胶粘型锚栓的应用与设计

胶粘型锚栓的应用与设计
本文回顾了胶粘型锚栓的发展历史，对特殊倒锥形螺杆的受力机理、破坏模式和抗震应用做了详细的阐述。

结合新出版《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013，对某一加固案例做了抗拉、抗剪承载力的计算和结构构造校核。

锚固技术可分为预埋式锚固和后锚固技术,预埋式锚固技术是在混凝土浇注前预先
在模板内埋置锚固件，称为预埋技术；后锚固则是在已硬化的混凝土构件上钻孔，将锚栓置入混凝土孔洞中，利用锚栓的自锁键原理或化学粘结作用，使新增结构构件与原结构有效连接。

后锚固连接构件按工作原理和构造的不同，可分为机械式锚栓（如膨胀型锚栓、扩孔型锚栓、模扩底锚栓、胶粘-模扩底锚栓）和粘结式锚栓（化学锚栓、化学植筋或螺杆等）。

机械锚栓主要依靠锚栓端头的机械内锁作用将荷载传递到周围混凝土中，机械式锚栓安装快捷，适用范围广泛，对施工要求不高，但该类锚栓安装和使用过程中会引起基材混凝土内部开裂从而降低其承载力，耐久性差，不适用于结构构件中，一般用于幕墙、设备等非结构构件。

粘结锚栓是通过化学胶体的粘结作用传递荷载，化学锚栓与机械锚栓一般长度固定，化学植筋（螺杆）与化学锚栓的作用机理相近，只是埋置深度可以根据需要灵活设置。

因此，承重结构用的胶粘型锚栓已大量用于工业与民用建筑、道路桥梁、水电工程和海洋工程。

规范知识1
与广泛的工程应用相比，我国后锚固技术的理论研究相对滞后，工程应用中多依据产品说明或仅凭经验，且目前市场上的锚栓与粘结剂良莠不齐。

2006年我国第一本加固方面的国家标准规范《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006面世，可以说在加固应用技术领域有了指导性标准。

条文13.1.3规定：承重结构用的锚栓，应采用有机械锁键效应的后扩底锚栓，也可采用适应开裂混凝土性能的定型化学锚栓。

对于定型化学锚栓的定义，条文说明给出了明确的解释：由于目前化学锚栓（也称粘结型锚栓）在市场上品牌多，存在着鱼龙混杂的现象，兼之不少单位在设计概念和设计方法上还很混乱，因而不能任其在承载结构中滥用。

为此，本规范经过筛选仅纳入一种能适应开裂混凝土性能的“定型化学锚栓”。

其所以冠以“定型”作为定语，一是因为需要与其他化学锚栓相区别；二是因为目前能安全地用于承重结构的化学锚栓，均是经过定型设计和安全认证后才投入批量生产的，虽然有不同品牌，但其承载原理都是相同的，即通过材料粘合和
具有挤紧作用的键形嵌合来共同承载，从而达到提高锚固安全性之目的。

由此可知，也正是因为有了“定型设计和认证”这一前提，才能制定其性能和质量的标准，也才能做出如何进行抽样检验的规定。

即将出版的《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013，对粘结型锚栓的功能、有效锚固深度和螺杆类型进一步做了深化。

条文16.1.3规定：承载结构用的机械锚栓，应采用有锁键效应的后扩底锚栓。

这类锚栓按其构造方式的不同，又分为自扩底、模扩底和胶粘-模扩底三种；承重结构用的胶粘型锚栓，应采用特殊倒锥形胶粘型锚栓（见图1）。

1-胶粘剂；2-锥形螺栓；3-全螺纹螺杆；D-钻孔直径；d-全螺纹螺杆直径；h ef-锚栓的有效锚固深度
特殊倒锥形胶粘型锚栓图1
新版加固规范GB50367-2013基于全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会近10年来对各种化学锚栓所进行的安全性检测及其使用效果的观察结果，对其设计概念和计算方法做了两项修订工作：一是不再采用“化学锚栓”这个不科学的名称，而改名为“胶粘型锚栓”；二是在经过筛选后，仅纳入能适应开裂混凝土性能的“特殊倒锥形胶粘型锚栓”。

受力机理2
锚栓的破坏模式大致可以分为锚栓钢材破坏、混凝土锥体-粘结复合型破坏、混凝土基材破坏、拔出破坏和粘结破坏五种。

除锚栓本身钢材破坏外，其它四种破坏均为脆性破坏，破坏前没有明显的征兆，同时锚栓承载力没有充分发挥，国内外规范均规定锚栓连接应控制为钢材延性破坏，避免混凝土锥体破坏和拔出破坏。

大量的试验表明，倒锥形螺杆的粘结锚栓承载机理为扭矩控制型粘结锚栓，其设计原理是：螺杆和胶体之间粘合力需小于胶体和孔壁之间的附着力（见图2），以保证螺杆能在粘结剂结合面间产生位移；因位移产生的应变，使螺杆通过胶粘剂作为载体对混凝土基材孔壁产生应力；由于螺杆的倒锥形形状，能在混凝土基材中产生类似于后扩底锚栓的锁键力（见图3）；同时如果粘结剂的流动性良好，并具备一定的混凝土渗透和灌缝能力，将在注射后，在一定的扩散半径内提高此区域内混凝土的整体强度，减少或避免此区域内裂缝的发生和扩张。

