目前国内后锚固研究中, 对混凝土基材已经有部分研究成果, 可是对基材为砌体的研究还不成熟, 在设计理论、施工方法、承载力要求、可靠性分析等方面都有待完善。国内暂无标准可依, 由于设计不周、选材不当或施工问题造成的固定物脱落、墙体开裂等质量问题时有发生。本研究针对T/CECS 479—2017《砌体结构后锚固技术规程》 (后文简称《规程》) 编制, 旨在规范砌体后锚固技术在砌体构件上的设计及施工, 以确保被锚固结构安全和连接附属物的使用。

1) 砌体后锚固 通过锚栓和植筋技术固定既有砌体基材被连接附属物。

2) 基材 通过后锚固连接承载的母体, 砌体种类直接影响后锚固连接的承载力, 《规程》仅考虑烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压硅酸盐砖、混凝土多孔砖、混凝土小型空心砌块及蒸压加气混凝土砌块为基材的砌体, 固定非结构构件和附属机电设备等附属物。

3) 被连接附属物 需要与基层墙体连接的建筑非结构构件、建筑附属机电设备等。建筑非结构构件指建筑中除承重骨架体系以外的固定构件和部件, 主要包括承重墙体和非承重墙体, 附着于墙体上的构件、装饰构件和部件, 固定于墙面的设备支架等。

4) 锚固件 将被连接附属物上的荷载有效传递到基材上的结构件, 由锚板和锚栓或锚筋组成。锚栓根据基材种类不同可采用塑料膨胀锚栓、胶粘型锚栓和扩底式锚栓;锚筋可采用带肋钢筋和全螺纹螺杆。

胶粘型锚栓由螺杆和结构胶粘剂组成, 通过结构胶粘剂形成起锚固作用的锚栓。当基材为含有空腔的多孔砖或空心砌块时, 应设置金属或尼龙网套, 使结构胶粘剂在空腔部位形成锚固结, 产生胶粘和锁键效应, 亦称作网套式胶粘型锚栓。

塑料膨胀锚栓由螺钉和塑料膨胀套管组成。通过拧入或锤击螺钉使套管膨胀, 挤压钻孔孔壁并产生摩擦力, 形成起锚固作用的锚栓。根据安装方式, 可分为拧入式塑料锚栓和敲击式塑料锚栓;根据适用的基材种类, 可分为用于普通砖的塑料锚栓、用于多孔砖和空心砖的塑料锚栓及用于蒸压加气混凝土的塑料锚栓。

扩底式锚栓专指在蒸压加气混凝土砌块中通过金属扩张片或塑料翼缘嵌入基材形成机械锁键效应的锚栓。

荷载作用下锚固连接的破坏形式分为锚栓或钢筋破坏、锚栓拔出破坏及砌体基材破坏。

1) 锚栓或钢筋破坏 锚栓或钢筋本身材料破坏, 主要有受拉破坏、受剪破坏或复合受力破坏。

2) 锚栓拔出破坏 锚栓从基材中被拔出, 主要有2种破坏形式: (1) 塑料锚栓在拉力作用下, 螺杆 (钉) 连同膨胀套管从基材中被拉出, 或胶粘型锚栓受拉时沿胶粘剂与砌体孔壁界面被拔出; (2) 在拉力作用下螺钉从膨胀套管中被拔出或螺杆从胶粘剂界面被拔出。

3) 砌体基材破坏 基层墙体主要有5种破坏形式: (1) 当锚栓受拉时, 砌体基材形成以锚栓为中心的锥体破坏 (见图1) ; (2) 在拉力作用下块材整体沿灰缝被拔出; (3) 基材受剪时形成锚栓周边受压区砌体基材的局部破坏; (4) 当基材边缘受剪时, 形成以锚栓轴为顶点的基材楔形体破坏; (5) 中心受剪时由于锚栓作用基材砌体沿反方向产生的剪撬破坏。

本次抗拉试验选用3种块材为基材 (烧结实心砖、烧结多孔砖、蒸压加气混凝土砌块) 和3个强度等级的砂浆, 锚栓选用3个生产厂家的塑料锚栓和胶粘型锚栓, 测试锚栓的极限承载力及破坏形式, 如表1所示。

锚栓选用金属螺钉和塑料膨胀套管组成的塑料锚栓或由金属螺杆、金属或尼龙网套和胶粘剂组成的胶粘型锚栓。锚栓选型如图2所示。本次试验锚栓均布置在砌块单元内部且尽可能位于砌块中心。

