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【规范解读】《JGJ 145-2013 混凝土后锚固技术规程》——化学锚栓与长期荷载

浏览次数: 日期:2019年4月1日 10:41

著名的2006年的波士顿I90公路衔接段隧道事故的主要原因之一是化学锚栓在长期荷载作用下的失效。JGJ 145对化学锚栓长期荷载作用下的承载力设计方法及性能给出了规定和要求如下:

 

1.受拉承载力的折减(见条文6.2.2)

2.普通化学锚栓粘结强度标准值的折减(见表6.2.5)

3. 基材温度要求(条文3.3.10)

4.长期荷载试验要求及锚固性能要求(见条文3.3.5,3.3.7及相应附录)

 

本文将简单解读设计承载力的折减程度及原因。

 

可以看出,除对化学锚栓处于不同环境下长期荷载性能的要求外,即使在满足本规程产品性能要求的前提下,长期荷载作用下,本规程要求化学锚栓粘接强度标准值应按产品的认证报告相应取用-更为准确。在没有认证的情况下,化学锚栓的粘结特征强度本规程要求取为0.4倍的短期特征强度。同时,在受拉承载力设计的部分,对于承受长期荷载的化学锚栓,其承载力应该进一步乘以0.55的折减系数。也就是说,化学锚栓在考虑长期荷载的情况下,承载力会折减至原承载力的0.55*0.4=0.22倍。ACI 318-14也有同样严格的要求。究其折减程度如此之大,主要原因是化学锚栓的锚固机理及参与锚固的原材料对长期荷载作用的反应。

 

化学锚栓的锚固由金属螺杆,锚固胶和混凝土的共同作用实现。除金属螺杆外,合成树脂和混凝土的材料特性使之对长期荷载的反应和其非长期荷载作用下的反应不同。

 

混凝土在长期荷载作用下会产生应变随时间增长的徐变现象,水泥凝胶体作为一种具有粘性流动的介质,在荷载的长期作用下必定会产生流动;而结构混凝土构件在受到相对而言更大的应力时,混凝土自身微裂缝在长期荷载作用下会持续地延伸和发展,并且仅仅自身重力的长期作用就可能导致其塑性变形。徐变的具体体现和机理由于篇幅原因在此不多赘述。简单的说,自身内部因素,和外部因素-包括应力条件,龄期与加载的相对时间关系,养护及使用状态下的温度,湿度等。

 

在荷载作用、养护及使用环境一定的情况下,化学锚栓中胶粘剂受到荷载作用、温度、湿度影响时,长期荷载的锚固效果就会受到影响。绝大部分化学锚栓的锚固胶都为合成树脂,合成树脂多种多样,配方上很小的差异就会造成实际材料性能-尤其是力学性能的极大变化。作为粘弹性的有机材料,其长期荷载下的力学性能对混凝土基材的相对湿度,(双组分胶)注胶前的混合均匀度,孔洞的灰尘和孔洞内壁平整度,安装时气泡存在与否,安装角度,以及养护及后期使用状态下的环境因素等等都可能非常敏感。在这里也建议各位读者严格遵守可靠严谨的化锚厂家提供的产品安装说明,把由于不正确安装的影响减到最小。

 

又由于混凝土和胶粘剂本身的特性,以及化学锚栓锚杆,胶粘剂的相互作用同他们和混凝土的相互作用的复杂程度,短期荷载和长期荷载的性能差异可能很大,可预测程度也和产品有很大关系。同时,产品的稳定性又一定不能仅通过仅对来样负责的试验报告体现出来,那么通过认证认可的化学锚栓在不同环境和不同荷载条件下的粘接强度用于设计才是相对而言更可靠的。举例说明,Lang1979年就曾经做过各类化学锚栓在不同温度范围的长期荷载作用下的拉力试验。下图为其中两个样本在1000小时,不超出本身粘接承载力的荷载下位移的变化趋势。

 

即使在排除了孔内粉尘,孔内存水等各因素的影响,同样是乙烯基类树脂作为胶粘剂的化锚产品,初始位移及力-位移变化趋势都不相同。上文试验和其他大量采用大部分化学锚栓厂家实际产品的研究结果(如(Rehm&Frank,1978), (Forschungs-und-MaterialprufungsanstaltBaden-Wurttemburg, 1976, 1980),等等)证明,对于采用不饱和树脂,丙烯酸和环氧树脂的大部分化学锚栓系统,在荷载不超出短期荷载下承载力50%的室温工况下,可以满足1000小时内化锚不失效;在荷载不超出短期荷载下承载力40%的室温工况下,5000小时内化锚不失效。80°以内,化学锚栓的承载力没有极大的折减;长期荷载下的粘接强度是短期粘接强度的约60%

 

本规程在大量研究文献或实验数据、现有国际规范的基础上根据我国规范体系的要求进行包括长期荷载,温度等一系列外界影响因素的试验和性能要求,本规程要求普通化学锚栓系统与混凝土孔壁在混凝土开裂,非开裂,室外,室内不同情况下粘结强度的标准值应根据通过相关要求的认证报告取用-以确保设计的严谨和准确;同时,考虑到我国工程设计习惯和规范体系现状,给出了在没有认证的产品在通过相关要求的情况下,普通化学锚栓不同使用工况下粘结强度的标准值(表6.2.5),并根据相应设计公式和承载力折减系数(0.4*0.55)进行计算。

 

引用文献:

Forschungs-und-MaterialprufungsanstaltBaden-Wurttemburg,(1976) Untersuchungs – bericht Nr. 8/1976 vom 24.8.1976 uberdurchgefurhrte Versuche an HILTI-Verbund-ankern. Stuttgart, 1976, notpublished.

Forschungs-und-MaterialprufungsanstaltBaden-Wurttemburg,(1980) Untersuchungs – bericht Nr. II.4-13686 vom 28.11.1980uber Zulassungsversuche fur BBT-Anker. Stuttgart, 1980, not published.

Lang, G. (1979): Festigkeitseigenschaften vonVerbundanker-Systemen (Mechanical properties of bonded anchors). Bauingenieur, 1979,pp.41-46.

Rhem, G.; Franke, L.(1978): Verankerungen vonBetonrippenstahlen in Kunsharzmortel und Kunstharzebeton. Bauingenieur 53, 1978.

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