高温下植筋式后锚固单锚连接抗剪性能试验研究

谭 迪 李凌志 苏 磊张晓亮

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

0 引 言

国外对植筋式后锚固连接抗拉拔性能的研究已经比较成熟，而抗剪只有较少的研究成果公布，而且均集中在常温下植筋式后锚固连接的抗剪性能研究。Oluokun等［1］发现利用混凝土锥体设计方法和经验公式可得出单锚抗剪承载力。Bickel等［2］研究适用于带头螺栓抗剪承载力的两种计算方法并验证具有较高的准确性。Lee等［3］进行了混凝土中大型现浇锚杆的剪切试验，提出了锚栓的边距应大于8倍的锚栓直径。Chesson等［4］研究单锚在拉剪综合作用下的承载力等。Ueda［5-6］通过双锚试验，发现试件大多发生混凝土边缘楔形体破坏，抗剪强度随边距和间距增加而提高，但小于单锚承载力之和。Oluokun［1］在单锚的基础上进一步探讨了拉剪复合受力情况下锚栓的受力性能。Zhang等［7］进行了弯剪受力下群锚的抗震性能试验，表明动力荷载作用下的荷载-位移曲线与静力曲线基本吻合。

国内学者也对常温下抗剪性能有一定的研究。天津大学刘羽纶等［8］对采用不同锚固技术的单锚进行了受剪试验，并在此基础上提出了受剪承载力计算公式。重庆大学全学友和郑巧灵［9］进行了单锚受剪性能对比试验，研究了不同直径、植筋深度、有机胶或无机胶、基材混凝土是否开裂等因素对抗剪性能的影响。在群锚方面，李杰等［10-11］通过试验对群锚单向受剪下的性能进行了研究，发现边距为5d时发生混凝土边缘楔形体破坏，边距不小于8d时发生锚栓剪断破坏；曹立金等［12］在总结国内外研究成果的基础上讨论了群锚抗剪承载力计算方法；苏磊等［13］通过对比试验、数值模拟及相关规范和技术手册中的推荐公式值，提出了群锚抗剪承载力计算的若干建议。在应用方面，郑州长建工程技术开发公司桑大勇等［14］通过试验研究了铆贴钢板加固梁斜截面受力特点及加固效果，并对抗剪承载力计算提出了若干建议。郑州大学余术刚等［15］提出了铆贴钢板加固梁抗剪承载力的计算方法，并通过试验证明了其适用性。重庆大学全学友和张晓飞［16］采用无机胶植筋式后锚固连接将钢板固定在梁侧，再进行抗剪扭试验，证明该方法能提高构件的抗剪扭承载力、抑制裂缝开展和刚度退化。

在锚栓高温材料性能方面，Kirby［17］进行8.8级高强螺栓在高温下的力学性能试验，分为受拉和受剪两部分，提出了8.8级高强螺栓连接在高温中的抗拉、抗剪强度的折减系数。Hanus等［18］进行了8.8级高强螺栓的高温中拉伸和剪切试验，结果表明在螺栓温度达到高于500℃时，其屈服强度降低并且延性增加。李国强等［19］对10.9级高强螺栓进行了高温下材性试验，并建立了相应的高温材性模型。

本文对单锚进行了研究，考虑了锚栓的埋深、边距、间距及温度等因素的影响，对所有试件的锚栓施加剪切荷载，研究各因素对于锚栓的破坏形式、极限承载力、刚度、延性的影响，重点关注高温对于植筋式后锚固连接的抗剪性能的影响程度。

1 常温与高温静载试验设计

1.1 试件概况

本试验采用直径为12 mm的8.8级高强螺栓共制作了4组共20个试件，试件植筋的边距、埋深和高温试验的温度3个参数以及加载板具体尺寸，详见表1。基材为600 mm×300 mm×250 mm的长方体，混凝土C30，钢筋保护层厚度均为25 mm。钢板强度为Q460。

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimen

试件锚栓布置如图1所示。加载板和基材上的孔洞直径大小均为D=14 mm，加载板通过螺母和垫片与锚栓连接在一起。植筋胶采用氯氧镁水泥。

图1 试件锚栓布置示意图Fig.1 Schematic diagram of anchor arrangement

1.2 材料力学性能

按照《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）进行选材和试验。各钢材性能具体数值如表2所示。

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical properties of steel

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB 50081—2002）进行试验，3个立方体试块实测的极限荷载和强度见表3。

