关于螺栓混凝土中膨胀螺栓抗拔试验研究

论文导读：
摘要：本文主要对混凝土中膨胀螺栓抗拔试验进行研究探讨，总结出影响单根膨胀螺栓拉拔极限承载力的主要因素及选用膨胀螺栓时应考虑的主要问题，以供同仁参考。
关键词：膨胀螺栓；混凝土基材；拉拔承载力

一、前言
膨胀螺栓是利用锥体与套筒的相对移动，促使套筒膨胀，与混凝土孔壁产生膨胀挤压力，并通过剪切摩擦作用，实现对固定件锚固的锚栓。它的特点是加工方便，由于其安装使用快捷方便, 连接强度高, 造价低廉，因此，在我国建筑业中得到广泛应用。同时，在实际应用中，也表现出了不容质疑的缺点：抗拉值小；耐腐蚀性差；抗震性差；对混凝土有挤压应力。本文通过膨胀螺栓抗拔试验，对影响单根膨胀螺栓拉拔极限承载力的主要因素及选用膨胀螺栓时应考虑的主要问题进行了论述。

二、试验概述

（1）膨胀螺栓的类型和规格。本试验的研究对象主要是高强度型和中等强度型两种不同承载力的膨胀螺栓，试验选择的膨胀螺栓是由两个不同厂家生产的，有M8、M10、M16三种规格。其中Ⅰ型膨胀螺栓M8、M10、M16每种规格10个；Ⅱ型膨胀螺栓M8、M10每种规格5个。
（2）混凝土试件。本次试验设计的混凝土试件为2000mm×2000mm×200mm混凝土板。混凝土试件的强度等级有C30与C50两种。采用机械搅拌，表面振捣器振捣、抹平，在室外条件浇水覆盖养护。每盘混凝土预留100mm×100mm×100mm试块3个，养护条件与混凝土试件相同。试验时，排除间距和边距的影响设置螺栓的锚固位置，即保证每根膨胀螺栓周围的混凝土面积足够大，不会因周围混凝土面积不足而导致螺栓的承载力降低。
（3）试验装置。拉拔力由液压柱塞式穿心千斤顶通过反力架提供，拉拔力的大小用量程为100kN的拉压力传感器测定，位移用两个对称放置的机电百分表测定，并将力传感器和机电百分表通过动态电阻应变仪接到X-Y函数记录仪上，自动记录力-位移的全过程曲线。
（4）试验内容。这次测试的内容主要有三项: 第一项：测定膨胀螺栓在轴向拉拔力作用下的力-位移(P-Δ)变化全过程曲线；第二项，测定弹性极限荷载、极限承载力以及破坏形态；第三项，测定发生混凝土锥体破坏时的锥体半径及锥体高度。本次试验采用破坏性检验方法，以匀速加载至螺栓锚固破坏，总加荷时间为3min。单根螺栓的极限抗拔力满足下列规定为合格:
NcR≥[yu]Nsd (1)
NcR≥NRk ,*(2)
式中: Nsd—螺栓拉力设计值；
NcR—螺栓极限抗拔力；
NRk ,*—锚栓极限抗拔力标准值，根据混凝土强度等级、有效锚固深度按《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004的表6.

1.4取用；

[yu]—锚固承载力检验系数允许值，近似取[yu]=1.1yR*, yR*为1.2倍的螺栓极限抗拔力与螺栓抗拔屈服强度的比值，且不能小于1.4。

三、试验结果及分析

（1）膨胀螺栓在轴向拉拔力作用下的(F-X)曲线。单根膨胀螺栓受轴向拉拔力作用时，试验实测结果表明，力-位移(F-X)全过程曲线，可将该曲线大致划分为三个阶段。

图1源于：论文www.7ctime.com
、拉拔力-位移曲线
第一阶段: 力-位移(F-X)曲线基本呈线性关系，处于弹性状态。此阶段的最高荷载为弹性极限荷载，用Pe 表示。
第二阶段: 在力增长不大的情况下，位移增长较大，力-位移( F-X)曲线有明显的偏折，此时荷载增大的同时位移增长较快，直至达到极限承载力，用Pu表示。
第三阶段: 曲线达到极限承载力后，荷载值减小，而位移增长迅速，至发生破坏。
单根膨胀螺栓受轴向拉拔力作用时，其破坏形态有以下四种:
1)混凝土锥体破坏，见图2(a)；
2)螺栓拉断，见图2(b)；
3)螺栓由胀管中拔出, 见图2(c)；
4)螺栓整体由混凝土孔中滑出见图2(d)。

