后锚固技术在结构加固中的应用ppt课件

1 后锚固技术在结构加固中的应用及质量控制 韩兵康博士 副教授同济大学土木工程学院2006年11月9日 2 一 后锚固的种类二 后锚固的机理三 后锚固技术适用范围四 后锚固技术在结构加固中的运用五 后锚固技术的质量控制 内容提要 3 一 后锚固的种类 根据 混凝土结构后锚固技术规程 JGJ145 2004 的分类 后锚固连接包括膨胀型锚栓连接 扩孔型锚栓连接 粘结型锚栓连接及化学植筋四大类 4 锚栓种类根据欧洲规范分为膨胀型锚栓 扩孔型锚栓及粘结型锚栓三大类中国产品规程 混凝土用膨胀型 扩孔型建筑锚栓 JG160 2004 中只有膨胀型锚栓 扩孔型锚栓两类 另外还有混凝土螺钉 ConcreteScrews 射钉 混凝土钉等 都属于锚栓范围 5 二 后锚固的机理 后锚固是在已经硬化的既有混凝土结构上或砌体结构上通过相关技术手段的锚固 根据后锚固连接的类型 其锚固的原理有所不同 6 膨胀型锚栓连接利用锥体与膨胀片 或膨胀套筒 的相向移动 促使膨胀片膨胀 与孔壁混凝土产生膨胀挤压力 并通过剪切摩擦作用产生抗拔力 实现对被连接件锚固的一种组件 7 图1扭矩控制式膨胀型锚栓 8 图2位移控制式膨胀型锚栓 9 扩孔型锚栓连接通过对钻孔底部混凝土的再次切槽扩孔 利用扩孔后形成的混凝土承压面与锚栓膨胀扩大头间的机械互锁 实现对被连接件锚固的一种组件 10 图2扩孔型锚栓 11 粘结型锚栓连接以特制的化学胶粘剂 锚固胶 将螺杆及内螺纹管等胶结固定于混凝土基材钻孔中 通过粘结剂与螺杆及粘结剂与混凝土孔壁间的粘结与锁键 interlock 作用 以实现对被连接件锚固的一种组件 12 图3粘结型锚栓 13 化学植筋以化学胶粘剂 锚固胶将带肋钢筋及螺杆胶结固定于混凝土基材钻孔中 通过粘结与琐键作用 以实现对被连接件锚固的一种组件 14 化学植筋锚固基理与粘结型锚栓相同 但化学植筋及螺杆由于长度不受限制 与现浇混凝土钢筋锚固相似 破坏形态易于控制 一般均可以控制为锚筋钢材破坏 故适用于静力及抗震设防烈度小于等于8度之结构构件及非结构构件的锚固连接 15 16 混凝土螺钉连接构造与锚固机理与木螺钉相似 是以特制工艺滚压淬制出坚硬锋利的刀口螺纹螺杆 安装时先预钻较小孔径的直孔 后将螺钉拧入 利用螺纹与孔壁混凝土间的咬合作用产生抗拔力 实现对被连接件锚固的一种组件 17 图5混凝土螺钉 18 射钉连接一种以火药为动力 用射钉枪将高硬度钢钉包括螺钉 射入混凝土 砌体或金属结构等基材内 利用其射入时与混凝土之间产生的高温 约900 C 使钢钉与基材因化学熔结及夹紧作用而结为一体 以实现对被连接件的锚固 19 图6射钉 20 三 后锚固技术适用范围 各类锚栓的适用范围 除本身性能差异外 还应考虑基材是否开裂 锚固连接的受力性质 被连接结构类型 有无抗震设防要求等因素的综合影响 按规程表3 0规定采用 21 22 四 后锚固技术在结构加固中的运用1 混凝土本体加固用作剪力键混凝土本体加固效果的关键是保证新 旧混凝土能共同作用 为了提高界面的抗剪能力 经常采用在结合面上打膨胀锚栓 植短钢筋 23 图7混凝土界面处理做法示意 24 2 混凝土加大截面加固新增钢筋的锚固钢筋混凝土梁 板 柱当截面承载力不能满足承载力要求时 当其他加固方法不适用时 可采用加大截面法加固 新增钢筋一般采用化学植筋技术锚固在既有结构的基础 梁 柱中 25 26 27 图8混凝土柱加大截面加固 28 3 混凝土梁锚栓 钢板法加固混凝土结构采用粘钢 碳纤维布加固有其局限性 特别是混凝土强度 