表3 混凝土材料力学性能Table 3 Mechanical properties of concrete

1.3 试验装置

考虑到锚栓剪切试验的要求，以及高温中抗剪试验的具体操作，设计制作了用于加载的锚栓抗剪试验装置，如图2所示。

图2 试验装置Fig.2 Test setup

1.4 静载试验方案与测量方案

常温下的抗剪试验在同济大学耐久性试验室进行，所有试件在500 kN万能试验机上，以0.3 mm/min的速率，进行位移控制加载。当试件的荷载减小到实际峰值荷载的80%，或者试件的荷载突然快速下降时，试验停止。在加载结束后，观察锚栓周围混凝土的裂缝开展情况。

高温下抗剪性能试验在同济大学工程结构抗火试验室进行。本次试验研究高温下锚栓抗剪性能采用的升温设备和加载装置是相互独立的，两者之间互不干扰。

本试验升温设备采用电阻炉作为抗剪加载试验电炉，采用恒温加载，当试验炉温上升到指定温度后，保持此温度1.5 h后开始加载。剪力由一个千斤顶提供，千斤顶采用手动液压油泵加载。试验采用分级加载方式，每级荷载为5 kN，持荷时间1 min。通过温度采集板收集试验过程中炉温及混凝土内部的温度数据。

荷载、位移测量与常温情况相同。温度测量，试件中共有6个试件布置了热电偶，每个试件于锚栓附近布置2个热电偶，沿预埋PVC管进行布置，分别距混凝土表面60 mm和120 mm。测量沿锚栓轴线方向温度的变化。

2 试验结果分析

2.1 常温下试验结果分析

2.1.1 常温下破坏模式及裂缝开展

试件的加载以丧失抗剪承载能力结束。常温下加载的4个单锚试件破坏模式均为混凝土开裂造成的构件破坏。基材破坏的范围都较小，而且都是在临近极限荷载时才开始出现开裂。在剪切力作用的平面内，基材混凝土表面均出现了交于锚栓位置扩展到自由边的斜裂缝。相比于边距5d的试件，边距8d的试件的锚栓周围更多混凝土参与工作，试件抗剪承载力得到极大提升。

各单锚试件的试验结果见表4。对于相同的植筋深度，S8D8的承载力较S5D8提高了74%；S8D10的承载力较S5D10提高了46.3%。可见，在边距小于8d时增大边距可以显著提高试件的极限荷载。边距小于8d时，单锚的极限承载力受边距影响明显，增加边距较增加埋深可以显著提高锚栓的抗剪承载力，并且随着边距的增加，试件破坏的模式也逐渐由未出现边缘楔形体的混凝土破坏转变为混凝土边缘楔形体破坏。S8D10的极限承载力小于S8D8的，可能是由于材料离散性及试验中的偶然因素导致。

表4 试验结果Table 4 Test results

2.1.2 荷载-位移关系分析

图3是各试件的荷载-位移曲线。通过观察图中曲线可以发现，随着荷载的增加，剪切位移在不断增大。对比S5D8和S5D10，可见埋深越大，极限承载力越高。对比S5D10和S8D10，可见边距越大，试件的延性越好，极限承载力越高。通过对比边距5d的试件与边距为8d的试件可发现，边距为8d时，斜率下降段长度较长，曲线斜率逐渐减小接近于水平，最终达到极限承载力。由此可见当边距为8d、埋深为10d时，试件的各部分的材性都得到了较大程度的发挥。

图3 各试件荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curve of each specimen

2.2 高温下试验结果分析

2.2.1 荷载-位移关系分析

图4为各组单锚试件的荷载-剪切位移曲线。从图中可以发现，不同类别的试件在各个试验温度下进行的锚栓抗剪试验获得的荷载-位移曲线分为三个阶段组成：上升段、斜率减小段和下降段，但是下降段的斜率都非常小，荷载随着位移的增长缓慢降低。具体有以下几个特征：

图4 高温试件荷载-剪切位移曲线Fig.4 Load-shear displacement curves of specimens under high temperature