图

2、螺栓的4种破坏形态

试验中多发生(a)这种破坏；(b)这种破坏发生在螺栓埋深过大时(本试验未发生)；(c)这种破坏发生在螺栓的锥头过小时(本试验仅有一根螺栓发生这种破坏)；(d)这种破坏发生在螺栓的埋深过小时。
（2）影响膨胀摩擦型锚栓拉拔极限承载力的因素
1）螺栓的埋置深度对拉拔极限承载力的影响。影响膨胀螺栓论文导读：至会将螺栓拉断。表1为膨胀螺栓埋置于C30混凝土中，在埋深不同情况下,拉拔极限承载力实测值。表1、极限承载力实测值注:Ⅰ、Ⅱ为两个不同厂家生产的膨胀螺栓；混凝土实测立方体抗压强度35.2MPa。由实测拉拔极限承载力随螺栓埋深变化情况可以看出,极限承载力随着埋深(h)的增大而增加，原因在于混凝土锥体
的拉拔极限承载力的一个重要因素是螺栓的埋置深度(简称为埋深), 用h表示。埋深不同时, 其拉拔极限承载力值也不相同，而且不同的埋置深度将得到不同的破坏形态。当螺栓的埋深较浅时，螺栓在轴向拉力作用下可能由孔中滑出；埋置至一定深度时， 会拔出一个混凝土锥体；如果埋设深度足够大，甚至会将螺栓拉断。表1为膨胀螺栓埋置于C30混凝土中，在埋深不同情况下, 拉拔极限承载力实测值。
表

1、极限承载力实测值

注: Ⅰ、Ⅱ为两个不同厂家生产的膨胀螺栓；混凝土实测立方体抗压强度3

5.2MPa。

由实测拉拔极限承载力随螺栓埋深变化情况可以看出,极限承载力随着埋深(h)的增大而增加，原因在于混凝土锥体的破裂面面积随埋深增加而增加。但极限承载力的最大值受到螺栓本身材料力学性能的限制，因此承载力不能随埋深
无限度增加。
2）混凝土基材强度对拉拔承载力的影响。影响膨胀螺栓拉拔极限承载力的另一个重要因素是混凝土强度。混凝土基材的强度越高，单根螺栓拉拔极限承载力越大。表2为螺栓埋置于不同强度混凝土基材上的拉拔极限承载力实测值。
表2 随强度变化的螺栓拉拔承载力实测值

3）安装扭矩对拉拔承载力的影响。安装膨胀螺栓时，用扭力扳手施加扭矩拧紧螺栓，此时螺栓的锥体部分同膨胀套之间产生相对位移，膨胀套对混凝土孔壁产生膨胀力，使轴向的拉力通过摩擦转移至混凝土。当拧紧的扭矩小时，膨胀力小，在螺栓受拉力初期，螺栓与混凝土孔壁间会产生一定程度的滑移，导致螺栓实际埋深减小，承载力减小。随着扭矩的增加初始滑移量减少，当扭矩达到一定值后，加载初期的滑移就基本消除，然而扭矩也不能过大，否则会将螺栓拧断或将混凝土胀裂。
四、结论
（1）在膨胀螺栓与混凝土的连接中，影响拉拔力的因素是较多的，其失效破坏形式也有多种，通过对单根膨胀螺栓拉拔极限承载力试验结果分析可以看出，影响单根膨胀螺栓拉拔极限承载力的主要因素是螺栓的埋深及混凝土基材的强度，其相关关系是: 埋深越深、混凝土强度越高，单根螺栓的拉伸极限荷载越大。
（2）选用膨胀螺栓时应考虑以下问题: 膨胀螺栓的埋深、规格(锚栓本身的材料和直径)及混凝土基材的强度；在设计群锚连接时，注意螺栓的间距和边距。同时在膨胀螺栓安装时, 要注意钻孔质量和清孔质量以及紧固时的扭矩。
参考文献
《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004