1) 设备应能连续平稳地加载, 应避免荷载的突然增加, 加载速度应可调 (见图3) 。

2) 应校准荷载测量仪器, 荷载测量误差不应超过最大测量荷载的2%。

3) 加载方向应垂直于基材表面, 加载点应作用于锚栓的中心线上。荷载应通过铰传递给锚栓, 加载垫圈应与加载设备和锚栓配套。

4) 对于非约束拉拔测试, 反力架支撑点与锚栓间净距≥2h_ef (h_ef为有效锚固深度) 。对于体积较大的块材单体基材, 反力架支撑点可与锚栓作用于同一砌块上。对于以墙体为基材的测试, 反力架的支撑点与锚栓不宜作用于同一块材上。

1) 塑料锚栓砌体普遍为锚栓 (钉) 拔出破坏;胶粘型锚栓普遍为砌体基材破坏 (以锥体破坏或劈裂为主) 。

2) 同规格锚栓与同砖、同砂浆强度的砌体进行后锚固, 实心砖砌体效果明显大于多孔砖砌体。说明拉拔承载力与砌体基材强度有直接关系, 基材孔洞对锚固效果明显不利。

3) 不同规格胶粘锚栓在同一砌体后锚固, 栓径大的效果明显优于栓径小的;而不同规格塑料锚栓在同一砌体后锚固差异不明显。

4) 胶粘型锚栓后锚固效果明显优于塑料锚栓。

5) 锚栓抗拉试验承载力结果离散性很大, 离散系数位于0.15~0.3居多。这是由于基材材质不均匀, 成孔大小与深度、孔内干净程度有差异等原因导致。

1) 锚栓拔出破坏 锚栓从基材中被拔出主要有2种破坏形式: (1) 螺杆 (钉) 连同膨胀套管从基材中被拉出 (数量较少) 或胶粘型锚栓受拉时沿胶粘剂与砌体孔壁界面被拔出 (数量较少) ; (2) 螺钉从膨胀套管中被拔出或螺杆从胶粘剂界面被拔出。以锚栓拔出破坏为主的试验统计结果如表2所示。

2) 砌体基材破坏 砌体基材以锥体破坏或劈裂为主。对于实心砖砌体, 锥体破坏高度为单砖厚度53mm, 宽度一般达120mm, 深度约为锚固深度的一半;对于多孔砖砌体, 锥体破坏高度为单砖厚度90mm, 宽度一般达到115mm (即单砖宽度) , 深度约为锚固深度的一半;对于蒸压加气混凝土砌体, 锥体破坏直径为100~150mm, 深度约为锚固深度的一半。

由于砌体强度普遍偏高, 整个试验中未出现块材拔出破坏。砌体基材破坏形式如图4所示。试验统计结果如表3所示。

由试验结果可知, 砌体基材破坏中的锥体破坏状态如图4c所示, 为胶与砌体界面破坏-砌体锥体破坏的混合破坏。混合破坏是植螺杆达到一定深度后发生的破坏形态, 螺杆加载端周围的砌体出现劈裂裂缝;随着荷载的增加, 裂缝逐渐开展, 出现以螺杆为圆心的砌体锥形破坏面;继续加载, 锥体破坏随螺杆一起发生位移, 靠近加载端的砌体形成锥体破坏;此后, 锚固端的胶与砌体 (胶与螺杆) 间出现滑移, 植螺杆丧失承载力, 最终发生砌体锥体破坏。

纯锥体的理想砌体锥体破坏因胶与砌体间黏结力的剪拉作用, 造成砌体内部出现裂缝, 随着荷载的增大, 裂缝以45°角发展到砌体表面, 造成砌体锥体破坏。破坏前没有明显征兆, 呈脆性破坏, 承载力较低, 没有充分发挥锚栓的抗拉性能。它不是后锚固技术的最佳应用。锥体破坏在机理上类似砌体结构中的冲切破坏, 结果是砌体内部伴随着裂缝的发展, 抗拉强度达到极限导致破坏。砌体锥体破坏属于脆性破坏, 实际工程中不允许发生该破坏。防止该破坏的有效方法是加大锚固深度, 使其破坏形式为基材拉拔破坏和锚栓拔出复合破坏^[2]。

3) 锚栓或锚筋破坏整个试验中未出现锚栓或锚筋破坏。

依据GB50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》附录L“按检测结果确定构件材料强度标准值的方法”规定计算抗拉强度标准值, “检测所取的置信水平, 砌体γ=0.60”。据此, 将各组锚栓抗拉强度结果进行标准值计算^[3], 如表4所示。