环境因素的影响往往限制了上述方法的采用 主要原因是不能保证粘结效果 以及环境对粘结剂耐久性的影响 这时可以采用锚栓 钢板法进行加固 29 图9简支梁锚栓 钢板法加固 30 图10框架梁锚栓 钢板法加固 31 后置锚栓一钢板加固法通过加固效果的确认 极限承载力评价方法分析 有隅角部构件的适用性试验得出以下结论 本法可有效提高混凝土结构的抗弯承载能力 加固效果取决于锚栓根数 总抗剪承载力 但是 加固效果上限取决于钢板的强度 32 锚拴根数增加时弯曲承载能力增大 破坏型态由弯曲压坏向剪切破坏过渡 锚栓的设置间距 早期应力的影响 螺母的施拧扭矩 螺母是否与钢板焊接等对极限承载力影响很小 试件的承载力符合平截面假定 当钢板的强度上限取锚栓的抗剪强度时计算极限承载力接近实测值 33 用土木学会混凝土标准规范推荐的抗剪承载力公式计算时将钢板视为抗拉钢筋所得的计算结果与实测值相近 门形结构物 即使加固时部分加固范围内有负弯矩作用 如果极限状态时加固范围内全是正弯矩 则加固后承载力可用与梁式构件同样方法来评定 门形试件隅角部未发生裂缝 因此可以认为本工法不仅适用于梁式结构 而且还适用于有隅角部的混凝土框架结构 34 4 后砌墙体与混凝土结构的连接 无论是抗震还是抵抗不均匀沉降或是抵抗混凝土和砌体差异变形 混凝土结构中的填充墙与主体结构应设置拉结钢筋 设计或施工中往往漏放或少放 一些接建工程 新砌的墙体与既有结构的连接 需补放 增放 新放拉接钢筋 35 图11后砌墙体与混凝土结构的连接 36 5 砌体与砌体的连接加固 在旧房中在纵横墙的交接处 房屋的转角处没有接槎或接槎不规范 在不均匀沉降 振动等的影响下会沿接槎开裂 37 图12砌体与砌体的连接加固 38 五 后锚固技术的质量控制 5 1后锚固连接的破坏 后锚固破坏类型与锚栓品种 锚固参数 基材性能及作用力性质等因素有关 其中锚栓品种及锚固参数最为直接 破坏分类目的在于精确地进行承载力计算分析 最大限度地提高锚固连接的安全可靠性及使用合理性 39 后锚固设计时锚栓承受的荷载主要有受拉 受剪 拉剪组合以及弯矩 扭矩等 一般情况下后装膨胀锚栓不承受压力 粘结锚栓和后切式锚栓除外 遇到压力荷载作用时 受压的荷载应从锚板传递到基材上 图12a 由垫圈传递到基材上 图12b 或由锚栓传递受压荷载 图12c 40 图12a由锚板承担 图12b由垫圈承担 图12c锚栓传递受压荷载 41 荷载作用下 后锚固连接有锚栓或锚筋钢材破坏 混凝土基材破坏及锚栓拔出破坏 包括机械锚栓的拔出破坏和化学锚栓和化学植筋的拔出破坏 等三种破坏模式 42 5 1 1锚栓或锚筋钢材破坏 锚栓或锚筋钢材破坏分拉断破坏 剪坏及拉剪复合受力破坏 图13 主要发生在锚固深度hef超过临界深度hcr时 或混凝土强度较高 或锚固区钢筋密集 或锚栓 锚筋材质强度较低或有效截面偏小时 此种破坏 一般具有明显的塑性变形 破坏荷载离散性较小 43 对于受拉 边缘受剪 拉剪复合受力的结构构件的后锚固连接设计 根据 建筑结构可靠度设计统一标准 精神 宜控制为这种破坏形式 图13锚栓钢材破坏 44 5 1 2基材混凝土破坏 如果发生混凝土基材破坏 主要有四种形式 1 拉力作用下混凝土锥体破坏当锚栓受拉时 形成以锚栓为中心的一定深度的混凝土锥体受拉破坏 图14a 或受拉锥体与拔出混合型破坏 图14a 45 锥体的直径和形状与锚栓种类及基材配筋情况有关 对于膨胀型锚栓和扩孔型锚栓 破坏锥体一般较大 锥顶一般位于锚栓膨胀扩大头处 锥径约三倍锚固深度 3hef 图14b 46 