带齿锚固钢槽承载力性能试验研究

王 兴 卢文胜 袁苗苗

(同济大学结构工程与防灾研究所,上海 200092)

0 引 言

近年来随着我国城镇化进程的不断加速,现代建筑安装工程技术也得到快速发展,其中钢筋混凝土结构表面预埋件的安装锚固技术应用愈加普遍。国内建筑工程中常见应用的预埋锚固方式可分为钢板式、型钢式、钢管式和群组螺栓式等多种预埋方式。其中,预埋件的制作安装比较复杂,且数量多、规格杂、安装位置要求高,成为施工技术中的难点;而预埋件的安装质量又直接影响整个工程的美观,也是影响工程中电气设备的便捷安装、安全运行及使用寿命的重要因素[1-3]。

热轧带齿锚固钢槽正是为了解决上述技术难点而开发的一种新型锚固技术产品,其结合匹配的带齿螺栓以及配件,构成了一种可靠的形状配合式固定预埋连接系统,即使沿锚固钢槽纵向承受较大荷载也不会发生滑移。可用于连接建筑幕墙元件的顶板或前立面、在隧道中安装悬链或高架电缆、信号设备、照明和通风设备、在砖混电梯竖井中安装导轨、电梯门及其他部件,具有易安装、可调节、耐疲劳、高普适性等优点[4],广泛应用于国内外大型工程,如深圳来福士广场、南京世界贸易中心、新加坡滨海湾金沙度假村酒店、沪昆线、西班牙马德里萨巴大楼等。但国内外对该类锚固技术的机理研究尚不深入,郑圆圆、刘祖华[5]对预埋槽钢进行抗震试验研究,先进行低周反复加载试验、再进行静力加载试验,结果表明,槽钢经历设计荷载下低周反复加载试验后不影响其工作性能。

本文主要对某三种型号规格的热轧带齿锚固钢槽预埋试件直接进行静力加载试验;加载方式采用长钢槽试件模拟实际工作状态;预埋试件的结构也采用钢筋混凝土而非素混凝土,真实模拟其承载锚固状态。通过试验结果分析,对其破坏形式进行了深入地机理分析,以期探寻带齿锚固钢槽的承载力性能,提出改善性能的措施。

1 试验概况

1.1 试件设计

选取三种型号规格的热轧带齿锚固钢槽,以及与之相匹配的带齿T型螺栓紧固件作为试验试件,该试件参数和示意详见表1和图1,钢槽屈服强度为460 MPa,抗拉强度为474 MPa。将钢槽按要求预埋在钢筋混凝土墙体内(图2)。钢筋混凝土墙体配筋及所用材料参数详见图2和表2。为了方便试验加载和增加墙体刚度,设计了扶壁式翼墙和底板(图3)。在钢槽每根锚腿两个侧面的中间位置粘贴应变片,在钢槽槽体下表面每两根锚腿的中间位置粘贴应变片,以期测得不同荷载工况下钢槽的受力及变形特征。

1.2 加载制度和加载方法

在完成试件安装、混凝土墙体浇筑和养护后,按合适的扭矩值拧紧带齿T型螺栓,其扭矩值依据高强度螺栓及螺母施工最大扭矩推荐值选用;然后进行静力加载试验,其加载工况共有两种,即进行沿纵向剪切承载力和垂向拉拔承载力试验。各种加载工况的荷载方式、作用点和方向详见表3和图3。

表1试件规格参数

Table 1 Specimen specification parameters

图1 试件示意图Fig.1 Specimen schematic diagram

图2 钢筋混凝土墙体配筋图(单位:mm)Fig.2 Reinforcement diagram of reinforced concrete wall with the channels (Unit:mm)

表2墙体材料参数

Table 2 Material parameters of RC wall

表3各加载工况的荷载方式

Table 3 Load modes under different load cases

图3 试件加载示意图Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

每种加载工况的加载步骤均为:①预加载至20 kN,再卸载至0 kN;②正式加载,从0 kN开始连续、均匀、缓慢一直加载至试件破坏。预加载的目的是检查仪器仪表安装质量和试件及装置在承受较小荷载受力时的状态满足要求。