锚固深度近似于6d的各组试验结果中, 分别将抗拉承载力计算值和抗拉强度试验平均值N_R, m及和抗拉强度试验标准值N_Rk, m对应值进行回归统计, 求得相应的修正系数φ (见图5) 。

由图5可知, 对于6d的各组数据, 抗拉强度平均值回归修正系数φ=0.267, 由抗拉强度标准值回归的修正系数φ=0.138。线性相关系数数值偏低, 说明数据离散性很大。

对于≥10d的2组加气块砌体数据, 由抗拉强度平均值计算的修正系数为0.165和0.202, 由抗拉强度标准值计算的修正系数φ为0.118和0.149。

吕冬男^[2]利用相同锚固参数的锚栓极限承载力平均值进行回归, 得出锥体破坏的抗拔承载力计算公式:

式中:当化学植筋锚固与块材有效锚固深度 (h_ef) 为6, 10d时, 修正系数φ=0.21;A_P=πh²_ef (mm²) 。

显然, 由本试验抗拉强度平均值计算的修正系数φ与公式 (1) 中的给定值φ=0.21基本吻合;但按照抗拉强度标准值计算的修正系数φ, 回归结果明显偏小。

锥体破坏圆锥横截面表面积A_P, 按照该公式A_P应为半径为h_ef的锥形投影面积, 而相比本试验实际砌体锥形破坏, 该理论计算值明显大于实际锥形投影面积, 即按照较大的理论值A_P公式反算出的修正系数φ值会偏小, 因此本试验统计确定的修正系数φ是偏于安全的。

综上, 化学植筋锚固与块材砌体基材破坏受拉承载力标准值

式中:φ为修正系数, 当有效锚固深度h_ef=6d时, φ=0.138, 当h_ef=10d时, φ=0.118;A_P为锥体破坏圆锥横截面表面积, 对实心砖和蒸压加气混凝土砌块A_P=πh²_ef (mm²) ;f_m为砌体平均抗压强度 (N/mm²) 。

1) 塑料膨胀锚栓砌体普遍为锚栓 (钉) 拔出破坏;胶粘型锚栓普遍为砌体基材破坏。

2) 抗拉承载力与基材块材强度、砂浆强度、锚栓直径、锚固深度、锚固形式等因素有直接关系。

3) 锚栓抗拉试验承载力结果离散性很大, 直接体现了砌体后锚固的复杂性特点。其主要原因是锚固深度过小, 建议《规范》限值最小锚固深度为锚栓的最小锚固长度l_min取5d和60mm两者的较大值;植筋的最小锚固长度l_min应取10d (d为钢筋直径) 和100mm两者的较大值。

4) 承载力标准值修正系数、锥形破坏计算面积的取值对承载力标准值的计算影响较大。

为保证砌体结构后锚固的质量, 《规程》作了必要的构造规定, 引用条文说明如下。

1) 砌体基材的厚度过小, 不能满足植筋最小锚固深度的要求, 无法充分利用锚固的承载力, 且在施工和使用过程中加大了劈裂破坏的可能性。对砌体基材的最小厚度进行了规定, 以保证锚固连接的可靠性。

2) 对锚栓、植筋的最小边距和最小间距给出明确规定, 除避免锚栓安装时减小基层砌体劈裂破坏的可能性外, 主要在于避免群锚效应, 增强锚栓、植筋正常工作时的承载力和可靠性。

3) 基材砌体构件由块材和砂浆组成, 砂浆层厚度较小且饱满程度无法保证, 故锚栓、植筋位置宜设置在块材上;如需布置在灰缝内, 则必须保证灰缝砂浆的饱满度及其强度等级。

装饰层和抹灰层的强度较低, 且施工质量无法保证, 与结构层的连接存在不确定性, 因此不能参与锚栓锚固深度、植筋深度的计算。

4) 砌体结构与混凝土结构存在区别, 砌体结构锚栓、植筋的最小锚固长度需考虑砌体块材尺寸的限制, 其值是在混凝土结构最小锚固长度的基础上进行试验总结提出的。

5) 锚栓、植筋孔径 (钻孔直径) 大小与锚栓、植筋受拉承载力有关。钻孔直径过小则施工质量难以保证, 且锚栓、植筋与基材的黏结强度无法保证承载力;钻孔直径过大则施工对砌体基材的影响较大, 可能对原结构造成损伤。

砌体结构后锚固钢筋直径宜为6~12mm, 且优先选用8, 10mm的螺纹钢筋。钢筋直径<6mm或>12mm均会对植筋承载力造成影响, 植筋效果的可靠性及复演性较差。若使用12mm的钢筋, 则须保证砌体基材的厚度满足植筋的最小锚固深度要求。