12
第30卷 第2期中国建材科技2021年4月
0 引言
地震时非结构构件破坏会造成较严重的人员伤亡和巨大的财产损失。非结构构件包含建筑构件、固定装置、吊顶、幕墙和建筑附属设备等，大多数非结构构件需要通过锚栓与主体结构固定连接，地震时锚栓将受到由主体结构位移产生的拉力与剪力作用，后锚固锚栓的抗震性能对地震时确保人员安全和减小地震造成的财产损失至关重要。 因此，后锚固锚栓的抗震性能是否符合标准要求是地震区工程安全选用的重要技术指标。欧美规范只要通过其指定的测试，各种锚栓都能用于相关应用场合；我国规范对用于非结构构件连接的锚栓的适用范围做了规定，根据锚栓受力状态、锚栓类型、锚栓是否适用于开裂混凝土以及建筑抗震设防类别等进行选用。表1为各国后锚固规范介绍[1]。
1 后锚固锚栓抗震性能相关规定
现行规范JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》[2]
明确规定在抗震设防区用于结构构件连接时不允许使用位移控制式膨胀锚栓。后扩底锚栓和特殊倒锥形锚栓应用范围限制在抗震设防烈度8度（0.2g ）及以下。化学锚栓抗震性能试验应符合现行标准JG/T 160-2017《混凝土 用机械锚栓》[3]
的规定。
现行规范GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》[4]
明确规定，在抗震设防区的结构中，以及直接承受动力荷载的构件中，不得使用膨胀锚栓作为承重结构的连接件。当在抗震设防区承重结构中使用锚栓时，应采用后扩底锚栓或特殊倒锥形胶粘锚栓，且仅允许用于设防烈度不高于8度并建于Ⅰ、Ⅱ类场地的建筑物。用于抗震设防区承
后锚固锚栓抗震性能检测技术研究与结果分析
Research and result analysis of seismic performance detection technology for rear anchor bolts
臧凡 周俊钧 刘占清 任建兴 李泽文 鲍亚楠 郭庆杰（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京，100024）
ZANG Fan, ZHOU Junjun, LIU Zhanqing, REN Jianxing, LI Zewen, BAO Yanan, GUO Qingjie
(China Building Materials Test ＆ Certification Group Co., Ltd., Beijing 100024)
摘要：后锚固锚栓是通过相关锚固技术将被连接件连接到已有结构上的连接件，包含机械锚栓和化学锚栓。不同
类型锚栓的工作原理、地震荷载作用下的性能及抗震承载能力均有不同。本文根据抗震性能试验结果研究提出了后锚固锚栓在地震区工程科学安全选用的建议。关键词：后锚固锚栓；机械锚栓；化学锚栓；地震作用；抗震性能
Abstract: Post-anchorage anchor, including mechanical anchor and chemical anchor, is connector that connects the connected piece to the existing structure through related anchoring techniques. Different types of anchors have different working principles, performance under seismic loads and aseismic bearing capacity. Based on the research of seismic performance test results, this paper puts forward suggestions for the scientific and safe selection of post-anchor anchors in earthquake areas.