静力加载试验采用千斤顶进行单调静力加载,通过千斤顶、螺杆、套筒、连接件、钢横梁和T型螺栓,将沿纵向剪切荷载和垂向拉拔荷载作用到带齿锚固钢槽指定的加载位置上。沿纵向剪切加载和垂向拉拔加载试验详见图4和图5。

1.3 测试方法

在沿纵向剪切加载和垂向拉拔加载时,用1个量程为300 kN的荷载传感器(BLR-1-30t)测量千斤顶施加的剪切荷载和拉拔荷载;用1个量程为100 mm的位移传感器(NS-WY02)测量带齿T型螺栓沿剪切荷载作用方向的剪切位移D1;用2个量程为100 mm的位移传感器(NS-WY02)同时测量带齿T型螺栓沿拉拔荷载作用方向的拉拔位移D2。

同时,在本试验中,用应变片S1～S14测量带齿锚固钢槽槽体和锚腿在加载过程中的应变反应。上述测点布置详见图3。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

在单调静力加载过程中,所有样品试件都发生了程度不一的破坏,并且可观测各个样品试件的破坏模式、极限破坏荷载以及相应的破坏位移。

带齿锚固钢槽承载力性能试验结果汇总详见表4。

表4试验结果汇总

Table 4 Summary of test results

工况1的三种型号规格试件(1#、2#、3#试件)的破坏形式都是带齿锚固钢槽卷边内侧的锯齿被T型螺栓剪切磨平,钢槽卷边外侧表面在滑移范围内有明显的摩擦起皮现象,使得T型螺栓和钢槽内侧接触位置的咬合、摩擦作用大大削弱,从而咬合失效,突然发生滑移,同时T型螺栓垫圈发生程度不一的变形,如图6所示。

图6 工况1各试件破坏情况Fig.6 Failure modes under load case 1

工况2的三种型号规格试件(1#、2#、3#试件)的破坏形式都是T型螺栓将带齿锚固钢槽卷边咬出一个缺口,T型螺栓再从此缺口处被拔出,槽体卷边发生咬边破坏(呈外翻状),T型螺栓作用点处钢槽沿受力方向起拱变形明显,使得钢槽两侧混凝土大范围开裂、剥落(图7)。

图7 工况2各试件破坏情况Fig.7 Failure modes under load case 2

2.2 钢槽承载力性能分析

根据承载力试验数据,绘制出三种型号规格试件(1#、2#、3#试件)分别在工况1和工况2作用下的荷载-位移曲线。图8是工况1各个试件在纵向剪切荷载作用下的荷载-位移曲线,图9是工况2各个试件在拉拔荷载作用下的荷载-位移曲线。

图8 工况1试件荷载-位移曲线Fig.8 Load-deformation curve under load case 1

图9 工况2试件荷载-位移曲线Fig.9 Load-deformation curve under load case 2

对比分析三种不同型号规格试件(试件1#、2#、3#)在工况1和工况2作用下的荷载-位移曲线,可以发现:

(1) 在工况1下,三种不同型号的试件在纵向剪切荷载未达到约20 kN时,T型螺栓未发生相应的剪切位移,这是因为带齿T型螺栓的预紧力一开始限制了剪切滑移的发展,T型螺栓与带齿锚固钢槽卷边内侧的咬合、摩擦作用使得剪切位移很小;随着剪切荷载增大,剪切位移出现增长,两者呈现一定的线性关系。在达到极限承载力后,咬合作用失效,荷载迅速下降。结果表明,锯齿的尺寸效应增加了钢槽槽体的韧性,规格尺寸较小的试件能较好地保持剪切能力(曲线中咬合失效后的强化阶段)。

(2) 在工况2作用下,随着拉拔荷载的逐渐增加,三种型号试件相应的拉拔位移表现出显著地快慢不一的变化,钢槽卷边出现了均匀、缓慢的刚度退化现象。这是因为三种锚固钢槽壁厚的影响导致其刚度不同。达到极限承载力后,各试件的承载能力出现缓慢下降,随之钢槽槽体出现起拱变形,钢槽周边混凝土大范围开裂、剥落。

(3) 此类特殊型面产品的极限承载力试验值,规格尺寸最大的试件1#为100.30 kN,试件2#为103.48 kN,试件3#为53.48 kN。考虑安全系数取2.0,则在混凝土强度及配筋方式与本文试件设计相同时,正常使用状态下荷载限值,试件1#为50.00 kN,试件2#为50.00 kN,试件3#为25.00 kN。

