（工程力学专业论文）在拉剪组合荷载作用下自锁锚杆锚固性能试验研究.pdf

摘要 本文是对自锁锚杆在拉伸和剪切荷载共同作用下的锚固机理进行研究。试验选用 两种直径( 即由1 6 、士2 0 ) 和四种如载角度( 即0 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。) ，共2 4 根试件。观 察锚杆整个受力和破坏过程，测得锚杆轴向、横向变形和极限破坏荷载；通过对荷 载一变形曲线的分析锚杆在拉剪组合荷载作用下的变形规律；选用三种方程( 直线方 程、三直线方程以及椭圆方程) 对锚杆的极限承载力进行描述和比较；分析混凝土和 钢筋的破坏模式；并在此基础上利用有限元方法对此试验进行数值模拟，将计算结 果与试验结果做比较；最后采用神经网络的方法对自锁锚扦的极限承载力预测进行 了尝试，对预测值和试验值进行比较。得出以下一些研究成果： ( 1 ) 自锁锚杆在拉剪组合荷载作用下的荷载一变形曲线分析表明，锚杆钢筋的变 形大致上可以分为两个阶段，前一阶段基本满足线性规律，后一阶段锚杆每荷载步 的变形较大，非线性特征明显；无论是横向变形还是轴向变形，当加载角度为4 5 。 时，非线性特征最显著；随着加载角度的增加，两种锚杆的极限承载力均增加，直 径为2 0 r a m 的锚杆增加幅度要大：采用a = 2 的椭圆方程能较好地拟合本文试验中得 到的锚杆极限承载力，为锚杆设计提供了理论依据。 ( 2 ) 在拉剪组合荷载作用下，锚杆的失效包括两部分，一部分是混凝土的斜锥体 破坏，一部分是锚杆钢筋的断裂；当加载角度为3 0 。时，混凝土体的破坏形状最接 近正锥体，且锥顶深度最大，锥底面积最小；随着加载角度的增大，锥顶深度变浅， 锥底面积最大。锚杆断裂后，断口形状具有如下规律：加载角度为3 0 。的锚杆断口 为杯口状，加载角度为4 5 。的断口受拉部位为接近平面，受压区接近3 0 。的斜面， 加载角度为6 0 。的锚杆断口则为接近4 5 。的斜面。 ( 3 ) 采用有限元数值分析方法，分析了锚杆在拉剪组合荷载作用下的极限承载 力，结果表明，数值计算结果与实测结果具有可比性。受压区混凝土应力表明，混 凝土的破坏面呈扇形弧状分布。这与实际测试结果是一致的。 ( 4 ) 运用现代信息技术中神经网络方法对拉剪组合荷载作用下锚杆的极限承载 力进行了预测。通过预测值与实验值的比较表明，该方法的预测结果具有较高的精 度。利用训练好的神经网络，进行指定的输出，对锚杆极限承载力的影响因素进行 了探讨。 关键词：自锁锚杆拉剪组合荷载数值分析人工神经网络 a b s t r a c t t h e a n c h o r a g e m e c h a n i s mo f t h e l o c k i n ga n c h o r u n d e rt e n s i o nt o g e t h e rs h e a rl o a d si s s t u d i e di nt h e p a p e r t w e n t y - f o u rs p e c i m e n sw h i c hd i f f e r i nt w ok i n do fd i a m e t e r s ( 巾1 6 ，由2 0 ) a n d f o u rk i n d so f l o a d a n g l e s ( 0 。，3 0 0 ，4 5 。，6 0 。) ，a r es e l e c t e d r i nt h ee x p e r i m e n t t h el o a d - d e f o r m i n gc u r v ei sg o tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft h ee a c hs i n g l ea n c h o ru n d e r t e n s i o nt o g e t h e rs h e a rl o a d s ，t h e nt h ea x i a la n d 缸 a n s v e r s ed e f o r m a t i o n sa n du l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yo f t h e a n c h o rc a nb eg o tt o o t h ed e f o r m i n gr u l eo f t h ea n c h o ru n d e rt h e t e n s i o na n ds h e a rl o a d si sf o u n db ya n a l y s i so ft h el o a d d e f o r m i n gc h i v e t h r e es o r t so f f u n c t i o n s ( s t r a i g h t l i n ef u n c t i o n ，t r i l i n e a rf u n c t i o na n de l l i p t i c a lf u n c t i o n ) a r eu s e dt o i l l u s t r a t