后锚固技术现状及其发展.doc

中国建筑装饰 幕墙工程
后锚固技术现状及其发展
北京天盛金房地产开发公司 刘朝辉

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CHINA BUILDING DECORATION 2005年第8期 / 总第183期
【摘 要】 本论文主要阐述了后锚固技术现状以及未来发展趋势。后锚固技术目前广泛应用于工业民用建筑领域，项目实践与科研单位的合作，使新一代的更为经济安全的锚固系统不断地得到发展，这种新的锚固系统不仅能在非开裂砼中应用，而且在开裂砼中也有很好的承载效果。在欧洲，根据CC计算法（Concrete Capacity Method）或者专门的计算软件来选择和设计锚固系统。另外锚固系统生产商通过其编制的技术手册广泛宣传锚固系统的安装使用，也在一定程度上扩大了锚固系统的应用。

1．简介
后锚固技术在民用建筑工程中的地位越来越重要，下图1就表明了后锚固技术在建筑领域中的广泛应用，也就是说后锚固技术应用于各种各样的工程。可想而知如果后锚固系统的失效会直接带来生命和财产的损失，所以采用可靠的锚固系统是必要的。
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图1 后锚固系统应用
安全可靠的锚固系统
制造商生产高效锚固系统

设计工程师精确设计计算

最终用户正确使用安装

图2 安全可靠锚固系统保障
安全可靠的锚固系统需要制造商、设计工程师以及最终用户之间很好的配合（图2），制造商为我们生产了性能优越的锚固系统产品，设计工程师通过精确设计计算以及现场实际问题选择合适的锚固系统，当然最后还需要用户制造商提供的安装方法来正确安装锚栓，这样的锚固系统才能保证安全可靠。

2．锚固系统
锚固系统经常被应用在混凝土结构工程当中，主要有预埋和后锚固两种形式（图3）。预埋锚固件事在浇筑砼之前将锚固件置于砼设计正确位置。而后锚固是指通过钻孔工具在基材上钻孔或者通过特殊工具（如射钉枪）直接将锚固件置于砼中准确位置。后锚固产品的应用是一个很复杂的问题，这部分产品从承载机理上分主要有摩擦类型、机械锁定以及化学粘结三种（图4）。

图3 锚固类型

图4 锚固机理
预埋锚固件象大头螺杆、哈芬槽等主要通过砼内部机械锁定来承载力的。典型的后锚固锚栓是在既有的混凝土上实现锚固效果。膨胀类型的锚栓就是通过膨胀片与孔壁之间的正压力形成的摩擦力来传递荷载的。后切底锚栓是通过特殊的钻孔工具钻出里大外小的孔，然后实现机械凸形结合，达到传递荷载的目的。化学锚栓就是通过专用的化学粘结剂把锚固件粘结于混凝土中。近几年，，很多研究机构都在各方面作了不懈的努力，使锚栓产品得到了很大的发展，并且能广泛应用于不同的基材以及不同荷载，如动荷载、循环荷载等。
国外某机构曾经就50家工程公司作了一个调查，这个调查显示出详尽的锚栓技术参数和良好的服务是大多数客户选择锚栓的重要一个标准，而较低价格并不是一个很重要的选择标准。
3．锚栓测试
锚栓能否得到正确应用，决定其功能是否更好的发挥，因而测试是必须的。目前我们对锚栓的检测主要依据EOTA（1997）和ACI（1985）。在这两本书里面有很详尽的描述。锚栓的测试一般会选择最不利的因素如开裂混凝土（裂缝宽度W=0.5mm）进行测试。在欧洲只有在ETA认可的研究机构才能够对锚栓进行检测，通过检测就会获得在某个应用领域安全应用的认证。比如锚栓防火认证、能够在开裂混凝中应用的认证、抗冲击认证等。