(4) 试件2#相较于试件1#和试件3#在静力加载试验中表现出较好的工作性能。这是因为试件1#尺寸最大,表现出较严重的脆性破坏;试件3#尺寸最小,出现刚度不足、承载能力不足的现象;唯独尺寸适中的试件2#与墙体锚固工作稳定,表现出较好的延性和承载能力。因此,在实际工程应用中宜根据混凝土强度及配筋方式,配置合适规格尺寸的钢槽锚固件,以实现合理承载能力的同时,确保其极限状态下的良好性能。

2.3 钢槽应变分析

图10-图13为工况1和工况2各型号试件槽体与锚腿处峰值应变随距离原点位置远近的变化规律。图中以钢槽第1个锚腿所在位置为坐标原点,从钢槽左端指向右端为正方向,以此来表达在荷载作用下距离作用点不同位置的受力情况。峰值应变由同一部位(槽体或锚腿)的不同位置测点的绝对值的最大值取得,反映的是预埋在钢筋混凝土墙体内槽体和锚腿的受力后内力及变形分布状态,对于在实际工程应用中具有一定的参考价值。

图10 工况1试件槽体应变Fig.10 Strain of tank under load case 1

图11 工况1试件锚腿应变Fig.11 Strain of anchor leg under load case 1

图12 工况2试件槽体应变Fig.12 Strain of tank under load case 2

观察上述应变分布曲线,可以发现:

(1) 在纵向剪切荷载作用下,槽体和锚腿处的峰值应变随着距离作用点位置的增大而先增大再减小,其中距离加载点两个锚腿处的槽体应变峰值与最大峰值应变相比较小,锚腿应变峰值则更小。

(2) 在垂向拉拔荷载作用下,在荷载作用点处的槽体和锚腿应变最大,然后向两边远端迅速递减。无论槽体或是锚腿,距离拉拔荷载作用点一个半锚腿间距处的峰值应变均接近于0με。

图13 工况2试件锚腿应变Fig.13 Strain of anchor leg under load case 2

(3) 钢槽屈服应变为2 233με。除工况2拉拔荷载作用点处钢槽起拱屈服破坏之外,其他位置处的峰值应变最大的仅为屈服应变的54.0%;在工况1中,在T型螺栓出现剪切滑移之后,槽体和锚腿的应变也非常小,仍保持着良好的弹性性能。

2.4 试件破坏机理与改善性能的措施

试验结果表明,三种型号规格的试件在工况1、工况2下破坏形式一致。工况1在纵向剪切加载下发生钢槽卷边齿磨平以及工况2在垂向拉拔加载下发生钢槽卷边咬边,这两种工况下的破坏形式与既有研究的钢槽破坏形式基本类似。两种工况下的破坏机理如下:

(1) 在纵向剪切荷载作用下,带齿T型螺栓的预紧力使得螺栓头与钢槽卷边内侧的咬合作用增大,螺栓存在初始滑移荷载。随着纵向剪切力逐渐增大直至超过初始滑移荷载而咬合失效,螺栓开始发生滑移。当剪切荷载增大至一定程度时,钢槽卷边内侧的齿和螺栓头的齿被剪切磨平,荷载急速下降,滑移持续增大,但仍可承受一定的荷载,并随着新的齿受力、磨平出现承载力强化阶段,直至螺栓出现松动一直滑移到钢槽端部。

(2) 在垂向拉拔荷载作用下,一方面,由于钢槽卷边壁厚不足,导致槽体刚度不足以抵抗T型螺栓的拉拔力;另一方面,由于该钢槽配套的T型螺栓头形状是平行四边形,与钢槽卷边内侧接触面积较小,导致接触区域的局部应力很大,超过钢槽材料剪切强度,最终发生钢槽卷边咬边破坏。

根据对上述破坏形式机理的分析,提出改善带齿锚固钢槽承载力性能的措施如下:

