺栓受拉屈服或拉断（图5）。当锚定螺栓的锚固深度适中时，将发生混合破坏（图6），混合破坏的次序总是在接近拉力端发生混凝土锥体破坏，在远离拉力端发生锚定螺栓的穿出界面破坏。

锚定螺栓应避免穿出破坏和锥体破坏的发生，一般锚固深度相对加大后都可避免出现这两类破坏［6］。锚定螺栓破坏的最小锚固深度代表实际基本要求的最大锚固长度，这个基本锚固深度受锚定螺栓材料性能和混凝土强度的影响［7］。

图3 穿出破坏Fig.3 Pull-through failure

图4 锥体受拉破坏Fig.4 Cone failure

图5 钢材破坏Fig.5 Steel failure

图6 混合破坏Fig.6 Combination failure

图7 锚定螺栓破坏面Fig.7 Failure surface of screw anchors

3.2 试验破坏过程

试验所用试件均为直径20 mm的锚定螺栓，在基材混凝土中锚深均为205 mm。试验中30个锚定螺栓拉拔试验的破坏过程基本一致，其破坏形式均是混合型破坏，其极限荷载值见表1。加载初期手动控制加载，拉力稳步上升，当加到极限荷载值的85%左右时可见锚定螺栓根部混凝土隆起，周围出现裂缝和起皮现象，这时能听到轻微的混凝土开裂的声音。这是由于锚定螺栓受力伸长，而锚定螺栓的螺纹与混凝土之间的机械锁键作用使锚定螺栓带着混凝土一起变形，当混凝土中的拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土内便出现环状裂缝。此时锚定螺栓的拉拔力仍能增加，且混凝土锥体鼓起更大。当拉力达到极限荷载值时，可见混凝土表面出现椭圆形的破坏面（图7），随着荷载的继续施加，锚定螺栓被徐徐拉出。混合破坏时，混凝土锥体破坏面的半径对注胶锚定螺栓约为1.5hnom，深度约为0.5hnom，对非注胶锚定螺栓约为hnom，深度约为1／3hnom，其中hnom是锚定螺栓的锚固深度。

4 自攻型锚定螺栓试验结果

4.1 锚定螺栓荷载位移曲线

30个试件受拉试验所得到的受力端荷载位移曲线中分别取典型的曲线如图8－图10所示。由试验结果可见，试件的荷载－位移曲线的变化规律基本一致。

4.2 锚定螺栓的极限承载力

通过数据自动采集系统得到的荷载位移曲线，取曲线的峰值为锚定螺栓受拉承载力的极限值。根据现行后锚固技术规范［8，9］，对试验结果的评定如表1所示。

表1 锚定螺栓的承载力试验值评定Table 1 Bearing capacity assessment of screw anchors based on test results

由相关规范可知［8，9］，当试验结果数据满足N c

Rm／NRK，*≥1.1且Nmin／NRK，*≥1时，该批锚定螺栓的极限抗拔力才算合格。由表1可以看到，只有非注胶锚定螺栓在C20上的试验结果不满足规范的要求，其余部分均满足要求；随着混凝土强度等级的提高，上述两个指标的数值也随之增大。

对于非注胶锚定螺栓，由已有的研究结果可知［1，6，8］，其极限承载力比膨胀型锚栓和扩孔型锚栓小20%左右，与此次试验结果较吻合。因此，应该在现有后锚固承载力计算公式的基础上对相关系数进行相应的调整以使该公式适用于非注胶锚定螺栓受拉承载力的计算，例如调整有效锚固深度、混凝土强度等级对承载力的影响系数等。

图8 C20混凝土中锚定螺栓的荷载位移曲线Fig.8 Load-displacement curve of screw anchors in C20 concrete

图9 C30混凝土中锚定螺栓的荷载位移曲线Fig.9 Load-displacement curve of screw anchors in C30 concrete

图10 C40混凝土中锚定螺栓的荷载位移曲线Fig.10 Load-displacement curve of screwanchors in C40 concrete

对于注胶型锚定螺栓，现行有关规范［8，9］中后锚固承载力计算公式要保守很多。其中最小的*两个指标值比评定要求值大70%左右。因此，应对规范公式中的相应参数作出适当调整才能适用于注胶锚定螺栓受拉承载力的计算，例如增大理想混凝土锥体破坏受拉承载力的标准值等。

根据《混凝土结构后锚固规程》（JGJ 145—2004）［8］，未开裂混凝土中锚定螺栓极限抗拔力标准值NRk，*＝kfcu，kh1ef.5，其中k＝9.8。

根据相关规范［1，4］，破坏性试验结果的评定见表1。表1中后面两列分别是在非开裂混凝土中，非注胶型锚栓取k＝8.8，注胶型锚栓取k＝13.0的评定结果。综合评定结果可知，k的取值是合理的，能够满足NcRm／NRk，*≥1.1且Nmin／NRk，*≥1.0要求。参考《混凝土结构后锚固规程》（JGJ 145—2004）［8］6.1.10条，开裂混凝土中的锚定螺栓受拉承载力计算公式在未开裂混凝土的基础上除以1.4的折减系数得到［8］。

因此，建议自攻型锚定螺栓理想锥体受拉破坏的承载力标准值N0Rk，c计算公式按下式计算。

非注胶锚定螺栓：

开裂混凝土

非开裂混凝土

注胶锚定螺栓：

开裂混凝土

非开裂混凝土

5 结论与建议

（1）自攻型锚定螺栓单向拉拔的破坏模式有钢材受拉破坏、混凝土锥体破坏、锚定螺栓的穿出破坏以及混合破坏四种形式。试验结果表明，混合破坏呈现出非线性的破坏过程，拉力位移曲线均有较长的水平段。这说明锚定螺栓在丧失承载力前有较大变形，破坏预兆明显。

（2）非注胶型锚定螺栓和注胶型锚定螺栓的承载力与膨胀型或扩孔型锚栓有一定的差别。非注胶型锚定螺栓的承载力要小于膨胀型或扩孔型锚栓，而注胶型锚定螺栓的承载力要大于膨胀型或扩孔型锚栓。试验结果表明，现有的后锚固锚栓计算公式不完全适用于自攻型锚定螺栓。

（3）试验结果表明，混凝土出现初始锥体开裂时，荷载约为受拉极限荷载的85%。

（4）根据非注胶或注胶型自攻锚定螺栓的试验数据，并参考国内外的相关文献资料，得到了在理想锥体破坏条件下的自攻型锚定螺栓受拉承载力标准值计算公式。

［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］ 张建荣，石丽忠.植筋锚固拉拔试验及破坏机理研究［J］.结构工程师，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］ 张建荣，石丽忠，杨建华.混凝土化学植筋锚固性能的试验研究［J］.建筑结构，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］ 中华人民共和国建设部.JGJ 145—2004混凝土结构后锚固设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，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］ 中华人民共和国建设部.GB 50367—2006混凝土结构加固设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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

*联系作者，Email：649329224＠qq.com