粘结截面图2
锁键力图3
设计应用3
胶粘型锚栓（定型化学锚栓）的设计，旧版加固规范GB50367-2006条文规定：
1）当采用定型化学锚栓时，其产品说明书标明的有效锚固深度：对承受拉力的锚栓，不得小于8.0d0（d0为锚栓公称直径）；对承受剪力的锚栓，不得小于6.5d0。

当定型化学锚栓产品说明书标明的有效锚固深度大于10d0时，应按植筋的设计规定核算其承载力。

因为考虑到11d0以上的锚栓已不适于采用锚栓原理计算，况且过大埋深的锚栓在素混凝土中承载也很难在构造上保证其安全，同时，建筑结构不可能给出很大的锚栓间距和边距，为此，钢筋混凝土构件中应用的锚栓应按植筋原理设计。

2）当在地震区承重结构中采用锚栓时，定型化学锚栓仅允许用于设防烈度不高于7度的建筑物。

原因是这类锚栓在我国应用时间尚不长，缺乏震害资料，还是以稳健为妥。

新版加固规范GB50367-2013结合多年的安全性检测及其使用效果，对锚固深度和地震区应用做了条文增补：
1）如图1所示，全螺纹倒锥形螺杆的有效锚固深度不得大于9d0，其它类型倒锥形螺杆的有效锚固深度则不得大于12d0；
２）当在抗震设防区承重结构中使用特殊倒锥形胶粘型锚栓时，仅允许用于设防烈度不高于8度、且建于I、II类场地的建筑物。

综上所述可知，新版加固规范对粘结型锚栓的埋置深度要求更为严格，但放宽了其在地震区域的应用范围。

计算案例４
某构件为承载结构，混凝土强度为C30，厚度为250mm，基材内无边缘箍筋，钢筋间距≥150mm，分别承受轴心拉力N=10kN ，水平剪力V=5kN ，粘结型RE500SD配合倒锥形螺杆的锚栓直径为M16，有效锚固深度125mm，间、边距布置如图4所示。

承载力校验依据《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013。

锚栓布置图4
4.1混凝土锥体破坏的抗拉承载力校验
符合设计。

1）胶粘型锚栓对粘结强度的影响系数：ψb=0.90 。

2）构件边距及锚固深度等因素对基材受力的影响系数：ψs,h=0.95 。

3）荷载偏心对群锚受拉承载力的影响系数：ψe,N=1.0（无偏心荷载）。

4）混凝土呈锥形受拉破坏的实际锥体投影面积：
A c,N=C1+S1+0.5S cr,N)(0.5S cr,N+S s+0.5S cr,N)=200+150+0.5×3×125)(0.5×3×125+125+0.5×3×125)=268750m m2。

5）单个锚栓引起的基材混凝土呈锥形受拉破坏的锥体投影面：
6）基材混凝土受拉承载力修正系数：
ψN=ψsh ·ψe,N ·A c,N / A0c,N。

4.2混凝土边缘破坏的受剪承载力校验
，符合设计。

1）边距比c2/c1对受剪承载力的影响系数：
，取值1.0。

2）边距厚度比c1/h对受剪承载力的影响系数：。

3）剪力与垂直于构件自由边的轴线之间的夹角对受剪承载力的影响系数：ψa,V=1.0。

4）构件锚固区配筋对受剪承载力的影响系数：ψu,V=1.0 （边缘无配筋）。

5）荷载偏心对群锚受剪承载力的影响系数：ψre,V=1.0（无偏心荷载）。

6）锚栓受剪承载力不受其边距、间距及构件厚度的影响时，其基材混凝土呈半锥体破坏的侧向投影面积：
A0c,V=4.5·C21=4.5×2002=180000mm2。

7）锚栓有间、边距或构件厚度影响下的侧向实际投影面积：A c,V=
(1.5C1+S2+1.5C1)·1.5C1=(1.5×200+125+1.5×200)×1.5×200=21750mm2。

8）考虑各种因素对基材混凝土受剪承载力影响的修正系数：
4.3锚栓连接承受拉力和剪力复合作用校验
符合设计。

4.4构造规定校验
1）基材厚度h min= 250mm >1.5h ef = 188mm；满足要求。

2）承载结构用的锚栓：直径不得小于12mm；满足要求。

3）有效锚固深度h ef = 125mm≥ 125mm；满足要求。

4）边距C1 = 200mm>0.8h ef =100mm；满足要求。

5）间距S2 = 125mm≥10h ef =125mm；满足要求。

结语５
1）胶粘剂的锚固性能对倒锥形螺杆在基材中能否形成锁键功能至关重要，但目前这方面的研究还不够，只是停留在改性环氧类的胶体选择，因此，在日后的加固规范修编中应该增加粘结型锚栓构件的应用测试，而不是胶体的物理和化学性能检测。

2）胶粘强度的影响系数应按胶体性能选取或计算，而不应按锚栓的直径大小，建议在日后的加固规范修编中增加“此系数的计算应依据胶体的测试强度”，这样有利于提高锚固的承载力，节约材料成本和推动加固技术的发展。

文/陈家晖喜利得（中国）商贸有限公司。