后置锚栓在混凝土结构工程中应用广泛,可用于设备安装和结构构件的固定。后置锚栓通常以群锚受力的方式传递荷载,能承担弯矩、拉力、剪力及其组合。群锚连接的承载力与混凝土强度、锚栓力学性能、锚栓间距、边距、锚固深度以及混凝土是否开裂等因素有关。

　　 由于工艺原因,连接钢板上锚栓孔与锚栓杆体之间存在随机分布的间隙,间隙大小随锚栓直径的不同在1～3mm之间变化,这在我国混凝土结构后锚固技术规程 ^[1]以及其他国际标准 ^[2]中都有规定。当群锚连接承受拉力时,连接钢板上锚栓孔与锚栓杆体之间存在的间隙不影响连接的承载力;当群锚连接承担剪力,假定锚栓具有足够延性变形能力,也可以认为这种间隙不影响连接的剪切承载力;但对钢柱柱脚锚栓这种情况,柱脚底板孔径与锚栓直径差异较大,更大的间隙会影响剪切承载力 ^[3]。

　　 近年来,锚栓钢板加固技术逐渐受到重视,并已获得初步研究成果。所谓锚栓钢板加固技术,就是使用后置粘结型锚栓将加固钢板固定在混凝土构件受拉面或侧面,以加固构件抗弯能力或抗剪能力的一种方法。早在1989年,Roberts ^[4]等尝试在配筋不足的混凝土简支梁受拉面采用锚栓固定的钢板加固其受弯能力,取得了较好的效果。李英民等 ^[5]进行了4根钢筋混凝土简支梁和1根对比试件的锚栓钢板抗弯承载力试验,锚栓钢板置于梁的受拉面,加固试件的抗弯承载力明显提高,屈服刚度有所提高,但出现了锚栓剪断现象。Su ^[6]等将锚栓钢板沿简支梁的全长布置在梁侧面中下部,以加固梁的抗弯能力,在完成加固试验的4根简支梁中,获得与李英民等 ^[5]试验相似的结果,即被加固梁的抗弯承载力明显提高,屈服刚度有所提高,其中2根梁发生了锚栓剪断现象。

　　 锚栓钢板加固混凝土构件时,锚栓受剪产生剪切变形,钢板与相邻混凝土之间出现变形不协调现象,Nguyen等 ^[7]、蔡自伟等 ^[8]对这种现象进行过研究。事实上,锚栓与钢板孔壁之间的安装间隙和前述剪切变形叠加后,会更进一步影响钢板与基层混凝土的协同变形能力,并弱化锚栓抗剪能力的发挥,从而降低加固效果。

　　 为了尽可能地发挥群锚体系的剪切刚度,全学友 ^[9]提出了一种可以消除锚栓杆体与钢板安装孔壁之间间隙的构造,并称具有此构造的锚栓为直接剪切型锚栓。全学友等 ^[10]采用直接剪切型锚栓将加固钢板固定在简支梁受拉面,完成了3根足尺混凝土简支梁试件的抗弯承载力加固试验,与对比试件相比,被加固试件承载力大幅度提高,屈服刚度成倍提高。

　　 为了解直接剪切型锚栓钢板技术与普通锚栓安装的加固钢板在剪力作用下的协同受力性能,设计了本文的比对试验。

　　 普通化学锚栓为全螺纹锚栓 ^[1,11],有利于提高锚栓的抗拉锚固能力;直接剪切型锚栓用于承担剪力,抗拉能力不起控制作用,因此可以考虑采用半螺纹锚栓,即在锚栓锚固段根部有螺纹,以提供适当的抗拉潜力,而在承担剪力的上半段为完整截面,以保持锚栓截面的抗剪能力。为了直观比较直接剪切型锚栓和普通化学锚栓单锚、群锚受力性能上的差异,在同一块混凝土块体上布置了相应的单锚、群锚比对试件,如图1所示。

　　 试验锚栓规格均为M16,采用40Cr合金结构钢制造,在混凝土中的植入深度为8d(d为锚栓直径)。试验序列包括:1组普通全螺纹化学锚栓与半螺纹锚栓的单锚剪切对比试验,分别包含6根锚栓;2组普通全螺纹化学锚栓的3锚栓群锚剪切试验,3组普通半螺纹的3锚栓群锚剪切试验,5组直接剪切型锚栓的3锚栓群锚剪切试验。普通半螺纹锚栓与全螺纹化学锚栓一样,锚栓杆体和钢板孔壁之间存在随机分布的间隙,本试验序列中,M16锚栓的钢板安装孔直径为18mm;直接剪切型锚栓在钢板厚度范围内具有锥形构造,利用膨胀套消除了锚栓杆体与钢板安装孔壁之间的间隙。图2为普通全螺纹化学锚栓、普通半螺纹锚栓和直接剪切型锚栓安装完成后的情形,其中普通安装的锚栓在杆体与钢板安装孔孔壁之间存在间隙,直接剪切型锚栓则消除了这种间隙。混凝土块体的设计强度为C30,厚度为300mm。