Keywords: post-anchorage anchor; mechanical anchors; chemical anchors; earthquake action; aseismic performance 中图分类号：TU375; TU352.1+1 文献标志码：A 文章编号：1003-8965（2021）02-0012-05
重结构或承受动力作用的锚栓，其性能应通过现行标准JG
/T 160-2017的低周反复荷载作用或疲劳荷载作用的检验。
现行规范JG/T 160-2017中锚栓适用条件明确规定机械锚栓只有S 类锚栓是可承受地震作用的锚栓，S 类锚栓需通过本标准的抗震性能专项试验。
以上规范明确规定了应用到抗震设防区承受地震作用的化学锚栓和机械锚栓的抗震性能均需通过JG/T 160-2017的抗震性能专项试验。
2 后锚固锚栓抗震性能专项试验方案
2.1 试验用锚栓
本次试验方案选用模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓
表1 各国后锚固规范介绍
规范名称
颁发部门颁发国
AC 308《混凝土用化学锚栓的检验标准》
美国国际规范协会
（ICC ）
美国
AC 193《混凝土用机械锚栓的检验标准》ACI 318《结构混凝土建筑规范要求》
美国混凝土协会（ACI ）
ACI 355.4《混凝土用后置粘结锚栓的判定标准》ACI 355.2《混凝土用后置机械锚栓的判定标准》EOTA TR 018《特殊倒锥形锚栓》欧洲技术认可组织（EOTA ）
欧洲
EOTA TR 045《锚栓的抗震设计》
EOTA TR 029《化学锚栓》
Annex C 《锚栓的设计方法》
Annex E 《锚栓的抗震测试》ETAG 001《混凝土用金属锚栓-膨胀锚栓-扩底锚栓-粘结锚栓》
JG/T 160-2017《混凝土用机械锚栓》
住房和城乡建设部
中国
JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》GB 50728-2012《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》
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后锚固锚栓抗震性能检测技术研究与结果分析
检验与认证
和自攻锚栓3种类型进行试验，通过型式检验的锚栓类型如表2所示。模扩底锚栓指在混凝土基材打完直孔后，在孔的底部再次扩孔，扩孔后的型腔与锚栓张开的键片构成互锁机构，实现后锚固连接。特殊倒锥形化学锚栓是由特殊倒锥形螺杆和锚固胶组成，通过锚固胶形成锚固作用的锚栓。自攻锚栓是通过锚栓外壁的齿牙切开混凝土从而与在混凝土上形成的螺纹状开口匹配完成锚固的。
表2 通过型式检验的锚栓类型
序号锚栓类型执行标准型号安装信息
1
模扩底锚栓JG/T 160-2017
M12×80
钻孔直径18mm ，钻孔深度85mm ，有效锚固深度80mm ，安装扭矩：60N ·m 2
特殊倒锥形化学锚栓JGJ 145-2013
M16×125钻孔直径8mm ，钻孔深
度125mm ，有效锚固深度
125mm ，安装扭矩：80N ·m
3
自攻锚栓JG/T 160-2017
M8×53钻孔直径8mm ，钻孔深
度75mm ，名义锚固深度
70mm ，有效锚固深度53mm
2.2 试验设备
本次试验采用两种型号设备，即国内首台单作用液压伺服作动器抗震试验台和双作用液压伺服作动器抗震试验台（见图1），其中单作用液压伺服作动器抗震试验台已取得发明专利1项，实用新型专利2项。单作用液压伺服作动器抗震试验台采用恒压伺服泵站，力值范围0-500kN ，频率范围0.1-10Hz 。双作用液压伺服作动器抗震试验台采用2个1000kN 裂缝开合用伺服作动器，1个300kN 双向伺服作动器，5个变形传感器，1套电液伺服三通道协调加载控制系统。试验台工装配筋混凝土构件长度最大2米，宽度最大1.5米；混凝土裂缝为自然开缝，裂缝可通过配筋的超高强度钢筋自由闭合（见图2） 。
图1
双作用液压伺服作动器抗震试验台
图2 双作用液压伺服作动器抗震试验台现场工装
2.3 变幅脉动拉伸荷载性能试验方法与结果分析2.