欧洲技术认证 抗冲击认证 防火认证
图5 认证标志
4．锚栓的设计
锚栓一般会承受拉力、剪力，或者拉剪组合、弯剪组合等。这些力可能会是静荷载也会是动荷载。锚栓系统的破坏形式有好几种。（a）在拉力作用下，发生拔出破坏时，锚栓从基材中被拔出，而混凝土未出现明显的破坏。靠近基材表面可能会有轻微的剥落，但是这对锚栓破坏荷载不起主导作用。如果锚栓的膨胀力太小而不足以将锚栓固定在混凝土中直至破坏时，膨胀式锚栓也可能发生拔出破坏。膨胀式锚栓发生穿出破坏时锥体或锥体锚杆从膨胀片中穿出，而膨胀片仍留在钻孔中。膨胀力较高的膨胀锚栓常发生这种穿出破坏。（b）混凝土破坏时，锚栓带出一个锥形混凝土破裂块，锥体的端部是膨胀区或后切底区。（c）如果相邻锚栓间距较近，且共同在一块锚板上，则可能出现破裂块交叉，拉出一个共同的混凝土破裂块。（d）如果边距很小，则破裂块出现在混凝土边缘。（e）混凝土劈裂破坏，可能是整块构件开裂，可能是相邻锚栓间出现裂缝，也可能是锚栓与构件自由边之间产生裂缝。这种破坏形式，只有在构件尺寸过小，和/或锚栓间距、边距过小的情况下才会出现。钢材破坏是指螺杆或与锚栓配套的螺钉发生断裂。（f）钢材破坏荷载是锚栓承载力的上限。化学粘结锚栓可能发生与膨胀锚栓和后切底锚栓类似的破坏模式。当植筋胶粘剂和基材孔壁界面之间的粘结或植筋胶粘剂与钢筋界面之间的粘结破坏时，化学粘结锚栓就会发生拔出破坏。发生混凝土破坏时，破坏锥体起始于锚固深度0.3～0.7倍处。在砌体结构中，锚栓最大承载力受基材强度的控制。在实心砌块中，锚栓可能发生拔出破坏或劈裂破坏，而在有些情况下，承载力上限则是钢材破坏荷载。

图6 锚栓在拉力作用下的破坏类型
混凝土中的锚栓在剪力作用下，如果锚栓距离混凝土构件边缘较大，通常发生钢材破坏。在这种破坏形式发生前，可能会发生混凝土表面局部剥落，与受拉情况类似，在剪力作用下，钢材破坏是锚栓受剪承载力的上限值。对于短粗或间距很小的锚栓组，在剪力作用下，往往会发生混凝土的撬剥破坏。如果锚栓距离混凝土构件边缘接近，在剪力作用下，往往会导致混凝土边缘剥落。对靠近边缘并且间距也很小的锚栓组，在剪力作用下可能会导致一个共同的混凝土剥落块。如果锚栓靠近构件角部，在剪力作用下，可能会发生整个混凝土角部剥落。
同样地，安装在砌体结构上的锚固系统要么发生钢材破坏，要么发生基材破坏。

图7 锚栓在剪力作用下的破坏类型
锚栓设计的基本原则是锚栓承载力设计值应不小于载荷设计值（公式1）：
（公式1） （1）
锚栓受力可分为永久荷载和可变荷载，这两种荷载共同组合成了载荷设计值（公式2），在一般情况下在同一反方向上这两种载荷的分项安全系数是不一样的，在欧洲一般我们采用=1.35和。在我国采用安全分项系数=1.2和Yq=1.4。
（公式2） （2）
锚栓承载力设计值同载荷设计值一样也包含一个材料系数。我们一般用锚栓承载力标准值除以这个系数就厂可得到了锚栓承载力设计值R（公式3）。
（公式3） （3）
锚栓承载力标准值的计算和锚栓的破坏形式有密切的关系，可分为钢材破坏、混凝土锥体破坏等。其值可按相应的计算公式计算。公式中的各个参数的选取，可在锚栓生产厂家提供的技术手册中查到。

5．开裂混凝土
经验表明，在恒载作用下，混凝土裂缝宽度一般不超过W=0.3～0.4mm。在设计荷载作用下可能出现裂缝宽度W 95%=0.5～0.6mm，W 95%表示裂缝宽度95％的概率，即整个混凝土构件中95%的裂缝小于该值，仅5%的裂缝大于该值。由于在紧接着锚栓的区域拉力会增加，当裂缝出现时，它们很可能通过锚栓或靠近锚栓。这是由以下因素产生的：锚栓预紧力或所受荷载产生的劈裂力，构件中单点集中荷载产生的弯矩峰值，以及钻孔产生的开槽效应。
采用厚度 h = 250㎜的配有纵筋或焊接钢筋网和箍筋（间距250mm）的混凝土试件做相关试验证实了上述说法/18/。安装了后切底柱锥式锚栓和扭矩控制式膨胀锚栓（M12,hef=80mm），锚栓受推荐扭矩或1.3倍的允许工作荷载，间距为40mm～80mm。其中预留一些钻孔不安装锚栓。锚栓均安装在非开裂混凝土并承受外荷载。在大约40％允许荷载时，混凝土梁试件便开始出现弯曲裂缝。而在允许荷载作用下，无论锚栓或箍筋的间距如何，无论外荷载类型如何，几乎所有的锚栓和钻孔都受到裂缝的影响。
图8 开裂的混凝土板
那么，锚栓在开裂混凝土中性能如何呢？图9为扭矩控制膨胀锚栓在开裂混凝土和未开裂混凝土中的荷载位移曲线。该锚栓设计为适用于开裂混凝土。虽然开裂混凝土中的极限荷载要比未开裂混凝土中的低，但开裂混凝土中每条持续稳定上升曲线与未开裂混凝土中是相似的。相反，一种设计为仅适用于未开裂混凝土中的锚栓，如果用在开裂混凝土中，其力学性能会有显著的变化。图10所示为仅适用于未开裂混凝土中的扭矩控制锚栓的荷载位移曲线，从该曲线上可看出，这种锚栓仅在未开裂混凝土荷载位移曲线有持续稳定的增长，而在开裂混凝土中，该锚栓的荷载－位移性能及最大荷载离散性很大，无法确定何时会出现破坏。极端情况下，荷载增加相对较小时，锚栓即从混凝土中拔出。
很明显,设计用于非开裂砼的扭距控制锚栓在应用于开裂砼中不能发挥他的全部功能（图10），在开裂砼（w=0.3mm）中位移控制的膨胀锚栓失效荷载只有在非开裂砼中的一半（图3），破坏荷载的减小清楚地表明锚栓的膨胀力只有部分得到应用。
对于粘结型锚栓，胶与砼之间的粘结由于裂缝部分破坏（图13）,从而导致破坏荷载的降低和分布的很大的离散性 （图 12）。在裂缝展开之后粘结膨胀型锚栓的膨胀应力产生于向外拔出的锥体与胶之间的相互嵌合作用（图14）。破坏荷载只比在非开裂砼中降低30%。（图15）
如果用于开裂的钢筋混凝土中,紧固件本身应考虑带有在开裂砼使用的特性和能力。同时在设计中要考虑裂缝对破

