混凝土中膨脹螺栓抗拔試驗研究
摘要：本文主要對混凝土中膨脹螺栓抗拔試驗進行研究探討，總結出影響單根膨脹螺栓拉拔極限承載力的主要因素及選用膨脹螺栓時應考慮的主要問題，以供同仁參考。
關鍵詞：膨脹螺栓；混凝土基材；拉拔承載力
一、前言
膨脹螺栓是利用錐體與套筒的相對移動，促使套筒膨脹，與混凝土孔壁產生膨脹擠壓力，并通過剪切摩擦作用，實現對固定件錨固的錨栓。它的特點是加工方便，由于其安裝使用快捷方便, 連接強度高, 造價低廉，因此，在我國建筑業中得到廣泛應用。同時，在實際應用中，也表現出了不容質疑的缺點：抗拉值小；耐腐蝕性差；抗震性差；對混凝土有擠壓應力。本文通過膨脹螺栓抗拔試驗，對影響單根膨脹螺栓拉拔極限承載力的主要因素及選用膨脹螺栓時應考慮的主要問題進行了論述。
二、試驗概述
（1）膨脹螺栓的類型和規格。本試驗的研究對象主要是高強度型和中等強度型兩種不同承載力的膨脹螺栓，試驗選擇的膨脹螺栓是由兩個不同廠家生產的，有M8、M10、M16三種規格。其中Ⅰ型膨脹螺栓M8、M10、M16每種規格10個；Ⅱ型膨脹螺栓M8、M10每種規格5個。
（2）混凝土試件。本次試驗設計的混凝土試件為2000mm×2000mm×200mm混凝土板。混凝土試件的強度等級有C30與C50兩種。采用機械攪拌，表面振搗器振搗、抹平，在室外條件澆水覆蓋養護。每盤混凝土預留100mm×100mm×100mm試塊3個，養護條件與混凝土試件相同。試驗時，排除間距和邊距的影響設置螺栓的錨固位置，即保證每根膨脹螺栓周圍的混凝土面積足夠大，不會因周圍混凝土面積不足而導致螺栓的承載力降低。
（3）試驗裝置。拉拔力由液壓柱塞式穿心千斤頂通過反力架提供，拉拔力的大小用量程為100kN的拉壓力傳感器測定，位移用兩個對稱放置的機電百分表測定，并將力傳感器和機電百分表通過動態電阻應變儀接到X-Y函數記錄儀上，自動記錄力-位移的全過程曲線。
（4）試驗內容。這次測試的內容主要有三項: 第一項：測定膨脹螺栓在軸向拉拔力作用下的力-位移(P-Δ)變化全過程曲線；第二項，測定彈性極限荷載、極限承載力以及破壞形態；
第三項，測定發生混凝土錐體破壞時的錐體半徑及錐體高度。本次試驗采用破壞性檢驗方法，以勻速加載至螺栓錨固破壞，總加荷時間為3min。單根螺栓的極限抗拔力滿足下列規定為合格:
NcR≥[yu]Nsd (1)
NcR≥NRk ,*(2)
式中: Nsd—螺栓拉力設計值；
NcR—螺栓極限抗拔力；
NRk ,*—錨栓極限抗拔力標準值，根據混凝土強度等級、有效錨固深度按《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2004的表6.1.4取用；
[yu]—錨固承載力檢驗系數允許值，近似取[yu]=1.1yR*, yR*為1.2倍的螺栓極限抗拔力與螺栓抗拔屈服強度的比值，且不能小于1.4。
三、試驗結果及分析
（1）膨脹螺栓在軸向拉拔力作用下的(F-X)曲線。單根膨脹螺栓受軸向拉拔力作用時，試驗實測結果表明，力-位移(F-X)全過程曲線，可將該曲線大致劃分為三個階段。
圖1、拉拔力-位移曲線
第一階段: 力-位移(F-X)曲線基本呈線性關系，處于彈性狀態。此階段的最高荷載為彈性極限荷載，用Pe 表示。