3.1 试验方法
变幅脉动拉伸荷载性能试验时，用中等磨损钻头在抗拉强度为（30±5）MPa 的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后扩展裂缝并保持裂缝宽度在0.5mm ，沿锚栓轴线方向施加如表3所示的正弦拉向荷载50次，频率为0.1Hz 。50次循环完成后扩展裂缝宽度并保持在0.8mm ，施加表3所示的正弦荷载25次，频率为0.1Hz ，直至循环结束。变幅脉动拉伸荷载如图3所示。上限荷载按标准中的规定取值。循环过程连续记录荷载、锚栓位移和裂缝宽度变化情况，记录第50次循环上限时的锚栓位移。循环加载完成后锚栓卸载，保持裂缝宽度等于0.8mm ，对锚栓进行剩余承载力检测。
表3 变幅脉动拉伸荷载性能试验荷载、
循环次数及裂缝宽度
脉动拉伸荷载上限
循环次数
裂缝宽度∆ω/mm
0.2Nmax 250.50.3Nmax 150.50.4Nmax 50.50.5Nmax 50.50.6Nmax 50.80.7Nmax 50.80.8Nmax 50.80.9Nmax 50.81.0Nmax 50.8总计
75
-
图3 变 幅脉动拉伸荷载示意图
2.3.2 结果分析
变幅脉动拉伸荷载性能试验结果如表4所示。经过变幅脉动拉伸荷载性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上拉伸基准试验抗拉承载力平均值相比分别下降了25%、15%、54%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。
检验与认证后锚固锚栓抗震性能检测技术研究与结果分析表4 变幅脉动拉伸荷载性能试验结果
锚栓类型JG/T 160-2017标
准要求
变幅脉动拉伸荷载性能试验
结果
非开裂混
凝土上拉
伸基准试
验抗拉承
载力平均
值/kN
承载
力下
降百
分比
/%
模扩底锚栓
Ⅰ级指标
其他破坏形式
NRu,m≥20.7kN
νN≤0.20
νβ≤0.40
γmin≥0.70
δm≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=52.1kN
变异系数νN=0.02
抗拉刚度变异系数νβ=0.05
滑移系数最小值γmin=0.76
第50次循环上限时锚栓位
移δm=2.6mm
69.825
特殊倒锥形化学锚栓
Ⅰ级指标
其他破坏形式
NRu,m≥40.8kN
νN≤0.20
νβ≤0.40
γmin≥0.70
δm≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=95.8kN
变异系数νN=0.01
抗拉刚度变异系数νβ=0.03
滑移系数最小值γmin=0.78
第50次循环上限时锚栓位
移δm=2.3mm
112.815
自攻锚栓
Ⅱ级指标
其他破坏形式
NRu,m≥11.2kN
νN≤0.20
νβ≤0.40
γmin≥0.70
δm≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=16.1kN
变异系数νN=0.05
抗拉刚度变异系数νβ=0.05,
滑移系数最小值γmin=0.84
第50次循环上限时锚栓位
移δm=2.2mm
34.654
2.4 变幅往复剪切荷载性能试验方法与结果分析2.4.1 试验方法
变幅往复剪切荷载性能试验时，用中等磨损钻头在抗
拉强度为（30±5）MPa的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后扩展裂缝并保持裂缝宽度在0.8mm直至循环结束。沿裂缝走向对锚栓施加正弦往复剪切荷载，频率为0.1Hz，往复剪切荷载按标准中的规定取值。往复剪切荷载上限、循环次数如表5所示，变幅往复剪切荷载如图4所示。循环过程
连续记录荷载、位移和裂缝宽度变化情况，记录第50次循环时锚栓位移的最大值。往复加载过程结束后锚栓卸载，保持0.8mm裂缝下测试剩余剪切承载力。
表5 变幅往复剪切荷载性能试验荷载、
循环次数及裂缝宽度
往复剪切荷载上限循环次数裂缝宽度∆ω/mm
0.2Vmax250.8
0.3Vmax150.8
0.4Vmax50.8
0.5Vmax50.8
0.6Vmax50.8
0.7Vmax50.8
0.8Vmax50.8
0.9Vmax50.8
1.0Vmax50.8
总计75
-
图4 变幅往复剪切荷载性能示意图
2.4.2 结果分析
