化学锚栓加固植筋混凝土构件抗震性能试验.pdf

第 3 O卷 第 4期 2 O 1 3年 1 2月 建筑科 学与 J o u r n a l 0 f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo1 3 0 NO 4 De c 20 1 3 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 5 4 0 5 0 化学锚栓加 固植筋混凝 土构件抗震性能试 验 邓 宗 才 ， 钟 林 杭 ( 北京工业大学 城市与工程安全防灾减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ： 为 了研 究化 学锚栓能否用于地震地区和受拉 区混凝土构件 ， 对化学锚栓加 固植筋混凝土构件 的锚 固性 能进 行 了试 验 。通过 拟静 力试验 ， 研 究 了锚 固构件 的破坏 形 态、 锚 栓在 反复荷 载作 用 下的 锚 固效果 和抗 震性 能。试验 结 果表 明 ： 化 学锚 栓 的动载锚 固效果 良好 ， 可以 用于地震 地 区和 受拉 区 混凝 土构件 的锚 固； 化 学锚 栓提 高了构 件 的承载 力和 延性 ， 尤其在 反 复荷 载 试验 后 期 ， 在 限制 构件 承 载 力下 降和 位移 增大 方面起 到 了重要 作 用 ； 锚 栓施 工技 术是影 响构件 抗震性 能 的重要 因素 。 关键词 ： 化学锚栓； 混凝土构件 ； 抗震性能 ； 承载力； 延性 中图分 类号 ： TU3 7 5 文 献标 志码 ： A Ex p e r i me nt o n S e i s mi c Be h a v i o r o f RC M e mb e r s wi t h Pl a nt i ng Ba r s Co nf i n e d b y Che mi c a l Anc ho r DENG Zo ng c a i ZHONG Li n h a n g ( Ke y La b o r a t o r y o f Ur b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r En g i n e e r i n g o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n ， Be i i i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o r e s e a r c h whe t he r t he c he m i c a 1 a nc h o r c o ul d be us e d i n s e i s mi c a r e a or t e ns i l e r e g i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( RC)me mb e r s ，t h e t e s t o n t h e a n c h o r b e h a v i o r o f RC me mb e r s c on f i n e d b y c he mi c a l a nc ho r wa s c a r r i e d o ut Th r o u gh q ua s i s t a t i c t e s t ，t he f a i l ur e mo de s o f RC me mbe r s c o n f i n e d by c h e mi c a l a nc ho r s ， t he e f f e c t s o f a nc ho r a nd t he s e i s m i c be h a v i o r we r e s t ud i e d u nd e r c y c l i c l oa dThe e x pe r i m e nt r e s ul t s s ho w t h a t t he dy na m i c a nc ho r e f f e c t i ve ne s s o f c he mi c a l a n c hor i s g o od。 a n d t he a n c h or c a n be u s e d i n s e i s m i c a r e a o r t e ns i l e r e gi on O f RC me mb e r s Th e b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y o f me mb e r s a r e e n h a n c e d b y t h e c h e mi c a l a n c h o r ， e s pe c i a l l y i n l a t e r pe r i od o f c y c l i c l o a d t e s t ， t he c he mi c a l a nc ho r p l a y s a n i mp or t a nt