第二階段: 在力增長不大的情況下，位移增長較大，力-位移( F-X)曲線有明顯的偏折，此時荷載增大的同時位移增長較快，直至達到極限承載力，用Pu表示。
第三階段: 曲線達到極限承載力后，荷載值減小，而位移增長迅速，至發生破壞。
單根膨脹螺栓受軸向拉拔力作用時，其破壞形態有以下四種:
1)混凝土錐體破壞，見圖2(a)；
2)螺栓拉斷，見圖2(b)；
3)螺栓由脹管中拔出, 見圖2(c)；
4)螺栓整體由混凝土孔中滑出見圖2(d)。
圖2、螺栓的4種破壞形態
試驗中多發生(a)這種破壞；(b)這種破壞發生在螺栓埋深過大時(本試驗未發生)；(c)這種破壞發生在螺栓的錐頭過小時(本試驗僅有一根螺栓發生這種破壞)；(d)這種破壞發生在螺栓的埋深過小時。
（2）影響膨脹摩擦型錨栓拉拔極限承載力的因素
1）螺栓的埋置深度對拉拔極限承載力的影響。影響膨脹螺栓的拉拔極限承載力的一個重要因素是螺栓的埋置深度(簡稱為埋深), 用h表示。埋深不同時, 其拉拔極限承載力值也不相同，而且不同的埋置深度將得到不同的破壞形態。當螺栓的埋深較淺時，螺栓在軸向拉力作用下可能由孔中滑出；埋置至一定深度時， 會拔出一個混凝土錐體；如果埋設深度足夠大，甚至會將螺栓拉斷。表1為膨脹螺栓埋置于C30混凝土中，在埋深不同情況下, 拉拔極限承載力實測值。
表1、極限承載力實測值
注: Ⅰ、Ⅱ為兩個不同廠家生產的膨脹螺栓；混凝土實測立方體抗壓強度35.2MPa。
由實測拉拔極限承載力隨螺栓埋深變化情況可以看出,極限承載力隨著埋深(h)的增大而增加，原因在于混凝土錐體的破裂面面積隨埋深增加而增加。但極限承載力的最大值受到螺栓本身材料力學性能的限制，因此承載力不能隨埋深
無限度增加。
2）混凝土基材強度對拉拔承載力的影響。影響膨脹螺栓拉拔極限承載力的另一個重要因素是混凝土強度。混凝土基材的強度越高，單根螺栓拉拔極限承載力越大。表2為螺栓埋置于不同強度混凝土基材上的拉拔極限承載力實測值。
表2 隨強度變化的螺栓拉拔承載力實測值
3）安裝扭矩對拉拔承載力的影響。安裝膨脹螺栓時，用扭力扳手施加扭矩擰緊螺栓，此時螺栓的錐體部分同膨脹套之間產生相對位移，膨脹套對混凝土孔壁產生膨脹力，使軸向的拉力通過摩擦轉移至混凝土。當擰緊的扭矩小時，膨脹力小，在螺栓受拉力初期，螺栓與混凝土孔壁間會產生一定程度的滑移，導致螺栓實際埋深減小，承載力減小。隨著扭矩的
增加初始滑移量減少，當扭矩達到一定值后，加載初期的滑移就基本消除，然而扭矩也不能過大，否則會將螺栓擰斷或將混凝土脹裂。
四、結論
（1）在膨脹螺栓與混凝土的連接中，影響拉拔力的因素是較多的，其失效破壞形式也有多種，通過對單根膨脹螺栓拉拔極限承載力試驗結果分析可以看出，影響單根膨脹螺栓拉拔極限承載力的主要因素是螺栓的埋深及混凝土基材的強度，其相關關系是: 埋深越深、混凝土強度越高，單根螺栓的拉伸極限荷載越大。
（2）選用膨脹螺栓時應考慮以下問題: 膨脹螺栓的埋深、規格(錨栓本身的材料和直徑)及混凝土基材的強度；在設計群錨連接時，注意螺栓的間距和邊距。同時在膨脹螺栓安裝時, 要注意鉆孔質量和清孔質量以及緊固時的扭矩。
參考文獻
[1]《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2004