ea n dc o m p a r et h eu l t i m a t eh e a r i n gc a p a c i t yo fa n c h o r ；a n a l y z i n gt h ed e m o l i s h m o d eo ft h ec o n c r e t ea n dt h e l o c k i n ga n c h o r m o r e o v e r , n u m e r i c a l s i m u l a t eo nt h i s e x p e r i m e n t a t i o nw i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o di sc o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a l r e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t he a c ho t h e ri n s u c c e s s i o n i nt h ee n d ，t h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo f t h el o c k i n ga n c h o ri sf o r e c a s t e d 谢t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) m e t h o d a n dt h e f o r e c a s t i n g v a l u ei s c o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t v a l u e t h e f o l l o w i n g a c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e d ： ( 1 ) t h el o a d - d e f o r m a t i o nc t 1 l v eo f t h el o c k i n ga n c h o ru n d e rt e n s i o nt o g e t h e rs h e a r l o a d ss h o w st h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h ea n c h o rc a l lb em a i n l yd i v i d e di n t ot w os t a g e s ：i n t h ef i r s ts t a g ei ts a t i s f i e st h el i n e a rl a w ；i nt h el a t t e r , t h e r ei sab i gd e f o r m a t i o np e rl o a d p a c e ，a n d b e h a v e sa sn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i ci ne v i d e n c e n om a r e ri ti sa x i a ld e f o r m a t i o n o rt r a n s v e r s eo n e ，i tb e h a v e st h em o s tn o n l i n e a rw h e nt h el o a da n g l ei s4 5d e g r e e s t h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft w ok i n d so fa n c h o ri n c r e a s ew i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h e l o a da n g l e a n dt h ea n c h o rw i t l ld i a m e t e r2 0m i l l i m e t e r si n c r e a s em o r e o b v i o u s l yt h a n t h e o t h e ro n e t h ee l l i p t i c a lf u n c t i o nw i t ht h ep a r a m e t e ra e q u a l s2 c a nf i tt h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yi nt h ee x p e r i m e n tv e r yw e l l ，w h i c hc a np r o v i d eat h e o r yb a s i sf o rt h ed e s i g n o f t h ea n c h o r ( 2 ) u n d e r t h et e n s i o nt o g e t h e