r ol e i n pr e v e n t i n g t he d e c r e a s e o f be a r i ng c a pa c i t y a n d i nc r e a s e o f d i s pl a c e m e nt The a nc ho r c o ns t r uc t i on t e c hn ol o gy i s a n i mp or t a nt i n f l ue nc e f a c t o r on t h e s e i s m i c b e h a v i o r o f m e mbe r s Ke y wo r ds ：c he m i c a l a n c h or ；RC me mbe r；s e i s mi c be h a v i o r；be a r i n g c a p a c i t y；d uc t i l i t y 引 口 化学锚栓以其性能可靠 、 施工简便等优点被广 泛应用于建筑物扩建、 改造 、 加 固和设备安装 等工 程 引， 目前 ， 锚栓的设计 主要是以单 向拉拔试验为 依据 来确 定锚 固深度 。中 国是 多 地 震 国家 ， 需 要 确 定锚栓是否能够用于地震 区结构工程。由于锚栓动 载性 能试验 装置 复杂 ， 没 有统 一 的试 验方 法 、 设 备和 标准 ， 各 国学 者 对 此研 究 甚 少 。工程 中所 用锚 栓 的 种类 较多 _ 4 ， 性能各 异 ， 在地震作 用下 受力 复 杂 ， 作 为结 构构件 的重 要 连接 件 ， 有 必 要对 锚 固构 件 的抗 震性 能进行 深入 的研究 6 。化 学锚栓 在工 程 中常被 收稿 日期： 2 0 1 3 - 1 0 0 9 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 7 8 0 3 2 ) 作者简介： 邓宗才 ( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 陕西扶风人 ， 教授， 博 士研究生导师 ， 工学博士 ， 博士后 ， E 一 ,n a i l ： d e n g z c b j u t e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 邓宗才 ， 等： 化 学锚栓加 固植筋混凝土构件抗震性能试验 5 5 应用 于地 震 地 区 和 受 拉 区混 凝 土 构 件 的 锚 固 与 连 接 ， 如钢 板通 过锚 栓 与 原 有 混凝 土 构 件 连 接 是 结构 加固中粘钢 、 灌钢技术的必要措施 ， 锚栓的锚固效果 在这 种 施工 工艺 中起 到 了非常 重要 的作 用 。为 了研 究锚 栓 的抗震 性 能 ， 用 其 连接混 凝 土梁 与柱 ， 采用悬 臂试 件 进行 反 复加 载 试 验 。结 果 表 明 ： 试 验 中所用 锚栓在承受反复拉拔力 时锚 固效果 良好 ， 提高 了构 件的承载力和延性 ， 尤其在试验后期， 锚栓在限制构 件承载力下降和位移增大方面起到 了重要作用； 另 外 ， 试 验 中也发 现 ， 保 证各 锚栓 的 间距是 影 响锚 固效 果 的重要因素。 1 材料性能与试件加载 1 1 材 料性 能 混凝 土 强 度 等 级 为 C 3 0 ， 实 测 立 方 体 强 度 为 3 3 2 MP a ， 梁 柱 纵 筋 均 采 用 HR B 3 3 5 ， 箍 筋 采 用 HP B 2 3 5 ， 试验 中所 使 用 的 加 固材 料 为韩 日牌 化 学 锚栓和韩 日牌植筋胶 ， 其力学性能指标如表 1 ， 2所 示 。表 2中 ， d为植筋 ( 钢 筋) 直 径 。 表 1 化学锚栓力学性能指标 Tab 1 M e c ha ni c a l Pr o pe r t y I n de x e s o f Che mi c a l Anc h o r 长度 间距 固化 时 锚 固于 C 3 0混凝土 锚固于 C3 0混凝士 型号 mm 间 min 的破坏拉力 k N 的破坏剪力 k N M 1 6 l 9 O 6 5 2 0 7 1 6 5 3 4 表 2 植 筋胶 力学性能指标 Ta b 2 M e c ha ni c a l Pr o pe r t y I n de x e s of S t r uc t ur a l Adh e s i v e 劈裂抗拉 抗弯强 抗压强 粘结 强 不同植筋 深度下 的 实 际拉拔力 k N 强度 MP a 度 MP a 度 MP a 度 MP a 1 O 1 5 d 8 6 6 5 1 9 O 8 8 8 O 1 4 2 0 7 9 4 1 1 9 1 1 2 试 件 加载 试验试件共 6个 ， 几何尺寸及配筋如图 1所示 ， 试件参数见表 3 。表 3中， z J 2 o表示植 筋( 钢筋) 直 径 为 2 0 mm， 1 0 d， 1 5 d分 别表 示植 筋深 度为 1 O倍 和 1 5倍 植筋 直径 ， 单锚 与 双锚表 示化 学锚 栓 的数量 。 