图9 图10
荷载
非开裂混凝土
开裂混凝土
位移

图11 图12
图13 裂缝穿过螺栓
图14 在裂缝影响下可用于开裂混凝土
的化学螺栓的受力情况
图15 普通螺栓在不同情况下的受力曲线
坏荷载的影响。如果紧固件要在超过使用期使用应由设计师依据规范对其综合性能进行考虑,如防腐,疲劳应力,耐久性和粘结剂的化学稳定性及耐老化性等。必要时可通过实验测试来判定。
6．紧固件的安装
在安装紧固产品的时候必须依照厂家的设计说明和安装说明。特别是排列图,要熟悉,安装人员要经过很好的培训。因为即使很小的错误（诸如不适当钻孔,没有或清孔不干净,施加的扭力太小, 对埋件所在区域的砼不正确的施加压应力 ）都会影响锚栓特性的发挥。在过去十年制造商进行了大量工作以提高安装工艺和质量,但是一个很大的问题是很多安装工作是由未经过培训的工人来完成的。对于这一点对结构安全带来了很多隐患,如上所述任何不按标准安装程序施工的情况都会对锚栓的承载能力带来不利影响。

7．应注意的问题及未来的趋势
使用CC计算法可以计算任意荷载下的锚栓受力情况。在某些情况下（如锚栓安装比较靠近边界等），计算模型需要有新的模式。对于边界条件和锚栓间距，在欧洲标准ETAG中有明确,尤其是群锚边间距的影响不能忽略,间距的大小直接决定群锚合力的设计值。公式中的几个涉及砼边界的计算参数,对最终计算结果有很大影响。
此外，还要考虑其他一些因素。例如在不同强度的砼中锚栓的破坏荷载也是不相同的。目前，是以C30混凝土为基准,不同强度等级的砼可以通过经验公式来进行变换。裂缝的展开对破坏荷载有直接影响。同时应对使用环境有清楚的了解,尤其是在有防火要求时,应考虑火灾下的失效情况。
其是设计师进行设计时应全面了解使用要求,尤其应对计算理论中的公式和计算原理有比较深入的了解。目前所用的CC计算法综合了各种因素,对旧的安全系数法有很大改进,使计算模型更趋于合理和符合实际。

8．总结
现代后锚固技术随着工业建筑的大量使用而不断发展所以许多新的和革新的锚固系统不断出现。设计规范中的设计理论也得到相应的提高和完善。对设计人员和施工安装的技术水平也会有很大的提高。
对于混凝土结构使用预埋体系和后锚固体系在实际使用过程中并不象对其他体系中应用连接系统那样有完全的信心（如螺栓在钢结构中的应用）。但随着工程技术的提高和建筑业的发展,后锚固技术会越来越多的应用于建筑工程中。

9．本文参考文献
⑴美国混凝土协会,ACI318:混凝土结构建筑技术要求规程。
⑵美国混凝土协会, ACI349-85:核电站混凝土结构安全技术规程。
⑶CEB:混凝土用锚栓设计。
⑷CEB:混凝土及砖石结构锚固技术。
⑸COOK,R.A.;BISHOP,M.C:粘结型锚栓在非开裂砼中轴向
作用下特性及设计。
⑹ELIGEHAUSEN,R.;BOUSKA,P.:混凝土尺寸对锚栓破坏
荷栽的影响。
⑺《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004/J407-2005。