rs h e a rl o a d st h ei n v a l i d a t i o no ft h ea n c h o rc o n s i s t so f t w o p a r t s ：o n ei sd e c l i n e d c o n ef a i l u r eo f t h ec o n c r e t e ，t h eo t h e ri st h ef a i l u r eo f t h ea n c h o r ； w h e nt h el o a da n g l ei s3 0d e g r e e s ，t h ef o r mo ft h ef a i l u r ei sa l m o s tt h ec o n eo n e ，w h i c h i n d u c e st h eb i g g e s td e p t ho f t h ec o n e p e a ka n ds m a l l e s ta r e ao f t h e c o n eb o t t o m w i t ht h e i n c r e a s eo ft h el o a da n g l e ，t h ec o d ep e a kb e c o m el o w e ri nd e p t ha n dt h ec o n eb o t t o m b e c o m e ss m a l l e ri na r e a a f t e rt h ef a i l u r eo ft h ea n c h o r , t h ef r a c t u r es u r f a c e sh a v et h e f o l l o w i n gr e s u l t s ：i ti sa r i mo fa c u p w h e nt h el o a da n g l ei s3 0d e g r e e s ，n e a r l ya p l a n ei n t h ed r e wp a r ta n dn e a r3 0d e g r e e si n c l i n e dp l a n ei nt h ec o m p r e s s i o na r e aw h e nt h el o a d a n g l ei s4 5d e g r e e sa n dn e a r4 5d e g r e e s i n c l i n e dp l a n ei nt h ef r a c t u r ew h e nt h el o a da n g l e i s6 0 d e g r e e s ( 3 ) t h eu l t i m a t eh e a r i n gc a p a c i t yo f a n c h o ru n d e rt e n s i o nt o g e t h e rs h e a rl o a d si s a n a l y z e du s i n gt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h ep a p e r t h er e s u l ts h o w s t h a tt h en u m e r i c a l r e s u l t sa r ec o m p a r a b l ew i t ht h ee x p e r i m e n t a t i o no n e s t h es t r e s si nc o n c r e t ec o m p r e s s i v e z o n es h o w st h a tt h ef r a c t u r es u r f a c e so fc o n c r e t ep e r f o r m ss e c t o r - a r cd i s t r i b u t i o nw h i c h i s c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ( 4 ) t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fa n c h o ru n d e rt e n s i o nt o g e t h e r s h e a rl o a d si s f o r e c a s t e db yn e u r a ln e t w o r km e t h o di nt h em o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n i q u e a c c o r d i n g t o t h ec o m p a r eb e t w e e nt h ef o r e c a s t i n gv a l u ea n d t h ee x p e r i m e n to d e w ea r ec o n v i n c e d t h a t t h i sm e t h o dh o l d sah i 曲a c c u r a c y