为 更 加 真实 地 反 映实 际 工 程 中 的情 况 ， 植 筋 和 锚栓 施 工 的过程 由北京 新 鑫江建 筑 加 固工 程有 限公 司完成 。试件在制作过程中采用两次浇筑成型的方 法 ， 即先 浇筑 节点 柱子 ， 等 混凝 土完 全 固化 后在 试件 节 点上 用 电锤 钻 出植 筋 孔 ， 经 过 清孔 、 灌 胶 、 植 筋 等 施工工序将钢筋植入混凝土中， 在结构胶经过 2 4 h 固化后绑扎箍筋 ， 浇筑节点混凝 土， 经过 2 8 d养 护 后再对节点进行打孑 L ， 用化学锚栓将钢板 固定在相 应 位 置 。 ： 8 1 0 0 ( 5 0 ) 一 1 1 截 面 2 l I 4 U U I _ L = 2 截击 图 1 试 件 尺 寸 及 配 筋 ( 单位 ： mm) Fi g 1 Ge o me t r i c Si z e s a n d Re i nf o r c e me nt o f S p e c i me n s( U n i t ： mm) 表 3试件参数 Ta b 3 Pa r a me t e r s o f S p e c i me n s 植筋( 钢筋) 试件编号 植筋深度 ram 锚固情况 直径 ram ZJ 2 0 - 1 O d 2 0 2 0 0 无 z J 2 0 1 0 d单锚 2 O 2 0 0 单锚栓 z J 2 0 1 0 d双锚 2 0 2 0 0 双锚栓 Z J 2 0 1 5 d 2 O 3 O 0 无 z J 2 0 1 5 d单锚 2 O 3 O O 单锚栓 z J 2 0 1 5 d双锚 2 0 3 0 0 双锚栓 试件加载采用分级加载， 每级的荷载增量为 1 0 k N， 荷 载稳 定 时间为 3 mi n ， 弹性 阶段采 用荷 载控 制 加载 ， 在出现明显的弹塑性变形后采用位移控制加 载的方法 ， 直至荷载下降到峰值荷载 8 5 或构件破 坏之后， 停止加载。 2试验结果分析 2 1破 坏形态 试 验 中试 件 破 坏形 态 如 图 2所 示 ， 试 件 的破 坏 过程 和典 型形态 描述 如下 ： ( 1 ) Z J 2 0 一 l O d构件在受拉纵筋屈服前 ， 混凝土 及纵筋应变呈线性增长， 受拉区混凝土 出现少量水 平裂 缝 ； 纵 筋屈 服 后 ， 新 旧混 凝 土 界 面 出现 通 缝 ， 同 时柱身侧面靠近钢筋位置处 出现裂缝 ， 随着加载的 进行 ， 裂缝宽度不断加大 ， 直至构件破 坏， 柱身仍无 明显 新增 裂缝 ， 受压 区混凝 土也 没有 被压 碎 的现 象 ， 凿开柱脚混凝土层 ， 发现植筋有部分被拔起 ， 属于脆 性破 坏 ； Z J 2 O 一 1 5 d构 件 在 加 载 过 程 中 ， 裂缝 均 出 现 在柱身高度范围内， 钢筋位置处无裂缝出现 ， 最终纵 向受拉钢筋屈服 ， 受压区混凝土被压碎 ， 这种破坏形 态属 于延 性破 坏 。 ( 2 ) 由锚栓加固后的构件在加载过程中， 裂缝首 先 出现在锚栓锚固位置 ， 紧接着在靠近钢板上沿处 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 邓 宗才 ， 等 ： 化 学锚 栓加 固植 筋 混凝 土构件 抗震 性 能试验 5 7 余构 件 的承 载力 发 展都 非 常 平稳 ， 说 明 l O d植 筋 的 构件 由于 自身植 筋 深 度 不 够 ， 容 易 发 生 脆 性 破 坏 。 采 用单 根锚 栓加 固后 ， 锚栓 的锚 固效 果 良好 ， 它对 构 件承载力和延性的提高起 到了明显 的作用， 但是在 2根锚栓 同时锚固以后 ， 锚 固效果大大降低 ， 脆性增 大 ， 这 是锚 栓施 工 时对 原 有 混 凝 土 结构 的截 面削 弱 6 0 40 2O 0 ram ( a ) ZJ 2 0 1 O d 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O 0 ram ( d ) Z J 2 0 - 1 5 d 单锚 造成 的 。 2 3 反复 荷载作 用 下试件 的力一 位移 关 系 曲线 滞 回曲线是结构抗震性能 的综合体现 ， 反复荷 载作用下各试件的滞回曲线如图 3所示 ， 其中， P为 水平荷载 ， 为与水平加载点同一高度的相应水平 位 移 。 4 。 3 0 耄 2 。 l O 0 4 0 8 0 l 2 O l 6 0 A ram ( e ) ZJ 2 0 1 0 d ,锚 mm ( c ) Z J 2 0 - 1 0 d 单 锚 图 3 反复荷载作用下各试件 的滞 回曲线 Fi g 3 Hy s t e r e s i s Cu r v e s o f Sp e c i me n s Un de r Cy c l i c Loa di n g 由图 3可 以看 出 ： ( 1 ) 构件 屈服 前 ， 滞 回 曲线 基 本 上呈 直 线 型 ； 构 件屈服后 ， 随着侧 向位移 、 加载循环次数 的增加 ， 滞 回 曲线 弯 曲 ， 呈 现 出较 明显 的非 弹性 性质 ， 并且 刚度 随着加 载循 环次 数 的增加 而降 低 ， 滞 回曲线呈 梭形 。 ( 2 ) 在 构件 达到 屈服荷 载 后 ， 3个 植筋 锚 固深 度 为 1 0 d的构件承载力均迅速下降， 但是 随着加载的 进行 ， 构件的滞 回曲线出现了不同的发展趋势 ： 无 锚 固构件的承载力下降速度快 ， 属于脆性破坏 ； 单 锚构件在承载力下降一段后又慢慢恢复 ， 峰值荷载 达 到 了 3 9 1 k N， 最 终破 坏 ； 双锚 构 件在 承 载力 突 然下降以后， 在 3 0 k N 左右保持平稳发展 ， 下降缓 慢， 直至最终破坏。这说明植筋深度 1 0 d的构件在 反复荷载作用下是不可靠 的， 后期承载力的提高 主 要来 自于锚栓 的锚 固作用 ， 但锚栓的锚 固效果对后 期 承载力 的发展有 重要 影 响 。单 锚构 件属 于延性 破 坏 ； 虽然双锚构件破坏时的承载力小于单锚构件 ， 但 是其延性相 比未加固构件有所提高， 在持续 反复荷 载作用的后期 ， 结构仍能够继续承载 ， 满足 了“ 大震 不倒” 的设计 目标 。 ( 3 ) 植 筋 深 度 1 5 d 的构 件 在 承 载 力 、 延 性 方 面 都较植筋深度 l O d的构件有所提高 ， 植筋锚 固深度 mm ( f ) Z J 2 0 1 5 双 锚 是可靠 的。从承载力的发展趋势来看 ， 单根锚栓的 锚 固效 果 明显好 于 2根锚栓 的锚 固效 果 。 2 4抗 震性 能和 延性 试验 对有锚 栓锚 固的植 筋 构件进 行单 向反 复加 载 ， 锚 栓始 终 承受着 反复荷 载 的拉拔 作用 ， 借助 构件 的破 坏形 态 和锚栓 的动 载锚 固效果来 分析 锚栓 的抗 震性 能 ， 判 断 化学锚 栓在 地震 高烈度 地 区用于 加 固、 锚 固或连 接 承重构 件 的适 用性 。 由表 4还 可 知 ， 经 过锚 栓 加 固后 的植 筋 构 件 比 未加固试件的延性 系数均有提高 ， 其中由单根锚栓 锚 固的构件延性系数提高显著 ， 植筋深度 l O d单锚 构 件 的弹塑 性 位 移 提 高 了 8 5 5 8 ， 有 效 阻 止 构件 发 生脆 性破 坏 ， 其 主 要 原 因是 锚 栓 在 反 复荷 载 作 用 下锚固效果很好 ， 限制 了构件承载力的下 降和位移 的增 大 。 3 结 语 ( 1 ) 随着植 筋深 度 的增 加 ， 植 筋构 件 的破坏形 态 从脆 性破 坏变 为延 性 破 坏 ， 构 件 的承 载 力 和延 性 均 有所提高 ， 植筋深度 1 5 d构件 的承载力 比植筋深度 1 0 d构件提高了 1 7 1 ， 延性系数提高了 3 6 9 2 。 这说明植筋深度是影 响构件抗震性能 的重要 因素 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 3丘 ( 2 ) 试验 中所 用锚 栓 在 承 受反 复 拉 拔力 时锚 固 n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 4 ) ： 5 1 i - 5 2 4 效 果 良好 ， 有 效 阻止植 筋 深 度 l O d构 件 发 生脆 性 破 J E N N I F E R H G R I C H A R D E K D y n a m i c B e h a v i o r 坏 ， 改 善 了植 筋 深 度 1 5 d构 件 的延 性 ， 并 且 提 高 了 o f s i “ g l 。a n d D o u b l e N 。 。 d g 。A n c h o r s L 。 a e d i n 构 件 的屈服强 度 和峰值荷 载 ， 尤 其在试 验后 期 ， 锚 栓 S h e a r J A C I s “ 。 J o u r n a l , 2 0 0 1 , ( ： 。 。 。 一 在限制构件承载力下降和位移增大方面起到了重要 5 谢群 ，陆洲导 ， 余江滔 锚栓抗 震性能研究综 述 J 作 用 。 工业建筑 ，20 06， 3 6( 4)： 73 74 ( 3 ) 锚栓施工技术也是影响锚栓抗震性能的重X I E Q n ， L U Z h 。 一 d 。 ， Y U J i o S mm y 。 f 要因素， 单锚构件和双锚构件在同样 的加载机制下 A 。 h o B h 、 ， i 。 U d S e i m i L o a d r J _ I n d u s t r i 1 进行 比较可 以发 现 ， 单锚 构 件 的 承载 力 和 延性 均 优 C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 7 3 7 4 于双锚构件 。在有限的范 围内锚 固多根锚栓 ， 容易 6 王翠坤， 肖 从真， 赵西安 锚栓抗震动力性能试验 J 造成 原有混 凝 土结 构截 面 的削 弱 ， 导致 构 件 加 固效 建筑技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 9 ) ： 6 9 i 一 6 9 2 果反 而 降低 。 WA N G C u i k u n ， X I A O C o n g z h e n ， Z H A O X i a n T e s t ( 4 ) 通过对 试验 中构 件 的承 载 力 和延 性 分 析 可 o f A “ i 一 i b i 。 