（1）高温试件的荷载-位移曲线与常温下相比，上升段的斜率较小，且随着温度的升高，荷载位移曲线的上升段的斜率逐渐减小。

（2）高温试件的承载力相比于常温大幅降低，而且常温下试件在达到极限荷载后，荷载-位移曲线迅速下降，但是高温试件的下降段则下降缓慢，通过分析S5D10-400的破坏模式，这可能是由于基材内的配筋承担了混凝土开裂后的剪力而使荷载-位移曲线表现出一定的延性。

（3）除S5D8外，其余三类试件在高温下极限荷载对应的位移均小于常温下的情况，表明高温对混凝土和锚栓的材性均有明显的削弱，相比常温无法使锚栓在破坏前发生较大的变形，导致了试件破坏时的位移很小。

为便于定量分析试件的抗剪承载力、抗剪刚度和剪切变形能力，根据荷载-剪切位移曲线的形态引入如图5所示的等效弹塑性体系。其基本的计算规则如下：确定峰值荷载Pu和试件破坏时的位移Dmax，即确定点Q（Dmax，Pu）。根据荷载-剪切位移曲线或者试验采集数据确定0.75Pu及其对应的剪切位移。即点M（D0.75，0.75Pu）。连接原点O和点M并延长过点Q的水平线相交于点N（1.333D0.75，Pu）。定义直线OM的斜率Ke为等效刚度，表示试件的刚度大小。定义直角梯形O N Q P的面积Ut为等效能量延性，表示试件的延性大小。按照上述规则，计算出各试件的等效刚度Ke列于表5。

图5 等效弹塑性荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Equivalent elastoplastic load-mid-span deflection curve

表5 试件等效刚度、等效延性及其变化率Table5 Equivalent stiffness，equivalent ductility and its rate of change

2.2.2 承载力

比较表5和图6中各试件的承载力及其随温度的变化，可发现如下规律：

图6 抗剪承载力随温度变化关系Fig.6 Variation of shear capacity with temperature

（1）相同边距和埋深的试件其抗剪承载力随温度升高产生显著降低。与常温相比，300℃，400℃，500℃，600℃时，各试件承载力降低率的平均值分别为43%，44%，55%，54%。试件高温下抗剪承载力与混凝土高温下抗拉强度劣化密切相关。300℃时混凝土抗拉强度发生非常显著的降低，锚栓的屈服强度和极限强度均有了显著降低，因此300℃之后试件的承载力相比于常温下降明显。

（2）比较S5D8和S8D8（或S5D10和S8D10）的承载力-温度数据可知，相同埋深的试件在高温条件下，增加边距可以显著提高试件的抗剪承载力，提高范围分别为28%～100%、43%～70%。

（3）S5D8和S5D10（或S8D8和S8D10）的承载力-温度数据在不同温度下存在大小交替变化的现象，表明在相同边距条件下，增加埋深对承载力的提高不显著。

2.2.3 抗剪刚度

比较表5和图7中各试件等效抗剪刚度及其随温度的变化，可发现如下规律：总体来说，随着温度升高，构件的刚度降低明显，与常温相比，300℃，400℃，500℃，600℃时，各试件抗剪刚度降低率的平均值分别为55%，56%，46%，67%。这主要是由于锚栓钢材性能在高温环境中发生明显降低而导致的荷载-位移曲线前期斜率的减小。此外，抗剪刚度的降低程度与边距和埋深无明显关系。当边距为5d时，埋深越大，抗剪刚度降低程度越不明显；当边距为8d时，埋深越大，抗剪刚度降低程度越明显。关于边距对抗剪刚度的影响无规律性类似。

图7 抗剪刚度随温度变化关系Fig.7 Variation of shear stiffness with temperature

3 结 论

（1）常温下，单锚的边距应不小于8d，埋深不小于10d。提出单锚试件在达到极限荷载时混凝土开裂、锚栓发生一定拔出位移，因此在实际应用中应尽量避免锚栓承受较大的偏心荷载，以保证其性能的充分发挥。

（2）随温度升高，破坏模式从混凝土破坏向边缘楔形体破坏转变。高温对于单锚承载力有非常大的影响，边距小于8d时，增加边距可显著增加抗剪承载力，埋深大于10d时，增加埋深对增加抗剪承载力的效果不明显。