　　 加工锚栓前对材料取样进行了力学性能检测,其材料力学性能指标如表1所示;混凝土同条件养护试块的实测立方体抗压强度为54.00MPa。

　　 对单锚剪切试验,采用图3所示的拉剪加载装置,符合ETAG 001 ^[12]和ASTM E488/E488M-15 ^[13]关于锚栓剪切试验的规定;对群锚剪切试验采用图4所示的拉剪加载装置。无论单锚剪切试验或群锚剪切试验,钢板与混凝土接触面之间设置有厚度约1mm的PTFE垫层,以减小摩擦力对试验剪力的影响。

　　 加载板尾部对称于荷载线设置有两套电子百分表,取位移实测平均值作为锚栓的剪切位移。剪力由一台穿心式千斤顶提供,并配置有一台穿心式荷载传感器。锚栓屈服前,采用荷载控制加载,对单锚剪切试验,每级荷载4kN;对群锚剪切试验,每级荷载5kN;锚栓屈服后,采用电子百分表盘面指针显示的位移变化控制加载,每级位移增量大致在0.25mm。

　　 无论单锚或群锚的剪切试验,装置安装完成后,先施加较小的预加荷载,以检验加载系统和变形测试系统是否正常,并使锚栓侧面与钢板安装孔孔壁接触;对普通安装的群锚,可能只是个别锚栓与相应的孔壁接触。预加荷载的取值,对单锚试验为5kN,对群锚试验为10kN。

　　 本试验序列中,无论单锚剪切试验还是群锚剪切试验,都是以锚栓受剪屈服后,百分表显示发生了较大剪切位移而终止试验。所有试验中,仅1个普通半螺纹锚栓出现了剪断破坏现象。

　　 图5为单个普通半螺纹锚栓和单个普通全螺纹锚栓的剪力-剪切位移实测曲线其中,由于测试故障只提供了5个普通全螺纹锚栓的有效数据。通过图5可以很明显看出,全螺纹锚栓的抗剪刚度低于半螺纹锚栓的抗剪刚度。由于两种锚栓的安装方法一致,这种差异应该是由锚栓受剪面积的差异造成的,即全螺纹锚栓的有效受剪面积小于半螺纹锚栓的受剪面积。此外,对比组内各锚栓的剪力-剪切变形曲线具有较大的离散性。

　　 图6为群锚剪切试验的剪力-剪切位移曲线。由图6可以看出,与单锚剪切试验相同,普通半螺纹锚栓的剪切刚度高于普通全螺纹锚栓,且具有较大的离散性;直接剪切型锚栓群锚剪切刚度远高于普通半螺纹锚栓,且组内各条曲线之间的变异性明显小于普通半螺纹锚栓和普通全螺纹锚栓。

　　 本试验序列中,直接剪切型锚栓与普通半螺纹锚栓在锚固深度范围内的直径、杆体外形、截面尺寸是完全相同的,唯一不同的是,直接剪切型锚栓安装时消除了杆体与钢板孔壁之间的间隙,而普通半螺纹锚栓则在杆体与钢板孔壁之间存在不超过2mm的间隙。从加载开始,直接剪切型锚栓群锚中的所有锚栓即同时开始受力,材料抵抗变形的能力得到有效发挥,表现出良好的抗剪刚度;而普通安装的群锚,由于各锚栓与钢板孔壁之间存在随机分布的安装间隙,开始加载时,不能使全部锚栓协同受力,表现在剪力-剪切变形曲线上,就是其抗剪刚度明显低于对应的直接剪切型锚栓群锚的抗剪刚度。

　　 本试验序列中,由于锚栓屈服后的变形加载过程依靠人工读取百分表盘面读数进行控制,对直接剪切型锚栓群锚,这一加载控制方法并未得到很好的控制,在锚栓屈服后的曲线上升段即终止了试验,群锚的变形能力及承载能力未能得到完全揭示。

　　 通过普通安装的粘结型半螺纹锚栓、全螺纹锚栓单独锚栓的对比剪切试验,以及普通安装的半螺纹锚栓群锚、全螺纹锚栓群锚和直接剪切型锚栓群锚的比对试验,可以得出以下初步结论:

　　 (1)由于半螺纹锚栓在受剪力最大的长度范围内具有更大的受剪截面面积,单独锚栓受剪时其抗剪刚度明显高于对应的全螺纹锚栓。因此,对可判定只承担剪力的锚栓,应优先采用半螺纹锚栓。

　　 (2)由于消除了锚栓杆体与钢板安装孔壁之间的安装间隙,最大限度保证了协同受力要求,直接剪切型锚栓群锚的抗剪刚度显著高于对应普通安装的锚栓群锚。可以推断,直接剪切型锚栓用于固定加固钢板时,荷载作用下加固钢板与被加固混凝土构件之间协同受力性能更容易得到保证。

　　 虽然本文的对比试验揭示出直接剪切型锚栓群锚连接抗剪刚度比普通安装的群锚连接具有显著的优势,但由于未能测试出锚栓屈服后的受力变形全过程,有必要进一步进行研究。