t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y o f a n c h o ra r es t u d i e du s i n gt h et r a i n e dn e u r a ln e t w o r kt o g e t h e r 、；l ，i t l lt h es p e c i a lo u t p u t k e y w o r d s ：l o c k i n g a n c h o rt e n s i o nt o g e t h e rs h e a rl o a d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i i i 郑重申明 本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写并完成的，学位论文没有 剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承 担由此产生的法律后果和法律责任，特此郑重申明。 学位论文作者：彦：颖 2 哪年钥f 8 日 武汉大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当前国内外发展生产、提高生产力的重心，业已从新建工业厂房转移到对已有厂 房的加固、改造，以取得更大的投资效益。据资料统计，厂房改建比新建厂房快3 4 倍。世界上经济发达的国家大体上都经历了三个阶段，即大规模新建阶段、新建与 维修并举阶段、重点转移向j 日建筑物改造阶段。目前各经济发达国家逐渐把建设重 点转移到第三阶段，即对旧建筑物的维修、改造和加卧”。例如英国1 9 8 0 年建筑物 维修改造工程占建筑工程总量的2 3 ，瑞典1 9 8 3 年用于维修改造的投资占建筑业的 5 0 。圆同样，我国对民用建筑技术改造，使之现代化也日益迫切，尤其增层改造数 量逐渐增多，不仅可以节约投资，同时不需征用土地，对缓解日趋紧张的城市用地 的矛盾，有着重大的现实意义。 我国又是多灾害的国家，有2 3 的大城市处于地震区，历次地震多在不同程度上 对建筑物造成损坏。另外，随着国民经济的发展和城市化进程的加速，人口和建筑 物的进一步密集，建筑物的火灾率大大的增加，使不少建筑物提前夭折，或使建筑 物受到严重损伤。此外还有风灾，水灾，爆炸等等。 建筑物经过长期使用亦有老化问题。五、六十年代修建的大批工业厂房、公用建 筑和民用建筑已面i | 缶着严重的老化问题，其鉴定维修加固已大量提到议事日程上。 据统计建国以来全国共建成各类工业建筑项目3 0 多万个，各类民用建筑项目6 0 多 万个，累计竣工的工业与民用建筑超过3 0 亿m 2 左右，再加上过去的建筑物，城镇 现有房屋已超过5 0 亿m 2 ，其中五六十年代建成的占5 0 【3 】。质量事故问题，需要鉴 定、维修和加固。 此外，随着经济建设的发展，由于企业对建筑物功能要求的改变，往往需要增加 房屋高度、增加荷载、增加跨度、增加层数，即实施对房屋的改造。资料显示，改 造比新建可节约投资约4 0 ，缩短工期约5 0 ，收回投资比新建厂房快3 4 倍。【4 j 另外，建筑设计、施工和管理中存在的问题，也同样给建筑物留下隐患，维修与加 固就显得尤为重要。 对旧建筑物的维修、改造、加固时，在新老混凝土界面的连接、粘钢加固端部锚 固、以及基础设备的安装过程中，都不可避免地遇见锚固问题。 武汉大学硕士学位论文2 1 2 锚固技术的发展及应用现状 锚固技术是随着土木、水利工程建设的发展而发展起来的。目前应用最多的岩石、 岩土的锚固技术以及混凝土结构工程中改造、加固所对应的植筋( 生筋) 锚固技术。 锚固技术，国内习惯统称为锚杆支护技术，国外一般称锚固技术或锚杆加固技术。 自1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1 9 1 2 年德国谢列兹矿 最先在井下巷道采用锚固技术以来，锚固技术至今已有一百多年的发展历史【5 】。 锚固技术在我国的应用起始于2 0 世纪5 0 年代后期。6 0 年代，国内矿山巷道、 铁路隧洞和各类地下工程中大量采用普通型粘结锚杆和喷射混凝土支护。1 9 4 6 年梅 山水库的坝基加固采用了预应力锚索。近年来，北京北京王府井饭店、京城大厦、 上海太平洋饭店等批深基坑工程以及云南漫湾电站边坡整治、。吉林丰满电站大坝 加固工程等相继大规模的采用预应力锚杆 6 1 。岩土锚固工程凡乎遍及土木建筑领域的 各个方面。随着城市人口的不断增加，高层建筑层数不断增加，从而导致基础的埋 深越来越深。另一方面，随着现在改造工程学的不断发展，越来越多的工业建筑与 民用建筑面临着维修、加固、改造等问题，其中就不可避免的出现一个构件如何连 接的问题。因此，越来越多的锚固方法和锚固施工工艺被应用到实际工程中去，得 到了较好的工程效果和经济效益。目前，国内外各类岩石锚杆已达6 0 0 余种，每年 使用的锚杆数量多达2 5 亿根。工程上常用的锚固技术可以分为以下几种： 1 土钉墙技术 该技术由被加固土体、锚固于土体上的土钉群和面板组成，形成一个类似重力式 挡墙的土挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力或其他附加荷载，从而保持开挖面 的稳定。