化学植筋和粘结型锚栓受拉时形成以基材表面混凝土锥体及深部粘结拔出之组合破坏形式的锥体一般较小 锥顶位于约hef 3处 锥径约一倍锚深 其余2hef 3为粘结拔出 图14c 47 化学植筋或粘结型锚栓受拉时 形成上部锥体及深部粘结拔出之混合破坏形式 当锚固深度小于钢材拉断之临界深度时 hef hcr 一般多发生混合型破坏 48 图14a混凝土锥体受拉破坏 图14b混凝土锥体受拉破坏 图14c混合型受拉破坏 49 2 剪力作用下混凝土楔形体破坏 当锚栓受剪时 形成以基材边缘的锚栓轴为顶点的混凝土楔形体受剪破坏 图15 楔形体大小和形状与边距C 锚深hef及锚栓外径dnom或d有关 50 3 剪撬破坏 当锚栓中心受剪时 基材混凝土沿与剪力反方向被锚栓撬坏 图16 51 基材中部锚栓受剪时 形成基材局部混凝土沿剪力反方向被锚栓撬坏的破坏形式 剪撬破坏一般发生在埋深较浅的粗短锚栓情况 52 4 劈裂破坏 当群锚受拉时 混凝土受锚栓的胀力产生沿锚栓连线的劈裂破坏 图17 53 基材混凝土因锚栓的膨胀挤压 形成沿锚栓轴线或群锚轴线连线之胀裂破坏形式 称为劈裂破坏 劈裂破坏与锚栓类型 边距c 间距s及基材厚度h有关 基材混凝土破坏 尤其是第一 第二种破坏是锚固破坏的基本形式 特别是短粗的机械锚栓 此种破坏表现出一定脆性 破坏荷载离散性较大 对于结构构件及生命线工程非结构构件后锚固连接设计 宜避免这种破坏形式 54 5 1 3拔出破坏 5 1 3 1机械锚栓拔出破坏 对机械锚栓有两种破坏形式 一种是锚栓受拉时整个锚栓从锚孔中整体拔出 图18 称为拔出破坏 另一种是膨胀型锚栓受拉时 螺杆从膨胀套筒中穿出 而膨胀套筒 或膨胀片 仍留在锚孔中 图19 称为穿出破坏 55 图18机械锚栓整体拔出图19机械锚栓穿出破坏 56 前者 拔出破坏主要是施工安装方法不当 如钻孔过大 锚栓预紧力不够等情况 拔出破坏承载力很低 离散性大 难于统计出有用的承载力指标 57 后者 穿出破坏是某些锚栓常见破坏现象 主要原因是锚栓设计构造不合理 如锚栓套筒或膨胀片材质过软材质过软 壁厚过薄 接触表面过于光滑等 因穿出破坏缺乏系统试验统计数据 其承载力只能由厂家提供 且荷载变形曲线存在一定滑移 58 整体拔出破坏 由于承载力很低 且离散性大 很难统计出有用的承载力设计指标 因此不允许发生 59 至于穿出破坏 偶发性检验表明虽具有一定承载力 但缺乏系统的试验统计数据供应用 且变形曲线存在较大滑移 对于结构构件受拉 边缘受剪 拉剪复合受力之锚固连接 宜避免发生 一旦发生应通过承载力现场检验予以评定 且检验数量加倍 以保证应有的安全可靠性 60 5 1 3 2粘结型锚栓和化学植筋拔出破坏 粘结型锚栓和化学植筋拔出破坏有两种形式 一种是沿胶粘剂与钢筋界面之拔出破坏形式 图20 称为胶筋界面破坏 胶筋界面破坏多发生在粘结剂强度较低 基材混凝土强度较高 锚固区配筋较多 钢筋表面较为光滑 如光园钢筋 等情况 61 另一种是沿胶粘剂与混凝土孔壁界面之拔出破坏形式 图21 称为胶混界面破坏 胶混界面破坏主要发生在锚孔表面处理不当 如未清孔 存在大量灰粉 孔道过湿 孔道表面被油污等 62 拔出破坏多发生在锚深过浅时 其性能远不如钢材破坏好 对化学植筋 不论是结构构件或非结构构件 应避免发生拔出破坏 对于粘结型锚栓 因长度有限 当为受拉 边缘受剪 拉剪复合受力之结构构件 宜避免发生拔出破坏 63 图20化学植筋沿胶筋界面拔出图21化学植筋沿胶混界面拔出 64 5 2后锚固连接的材料控制 5 2 1基材的检查 作为后锚固连接的母体 基材混凝土构件和砌体构件应坚实 