n P e f o ma n c e 。 f A n c h 。 r J A r c h i 一 ，厂 童 提 跫 盒 ： 。 才re ，T钟e c林h n杭o lo ， g 张 y , 等 3 5 ( 植 9 ) 筋 ：6 钢 91 - 筋 6 9 混 2 凝土锚固构 保证施工质量的条件下 ，化 学锚 栓 的 抗震 锚 固性 能 件抗震性 验 E 三 报 i ： 良好 ， 可 以用 于地震 高烈 度 地 区承 重 构 件 的连 接 和 7 f 、 7n7_ 711 加 固 ， 亦 可 以用 于受 拉 区混凝土 的锚 固或连 接 。D E N G Z o n g - c a i ， Z H O N G L i h g ， Z H A N G Y o n g 一 参考文 献 ： f “ g ， a l S e i s m i c B e h a v i 0 r o f R e s e a r c h R C S t r u c t u r 。 Re f e r e n c e s ： w i t h P o s t - i n s t a l l e d c h mi l l Y R b j J o u r n a l o f 1 S HI R VAN I M， KL I N GNE R R E， G RA VE S H L 7 1 1 B r e a k o u t C a p a c i t y o f A n c h o r s i n C o n c r e t e P a r t 1 ： 8 邓宗才 ， 钟林杭 植筋框 架节 点抗 震性 能研究 J 国 T e n s i o n F J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 0 1( 6 ) ： 防交通工程与技术 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 1 1 3 ，3 5 8 1 2 8 2 0-DENG Zo ng c a i ，ZHONG Li r l - h a ng Re s e ar c h i nt 0 t h e 2 S HI R VAN 1 M， KL I N GNE R R E， G R AVE S H L An t i s e i s mi c P e r f o r ma n c e o f R C S t r u c t u r e s wi t h P o s t B r e a k o u t C a p a c i t y o f An c h o r s i n C o n c r e t e P a r t 2 ： i n s t a l l e d R e i n f o r c e me n t J Tr a f f i c En gi ne er i ng a n d S h e a r J AC I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 6 ) ： 8 2 1 一Te c h n o 1 0 g y f o r N a t i o n a 1 D e f e n c e ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 1 1 3 ，35 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ； 空间结构) 2 0 1 4年征订通知 ； ! ? l 空问结构 是由国家教育部主管、 浙江大学主办的全国性专业科技期刊， 1 9 9 4 年创刊， 面向国内外 l 5 公开发行。 空间结构 主要刊载空间结构的理论研究、 分析设计、 试验与实测、 建筑造型、 施工工艺、 管 j l 理经验、 工程实例、 信息报道及有特色的空间 结构工程照片等方面的内容。读者对象为科研单位、 设计 l j 院、 生产施工单位 、 质检管理部 门的科技人员及大专院校师生。 ； 空 间结构 为季 刊 ， 大 1 6开本 ， 9 6页 ， 每期定 价 1 5元 ， 全 年共 6 O元 ； 兼营广 告 ， 1 0月起征 订下一 年 ； ； 度广告。 空间结构 自办发行， 请直接汇款至本编辑部订阅， 发行组收到汇款后即寄发票并按期寄给订 ； 户， 务请在汇款用途栏或附言栏内注明 订购 空间结构 份数及年限。订购款按以下方式汇寄： l 9 开户行： 工商银行杭州市浙大分理处 电话： ( 0 5 7 1 ) 8 7 9 5 2 4 1 4 ( 带传真) ； i 账 号： 1 2 0 2 0 2 4 6 1 9 9 1 4 4 8 2 8 7 6 邮 编： 3 1 0 0 2 7 l l 账户： 浙江大学 空间结构 杂志编辑部 E - m a i l ： k j j g z z 1 6 3 c o m i j 地 址 ： 杭 州玉泉浙江大学空间结构研究中心 空间结构 杂志编辑部 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m