土钉通过它与土体的接触界面上的抗剪强度向上提供抗拉强度，土钉问的 变形则通过钢筋网喷射混凝土给予约束力。 2 预应力锚杆( 索) 技术 该技术适用于岩质高边坡加固工程，其具有锚索受力可靠、作用力分布均匀，对 地形、地质条件适应能力强等特点。施工条件易满足，施工进度快。且对加固岩体 不产生扰动和破坏；能维持滑面本身的力学性能不变。目前预应力锚杆( 索) 技术 己发展至预应力坝、闸墩、大型桥梁等，以求减少混凝土工程量，或者解决应力大、 结构复杂的结构构件，使用领域不断拓宽。 3 锚杆的真空压力灌浆法 灌浆锚杆按照灌浆与锚杆安装的先后顺序，可分为“先灌后锚”和“先锚后灌” 武汉大学硕士学位论文 3 两大类。前者是在锚杆钻孔完成后，先将要灌入的粘结材料灌入锚孑l 中，然后再将 锚杆通过机械设备安装完成；后者是比较满意的一种锚固方法，它是将锚杆插入预 先钻好的锚杆孔中，然后灌浆设备再将所灌结材料浇入锚杆孔中。 4 化学粘结锚圃技术( 植筋锚固) 该技术是随着高分子化学工业粘合剂的发展而产生的，这种锚固技术是通过结构 粘结剂将锚杆( 即锚固钢筋) 植入预先钻好并清洗千净的岩石或混凝土结构构件孔 洞中，等待结构粘结剂固化反应后承受拉拔荷载的。这种技术更多的是用在设备静、 动力安装、新旧建筑物结构构件连接以及建筑物外装饰、维修、改造、加固工程中。 而且，目前这种化学粘结锚杆的应用越来越多。 5 纤维塑料筋粘结锚固技术 该技术是采用挤拉工艺、把纤维塑料加工成锚筋，用在建筑结构上来代替普通锚 固钢筋。纤维塑料筋具有抗腐蚀性能良好、抗拉强度较高，比重小、热膨胀系数与 混凝土相似等优点。纤维塑料螺纹筋与混凝土之间的粘结强度要比相应的普通螺纹 与混凝土之间的粘结强度要比普通螺纹钢筋高7 7 左右，而且纤维塑料螺纹与预留 孔道后灌水泥浆之间的粘结强度远高于普通螺纹钢筋与预留孔道后灌水泥浆之问的 粘结强度，这能保证纤维塑料螺纹筋与孔道水泥浆之间形成整体作用，从而推广了 纤维塑料筋在后张拉粘结预应力混凝土结构中的应用。但是纤维塑料光圆筋与混凝 土以及预留孔道后灌水泥浆之间的粘结强度却很低，因此纤维塑料筋必须经过粘纱 处理方能使用，而这种加工比较复杂。 1 3 植筋锚固技术的发展和设计理论 1 3 1 植筋锚固技术的发展及研究现状 2 0 世纪8 0 年代初期，中科院大连化学物理研究所研制成功我国第一批建筑结构 胶粘剂，2 0 世纪9 0 年代，植筋工艺简单，锚固快速，安全可靠植筋技术在我国建筑 业及市政工程中开始推广应用。近几年来在建筑物加层改造、设备基础锚固、梁板 连接、悬臂梁连接、基坑底板钢筋锚固、钢结构柱的脚板灌浆锚固等工程取得广泛 应用。与传统工艺相比，具有性能好，施工方便，速度快，文明施工程度高，对原 钢筋混凝土构件无破坏等优点。【_ 7 j 植筋锚固技术的应用和研究，目前在国外已经是比较深入了，而且对于植筋技术 的理论也较成熟和系统化。欧洲许多国家对植筋技术已制定了相关的规范标准并已 武汉大学硕士学位论文 d 在实际共策划能够中得到广泛的应用。但从目前国内对植筋技术的应用和研究情况 来看，其现状是应用多于研究。而且在植筋技术的应用方面国家还没有相关的技术 规程，仅仅以建筑植筋胶生产厂家所提供的一些技术指标作为参考依据，对一些取 值的采用也仅是按照经验和增大安全度的标准进行【8 1 。 1 3 2 植筋锚国设计理论【9 】 1 ，植筋锚固破坏形式 在钢筋混凝土构件( 如墙、柱、梁、板) 上栽植钢筋的破坏形式有三种，如图1 - 1 所示： ( 1 ) 钢筋使用达到设计强度两破坏，如图1 1 ( a ) 所示； ( 2 ) 粘合剂与钢筋粘合界面达到极限而破坏，如图1 - 1 ( b ) 所示： ( 3 ) 粘合剂与混凝土粘合界面达到极限而破坏，如图1 - 1 ( c ) 所示。 a 钢筋屈服破坏b 钢筋与粘合剂之c 粘合剂与混凝土之间 间的破坏的破坏 图1 - 1 植筋锚固破坏形式 2 植筋锚固设计理论 根据瑞士联邦技术学院( e t h ) 对h i l i t 公司生产的h i t _ h y l 5 0 锚固系统测试数 据的综合分析，可由上面三种破坏形式得到如下三个相应公式。 ( 1 ) 钢筋达到设计强度 钢筋被充分利用时的设计拉力。是钢筋的横截面积乘以钢筋标准强度除以分项 安全系数。即钢筋强度设计值： ，= o 2 5 d 2 叽y ， ( 1 1 ) 式中：d 钢筋直径； 厶一钢筋强度标准值： 武汉大学硕士学位论文5 ，。钢筋的分项系数，取1 1 5 ； 一作用荷载分项系数，取1 5 。 ( 2 ) 粘合剂与钢筋粘合界面达到极限而破坏 钢筋同粘合剂之间的粘合界面所受的力随锚固长度呈线性增加，但它只是随钢筋 直径的平方根增长。即钢筋与粘合剂粘合强度设计值： 。n b = 2 5 n ：d “2 y 6 ( 1 - 2 ) 应用范围： t 1 o 而，正。 2 5 n m m 2 。 式中：，：钢筋的安装长度； 九一h y l 5 0 粘合剂分项系数，取1 5 ； 一作用荷载分项系数，取1 5 。 ( 3 ) 粘合剂与混凝土粘合界面达到极限而破坏 粘合剂与混凝土孔壁之间的粘合界面所承受的力随孔深而呈线性增加，但它只是 随着混凝土标准强度与孔直径的乘积的平方根而增长。