坚固 可靠 相对于被连接件 应具有较大体量 65 同时 基材结构本身尚应具有相应的安全余量 以承担被连接件所产生的附加内力和全部附加荷载 并获得较高锚固力 存在严重缺陷和材料强度等级较低的基材 锚固承载力也低 且很不可靠 66 连接结构的荷载通过锚栓的机械内锁 摩擦 粘结等作用传递到基材上 一般情况下 荷载传递性能的确定 连接依靠基材 混凝土或砌体的抗拉能力 因此规程要求基材混凝土强度等级不应低于C20 基材混凝土强度指标及弹性模量取值应根据现场实测结果 按现行国家标准 混凝土结构设计规范 GB50010确定 67 风化混凝土和砌体 严重裂损混凝土和砌体 不密实混凝土 结构抹灰层 装饰层等 均不得作为锚固基材 68 5 2 2锚栓材质及力学性能的控制 混凝土结构所用锚栓的材质可为碳素钢 不锈钢或合金钢 应根据环境条件的差异及耐久性要求的不同 选用相应的品种 锚栓的性能应符合中华人民共和国建筑工业行业标准 混凝土用膨胀型 扩孔型建筑锚栓 的相关规定 锚栓材料性能等级及机械性能指标 主要按国家标准 紧固件机械性能 螺栓 螺钉和螺柱 GB3098 1 82 确定 69 碳素钢和合金钢锚栓的性能等级应按所用钢材的抗拉强度标准值fstk及屈强比fyk fstk确定 相应的性能指标应按表2采用 不锈钢锚栓的性能等级应按所用钢材的抗拉强度标准值及屈服强度标准值确定 相应的性能指标应按表3采用 70 表2碳素钢及合金钢锚栓的性能指标 71 表3不锈钢 奥氏体 锚栓的性能指标 72 化学植筋的钢筋及螺杆 应采用HRB400级和HRB335级带肋钢筋及Q235和Q345钢螺杆 钢筋的强度指标按现行国家标准 混凝土结构设计规范 GB50010规定采用 锚栓弹性模量可取Es 2 0 105MPa 作为化学植筋使用的钢筋 一般以普通热轧带肋钢筋锚固性能最好 光园钢筋较差 73 5 2 3锚固胶的质量控制 1 化学植筋的锚固性能主要取决于锚固胶 又称胶粘剂 粘结剂 和施工方法 化学植筋所用锚固胶的锚固性能应通过专门的试验确定 对获准使用的锚固胶 除说明书规定可以掺入定量的掺和剂 填料 外 现场施工中不宜随意增添掺料 74 2 锚固胶按使用形态的不同分为管装式 机械注入式和现场配制式 应根据使用对象的特征和现场条件合理选用 3 我国使用最广的锚固胶是环氧基锚固胶 因此 规程对环氧基锚固胶的性能指标及使用条件提出了要求 环氧基锚固胶的性能指标应满足表4的要求 75 4 其它品种的锚固胶 主要指无机锚固胶和进口胶 其性能应由厂家通过专门的试验确定和认证 76 表4环氧基锚固胶性能指标 77 续表4环氧基锚固胶性能指标 78 5 3后锚固连接的施工质量控制 5 3 1后锚固连接的施工工艺放初始定位线 剔出支承构件钢筋 放钻孔位置 预检 钻孔及钻孔平面图 清孔及棉纱塞孔 隐蔽工程验收 钢筋处理 锚筋及锚筋平面图 测试 单项验收 79 第一步 钻孔 第二步 清孔 第三步 除尘 第四步 预注 80 第五步 注胶 第六步 植筋 第七步 安装 81 图23锚固胶注入方式 82 5 3 2后锚固连接的施工质量控制 1 锚孔应符合设计或产品安装说明书的要求 当无具体要求时 应符合规程表9 2 1 1和表9 2 1 2的要求 2 对于膨胀型锚栓和扩孔型锚栓的锚孔 应空压机或手动气茼吹净孔内粉屑 对于化学植筋的锚孔 应先用空压机或手动气茼彻底吹净孔内碎渣和粉尘 再用丙酮擦拭孔道 并保持孔道干净 83 3 锚孔应避开钢筋 对于废孔 应用化学锚固胶或高强度等级的树脂水泥砂浆填实 4 锚栓的安装方法 应根据设计选型及连