(1) 钢槽卷边内侧的齿距与螺栓头的齿距比较适中时(本试验中极限剪切力最大的型号齿距3 mm),承载力性能最佳。

(2) 优化设计钢槽锚腿间距s、带肋锚腿表面肋高以及锚腿长度H。

(3) 钢槽锚腿在设计安装时应尽可能地靠近结构内部受力钢筋,使得锚腿处混凝土与钢筋共同受力,改善钢槽锚固性能。

3 结 论

本文开展了三种型号的带齿锚固钢槽极限承载力性能试验,通过分析试验现象和数据,可以得到以下结论:

(1) 在单调静力加载过程中,获得了三种型号规格样品试件的破坏模式、极限破坏荷载以及相应的破坏位移。此类特殊型面产品的极限承载力试验值,规格尺寸最大的试件1#为100.30 kN,试件2#为103.48 kN,试件3#为53.48 kN。考虑安全系数取2.0,则在混凝土强度及配筋方式与本文试件设计相同时,正常使用状态下限值,试件1#为50.00 kN,试件2#为50.00 kN,试件3#为25.00 kN。

(2) 在工况1和工况2试验中,三种不同型号的试件均未出现粘结锚固破坏,而是出现钢槽卷边齿被剪切磨平和钢槽卷边咬边破坏。T型螺栓端头与钢槽卷边接触面积较小是主要原因。建议结合破坏模式对锚固钢槽和T型螺栓尺寸进行优化设计。

(3) 在纵向剪切加载和垂向拉拔加载过程中,随着与受力点的距离增大,钢槽槽体和锚腿的受力明显减小,最远端的预埋锚腿基本不受力,还有较大的富余度。因此,带齿锚固钢槽可在多点锚固荷载作用下表现出良好的工作性能,以充分发挥锚腿与混凝土之间的粘结锚固作用,体现经济性,并改善承载力性能。

(4) 根据试件破坏机理分析,提出一些关键参数,诸如钢槽卷边内侧齿距、螺栓头齿距、钢槽锚腿间距s、带肋锚腿表面肋高、锚腿长度H等。上述关键参数对带齿锚固钢槽承载力性能的影响分析有待于进一步深入研究。

[1] 李彩红,孙中华,孙冬梅,等.变电站预埋件施工质量控制[J].国网技术学院学报,2017,20(4):32-34.

Li Caihong,Sun Zhonghua,Sun Dongmei,et al.Construction quality control of embedded parts in substation[J].Journal of State Grid Technology College,2017,20(4):32-34.(in Chinese)

[2] Acceptance criteria for anchor channels in concrete elements[S].ICC Evaluation Service,AC232:2012.

[3] Manjola Caro,YaserJemaa,Samir Dirar,et al.Bond performance of deep embedment FRP bars epoxy-bonded into concrete[J].Engineering Structures,2017,147,448-457.

[4] Marek Węglorz.Influence of headed anchor group layout on concrete failure in tension[J].Procedia Engineering,2017,193,242-249.

[5] 郑圆圆,刘祖华,袁苗苗.哈芬预埋槽钢抗震试验研究[J].结构工程师,2013,29(05):132-138.

Zheng Yuanyuan,Liu Zuhua,Yuan Miaomiao.Experimental research on seismic resistance of the halfen cast-in channels[J].Structural Engineers,2013,29(05):132-138.(in Chinese)

[6] 徐淑美,周德源,毕大勇.预埋式槽型锚轨拉拔性能的试验研究[J].结构工程师,2010,26(5):111-116.

Xu Shumei,Zhou Deyuan,Bi Dayong.Test study on tensile behaviour of cast-in channels[J].Structural Engineers,2010,26(5):111-116.(in Chinese)

[7] 姚振纲,刘祖华.建筑结构试验 [M].上海:同济大学出版社,2008.

Yao Zhengang,Liu Zuhua.Architectural structure experimentation[M].Shanghai:Tongji University Press,2008.(in Chinese)

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50152—2012 混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People’s Republic of China.GB/T 50152—2012 Standard for test method of concrete structures [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2012.(in Chinese)

[9] Britishstandards institution.CEN/TS 1992-4-3:2009 Design of fastenings for use in concrete Part 4-3:Anchor channels [S].Brussels:CEN,2009.

[10] Hot rolled products of structural steels-part 2:Technical delivery conditions for non-alloy structural steels[S].BS EN 10025-2:2004.