即h y l 5 0 系统粘合剂与混凝 土之间的设计值： ? n c = 4 5 最。0 f 。l 蕊“| ，口( 1 - 3 应用范围： 艺t 。h ，丘i 2 5 n i m m 2 。 式中：l 。一混凝土立方体抗压强度标准值； d 一孔洞直径； ，一混凝土分项系数，取1 5 。 从以上三个公式可以看出，若要使一定直径的钢筋充分利用，就必须使钢筋的锚 固长度达到一定的数值。这样我们就可以得出钢筋的基本锚固长度，即钢筋植入超 过这一长度，钢筋就会被充分利用。基本锚固长度推导如下： 由n ，n b 得t d m 厶，6 1 0 0 y 。； 由n y n 。得，：d 2 厂0 ，。1 1 8 y ，( 二* d ) “2 两个极限锚固长度的最大值便是基本锚固长度： i o = m a x j ”2 厶儿1 0 0 7 ，d 2 厶以1 8 7 ；( 厶 d ) ”2 ) ( 14 ) 植筋锚固技术有着广泛的发展前景，随着植筋技术的应用普及和植筋技术应用研 究的深入，植筋技术理论将进一步成熟。不仅其设计、施工、验收将有据可依，而 且植筋技术也将规范化和理论化。 1 4 自锁锚杆 武汉武大巨成加固实业有限公司研制了一种新型锚杆一自锁锚杆。它是在植筋 武汉大学硕士学位论文6 锚固技术的基础上发展起来的，是一种扩孔灌注无机料锥形锚杆，先在混凝土结 构上选用普通钻头钻孔至设计埋置深度，然后改用扩孔钻头将孑l 底扩展成锥面再 将装有锁头的锚杆插入，在轴压力作用下锚杆端部张开自锁，并灌注无机粘结材 料。自锁锚杆既不完全属于机械式，也不完全属于胶结式。机械式锚轩依靠锚杆 或其锚固结构同岩石之间的摩擦力与剪切力实现锚固，典型的机械式锚杆锚固原 理如图1 1 所示；胶结式锚杆依靠胶结剂同岩石与锚杆之间的胶结力实现锚固， 典型的胶结式锚杆锚固原理如图1 2 所示。自锁锚杆成功地结合了两种锚杆的优 点，工作原理如图l 一3 所示。具有可靠性高、耐高温、耐湿，无老化问题，并能 实现快速锚固。 石) 图1 - 1 机械式锚杆图1 - 2 胶结式锚杆图1 - 3 自锁锚杆工作原理简图 自锁锚杆已经被广泛地应用于建筑结构物的改造、加固和维修中，很好地解决了 土木工程结构加固、改造和设备安装等施工中植筋锚固的阀题。例如，在厂房改造 中，经常遇到增设牛腿安装吊车梁。传统方法是：凿除柱上混凝土一焊牛腿筋于柱 筋上一浇注牛腿，这种方法施工周期长，不能及时受载。后来采用化学植筋法，旌 工简便、强度高，可是由于采用的是有机胶，存在着老化、怕高温、不耐湿的缺点。 而在火电厂厂房改造和水工结构加固中，经常会遇到高温、高湿环境，采用自锁锚 杆，能较好地结合传统方法的优点，因而在陕西汉中造纸厂的设备安装，河南平顶 山火电厂改造加固，浙江天荒坪抽水蓄能电站观测廊道加固等数十例工程中得到应 用，效果良好。 1 5 本文研究的主要内容 在实际加固工程的设计、施工过程中，发现建筑结构、尤其是混凝土结构加固过 程中，无论是采用粘钢加固，包钢加固，或者是其他加固方法，锚固构件的作用非 武汉大学硕士学位论文 7 常重要。自锁锚杆作为一种新型锚杆，已经广泛的应用于建筑结构的改造、加固和 维修中，武汉大学工程结构检测与加固中心的研究人员也已经对自锁锚杆在单调静 拉伸荷载作用下和剪切荷载作用下的锚固机理分别进行了研究。但在一些实际工程 应用中，自锁锚杆往往会是受两种力共同作用。本文就是针对在拉伸和剪切荷载作 用下的自锁锚杆的锚固机理进行研究。 粘结锚杆性能的研究主要有两个方面的内容，一方面是研究被锚固本身的稳定性 问题，主要目的就是要使被锚固体保持稳定。另一方面是研究锚固过程中锚杆本身 的锚固强度问题，也就是锚杆所能承受的拉、剪荷载。 本文的主要工作有： 1 试验设计：试验选用两种直径( 即由1 6 、巾2 0 ) 和四种加载角度( 即0 。、3 0 。、4 5 。、 6 0 。1 共2 4 根试件。通过对单根锚杆在拉伸和剪切共同作用下的力学性能试验，观察 其整个受力和破坏过程，测得锚杆轴向和横向变形和极限破坏荷载； 2 试验结果分析：通过对荷载一变形曲线的分析锚杆在拉伸和剪切荷载作用下 的变形规律；选用三种方程( 直线方程、三直线方程以及椭圆方程诱 锚杆的极限承载 力进行描述和比较；分析混凝土和钢筋的破坏模式； 3 有限元分析：利用有限元方法对此试验进行数值模拟，将计算结果与试验结 果做比较，并将应力分布状态与锚杆和混凝土的破坏过程相对应； 4 人工神经网络：利用人工神经网络技术对自锁锚杆极限承载力的预测进行了 尝试，并对预测值和试验值进行比较，并且对极限承载力的影响因素进行了探讨。 武汉大学硕士学位论文8 2 1 引言 第2 章自锁锚杆的试验研究 武汉大学工程结构检测与加固中心的研究人员已经对自锁锚杆在单调静拉伸荷 载和剪切荷载作用下的锚固机理分别进行了研究。本文试验主要研究在这两个力共 同作用下的单根自锁锚杆极限承载力，以及加载过程中锚杆的变形特点和混凝土的 破坏模式，加载角度是考虑的主要因素，锚杆受力如图2 1 所示。 图2 - 1自锁链杆受力示意圈 卜一植入深度d 一锚杆直径一拉伸荷载p 一剪切荷载r 一加载角度 试验的试件采用如下设计：按加载角度共分为四组，即0 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。；每 一种角度采用两种不同直径的锚杆，分别为由1 6 、由2 0 ；同一角度同一直径的锚杆 做三个平行试验；取为l o d ( d 为) ；共计2 4 根试件。试件根据直径及加载角度进行 编号，如编号1 6 - 3 0 1 ，表示直径为1 6 m m ，加载的角度为3 0 。的1 。锚杆。试验用混 凝土墩子采用现成的，试验后用回弹仪测其强度。 2 2 试验设计 1 自锁锚杆。本次试验采用武汉大学巨成加固中心自行研制的q 2 3 5 钢自锁锚 杆，其制作工艺过程为：下料一除锈一切钢筋瓣。其力学性能指标如表2 - 1 所示。 武汉大学硕士学位论文9 表2 - 1 锚杆力学性能指标 剪切强度 直径 屈服强度 极限强度 ( m p a ) ( m m ) 标准值拉力强度标准值拉力强度标准值 ( m p a ) ( k n ) ( m p a )( m e a l ( 埘) ( m v a )( m e a ) 1 6 7 0 3 4 8 1 1 35 6 2 2 3 5 兰5 0 0三1 1 5 2 01 2 33 9 l _ 1 7 35 5 0 2 粘结剂。本次试验采用的粘结剂为i c g 无机胶，该无机胶是由水泥、石膏、 集料、灌浆剂组成的混合物，具有流动性大、稀水率低、可灌性好、无收缩、早强、 抗老化、并对混凝土钢筋具有良好粘结性能的永硬性胶凝材料，适用于檀筋、锚杆 锚固、裂缝修补、设备基础灌浆以及水工建筑物工程等等。无机胶的主要物理性能 如表2 2 所示。【1 4 】 表2 - 2i c g 无机胶力学性能 灌注容重 型号流动度( i 珊)水料比析水性 ( k g m 3 ) i3 2 0 3 7 0 ( 自流) 0 2 2 0 2 50 2 0 5 2 1 5 0 i i2 2 0 2 8 0 ( 自流) 0 2 1 0 2 3 无泌水2 2 0 0 抗压强度( m p a )抗折强度( m p a ) 型号 1 d3 d2 8 d1 d 3 d 2 8 d i 3 5 4 06 0 7 09 0 1 1 08 9 51 0 1 21 6 2 0 i i 3 0 7 05 5 6 08 0 1 0 07 99 1 11 4 1 8 注：钢筋粘结力，对于圆钢1 6 5 m p a ，螺纹钢_ 1 3 m p a 。 3 素混凝土墩子。本次试验采用的混凝土墩子，通过回弹仪测的混凝土的强度 等级为：一号墩子c 2 8 6 ，二号墩子为c 3 3 3 。 4 加载装置。 加载装置由高压油泵、张拉式千斤顶、承载三角架和专用的夹具组成。张拉式千 斤顶最大张拉力为6 0 0 k n 。千斤顶旄加荷载通过专门的设计制作的夹具传递给锚杆。 为了达到加载力的角度以及确保加载时反力不影响试验成果的可靠性，试验中将千 斤顶的反力作用在由角钢焊接而成的三角架上。 承载三角架根据现场的实验条件、加载力的角度控镑i 和承载时需满足的强度刚度 而制作，如图2 2 所示。 武汉大学硕士学位论文 1 0 加载角度为3 0 。和6 0 。的反力架b 加载角度为4 5 0 的反力架 图2 - 2试验加载的反力架装置 试验最初拟用钢绞线固定于锚杆根部来实现加载，但实际操作过程中发现钢绞线 极难固定，且线变形很大而导致千斤顶的行程不足。后采用由2 5 的钢筋与锚杆焊接， 将其引出，然后套上张拉式千斤顶，并在钢筋端部紧靠着千斤顶处焊接两段钢筋承 担千斤顶的反力，试验证明这一方法是可行的。试验装置如图2 3 所示。 图2 - 3 实验装置示意图 5 测量装置 试验的钡4 量装置由油压表、百分表组成。油压表用来测试锚杆的承载力，百分表 测量加载过程中锚杆的变形。锚杆在拉剪组合荷载作用下，将分别产生轴向位移( 拉 伸变形) 和横向位移( 剪切变形) 。在锚杆的根部焊接一钢条，验前均有预压，所以 可以用钢条的位移测试锚杆的轴向和横向位移。 6 其他试验设备 钻头中1 8 、巾2 2 ，扩孔钻头； 灌浆管，锤子，电焊机一台： 米尺，量角器。 武汉大学硕士学位论文 2 3 试验过程 2 - 3 1 试验的准备过程 试验的准备过程包括：锚杼的植入、加载系统的安装、测量系统的安装 1 锚杆的植入 在混凝土试验墩上先用普通钻头钻孔至埋设深度，再用自来水将孔洗净，然后改 用扩孑l 钻头将孔底扩成倒锥面，在孔内灌注i c g 无机粘结材料，再将装有锁头的锚 杆插入，在轴压力作用下锚杆端部张开自锁，在植入的过程中，用力呈旋转状，使 无机胶均匀的分布于锚杆姻周。 a 自锁锚杆b 扩孔钻头 c 自锁锚杆剖面示意图 图2 4 自锁锚杆示意图 2 加载系统的安装 根据锚杆离地面的高度。以及反力架的高度，在地面铺垫厢性垫块。为保持反力 架的水平状态，在刚性垫块上铺上沙子和钢板。将反力架套在锚杆，并套上张拉式 千斤顶，在引出钢筋的尾部紧贴着千斤顶处焊接两段直径为2 5 m m 的钢筋。最后将 千斤顶与油压表、油泵相连。 3 测试系统的安装 加载装置完成后，在锚杆根部焊接钢条，将百分表分剐固定，用来测量锚杆的拉 伸变形和剪切变形。百分表安装时，特别要注意磁性支座支撑点的选择，否则不能 观测到被测点的真实位移。 2 3 2 试验加载过程 i 预加载 预载的目的： ( 1 ) 使实验结构的各支点进入正常工作状态。在试件制造、安装等过程中节点和 武汉大学硕士学位论文- 1 2 结合部位难免有缝隙，预加载可使其密合。例如千斤顶与反力架之间的空隙等。当 千斤顶与反力架表面紧帖时，锚杆与反力架垂直，按照我们的实验设计，正好使锚 杆到达预期的加载角度。 ( 2 ) 检查加载设备工作是否正常，加载装置是否安全可靠。必要时需相应的调整 加载装置。 ( 3 ) 检查百分表是否正常工作，所测的数据是否具有规律性。 ( 4 ) 使实验工作人员熟悉自己担任的任务，掌握调表、读数等操作技术，确保采 集的数据正确无误。 2 荷载分级 荷载分级的目的，一方面是为了控制加载的速度，另一方面是为了便于观察结构 的变形情况，为读取各种实验数据提供必需的时间。 本次试验采用l o k n 作为一个荷载步，加载后停留2 3 分钟。在锚杆屈服后，锚 杆的变形较大，考虑到实验器材的安全性，撤去百分表，加载至锚杆拉断。 2 4 试验结果整理 2 4 1 千斤顶的标定 试验所用千斤顶为张拉式千斤顶，其精度高，活塞面积大，可配合使用0 6 0 m p a 、 0 4 级精密压力表，其最小刻度为0 2 m p a 。在2 0 0 0 k n 的压力机上试验三次求平均值， 表2 - 3 是某千斤顶标定结果。 表2 - 3 千斤顶标定结果 荷载( k n )02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 9 02 0 02 2 0 油压表读数 o2 24 05 87 81 0 21 2 0】4 31 6 21 8 02 0 62 2 0 ( m p a ) 图2 - 5 为油压千斤顶标定曲线，从标定结果我们可以得到油压表读数和荷载之间 的关系，y = o 9 9 0 5 x ，在数据处理中，我们近似认为豫者关系为1 。 武汉大学硕士学位论文1 3 2 5 0 2 0 0 至1 5 0 镉 柱1 0 0 5 0 o y = o 9 9 0 5 , r 2 = 0 9 9 9 2 l 一， 。 。 。 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 油压表读数m p a 图2 - 5 千斤顶标定曲线 2 4 2 锚杆的荷载位移数据整理 试验加载采用张拉式千斤顶，手动油泵加载，lo i n 为一加载步，加载后停留时 间为2 3 分钟。锚杆屈服后，变形较大，考虑到试验器材的安全性，撤去百分表， 不再测量位移。直接加载至锚杆断裂，记下油压表最高读数。 1 直径为1 6 r m n 的自锁锚杆荷载位移数据 ( 1 ) 试验锚杆1 6 0 1 ，1 6 0 2 ，1 6 0 3 锚杆直径为t 6 m m ，植入深度为1 6 0 m m ，加载角度0 。，试验数据如表2 4 所示。 表2 - 4 试验数据一 1 6 - o 一11 6 0 21 6 0 3 荷载变形( m m )荷载变形( m m )荷载 变形( m m ) ( k n ) 轴向横向 ( k n ) 轴向横向 ( k n ) 轴向横向 0o0o0o00o 1 00 o l01 0o 0 5o1 0 0 0 30 2 00 0 302 0o i 2o2 0o 0 8o 3 00 1 0o3 00 1 803 00 1 50 4 00 i 7o4 0o 2 3o4 0o 2 4o 5 0o 3 2o5 0o 3 6o5 0o 4 l0 6 0o 5 0o6 0o 7 206 00 6 4o 7 00 9 4o7 01 2 3o7 01 0 30 8 01 8 0o8 02 1 0o8 01 9 8o 9 04 5 309 05 6 l09 05 0 20 1 0 01 0 3 801 0 9锚杆拉断1 0 01 3 1 10 1 1 8锚杆拉断1 0 2锚杆拉断 武汉大学硕士学位论文1 4 由表2 4 可知，锚杆1 6 0 1 极限承载力为1 1 8 k n ；锚杆1 6 - 0 2 极限承载力为1 0 9 k n ； 锚杆1 6 0 3 极限承载力为1 0 2 k n 。 故当直径为1 6 r a m ，植入深度为1 6 0 m m ，加载角度为0 。时，锚杆的平均极限承 载力为1 0 9 6 7 k n ，荷载一变形曲线如图2 - 6 所示。 1 2 0 1 0 0 8 0 印 山 4 0 2 0 o s m 图2 - 6 锚杆直径为1 6 m m ，加载角度o 。时的荷载变形曲线 ( 2 ) 试验锚杆1 6 3 0 1 ，1 6 - 3 0 - 2 ，1 6 3 0 3 锚杆直径为1 6 m m ，植入深度为1 6 0 m m ，加载角度3 0 。，试验数据如表2 - 5 所示。 表2 - 5 试验数据二 1 6 3 0 11 6 3 0 - 21 6 3 0 3 荷载变形( m m )荷载变形( m m ) 荷载变形( m m ) ( k n ) 轴向横向 ( k n ) 轴向 横向 ( k n ) 轴向横向 000o0oo 0o 1 000 2o 0 11 00 0 7 0 0 81 5o 0 3o 0 2 2 00 2 70 1 8 2 0o 6 3o | 3 22 00 1 50 1 1 3 00 6 60 4 2 3 01 0 70 6 73 0o 7 l0 | 3 6 4 00 8 6o 5 3 4 0