变幅往复剪切荷载性能试验结果如表6所示。经过变幅往复剪切荷载性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上剪切基准试验抗剪承载力平均值相比分别下降了2%、2%、11%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。
表6 变幅往复剪切荷载性能试验结果
锚栓
类型
JG/T 160-2017标
准要求
变幅往复剪切荷载性能试验
结果
非开裂混
凝土上剪
切基准试
验抗剪承
载力平均
值/kN
承载
力下
降百
分比
/%
模扩
底锚
栓
Ⅰ级指标
钢材破坏
VRu,s≥31.0kN
νN≤0.15
δm≤7.0mm
破坏形式：锚栓钢材破坏
剩余抗剪承载力
VRu,s=42.1kN, 42.7kN,
43.0kN, 42.4kN, 42.9kN
变异系数νV=0.01
第50次循环上限时锚栓位
移δm=1.8mm
43.32
特殊
倒锥
形化
学锚
栓
Ⅰ级指标
钢材破坏
VRu,s≥57.8kN
νN≤0.15
δm≤7.0mm
破坏形式：锚栓钢材破坏
剩余抗剪承载力
VRu,s=76.5kN, 78.2kN,
77.4kN, 79.6kN, 78.7kN
变异系数νV=0.02
第50次循环上限时锚栓位
移δm=1.9mm
79.42
自攻
锚栓
Ⅰ级指标
钢材破坏
VRu,s≥18.0kN
νN≤0.15
δm≤7.0mm
破坏形式：锚栓钢材破坏
剩余抗剪承载力
VRu,s=22.4kN, 22.9kN,
23.2kN, 23.5kN, 23.7kN
变异系数νV=0.02
第50次循环上限时锚栓位
移δm=1.8mm
26.111
2.5 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验方法与结果分析
2.5.1 试验方法
裂缝变幅往复开合拉伸性能试验时，用中等磨损钻头
14
15
后锚固锚栓抗震性能检测技术研究与结果分析
检验与认证
在抗拉强度为（30±5）MPa 的混凝土裂缝上安装锚栓，让裂缝贯穿整个锚栓孔，然后对锚栓施加恒定拉伸荷载Nw1，Nw1荷载按标准中的规定取值。对裂缝两侧混凝土施加一定压力使裂缝初始宽度不大于0.05mm 。控制裂缝进行正弦变幅往复开合，频率为0.1Hz ，裂缝宽度、循环次数及拉伸荷载如表7、图5所示。第45次循环完成后，增加恒定拉伸荷载至Nw2，Nw2荷载按标准中的规定取值。循环过程中连续记录裂缝宽度、锚栓位移和拉伸荷载变化情况，记录第45次循环裂缝宽度0.5mm 时锚栓位移。裂缝循环完成后闭合裂缝锚栓卸载，扩展裂缝宽度为0.8mm 时对锚栓进行剩余承载力检测。
表7 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验荷载、
循环次数及裂缝宽度
拉伸荷载循环次数
裂缝宽度∆ω/mm
Nw1200.1Nw1100.2Nw150.3Nw150.4Nw150.5Nw150.6Nw150.7Nw150.8总计
60
-
图5 裂缝变幅往复开合拉伸性能裂缝宽度示意图2.5.2 结果分析
裂缝变幅往复开合拉伸性能试验结果如表8所示。经过裂缝变幅往复开合拉伸性能试验后，模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓的剩余承载力平均值与非开裂混凝土上拉伸基准试验抗拉承载力平均值相比分别下降了27%、16%、55%。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅰ级锚固性能指标的技术要求；自攻锚栓的试验结果达到了JG/T 160-2017标准中Ⅱ级锚固性能指标的技术要求。
3 抗震性能专项试验结果汇总与分析
对锚栓抗震性能专项测试的三项试验汇总分析后可以
得知：
1）模扩底锚栓使用机械锁键原理进行锚固锁定，经抗
震专项试验后，拉伸承载力下降分别为25%和27%，剪切承载力下降为2%。从锚栓承载力设计安全出发，模扩底锚栓在地震力作用下的抗拉承载力较低系数可取0.7，剪切承载力可取0.8。
2）特殊倒锥形化学锚栓使用锚固胶和倒锥形螺杆进行锚固锁定，经抗震专项试验后，拉伸承载力下降分别为15%和16%，剪切承载力下降为2%。从锚栓承载力设计安全出发，特殊倒锥形化学锚栓在地震力作用下的抗拉承载力较低系数可取0.8，剪切承载力可取0.8。
3）自攻锚栓使用通过锚栓外壁的齿牙切开混凝土从而与在混凝土上形成的螺纹状开口匹配完成锚固。经抗震专项试验后，拉伸承载力下降分别为54%和55%，剪切承载力下降为11%，承载力下降较大，因此建议自攻锚栓在地震作用下锚固承载力降低系数取较小值。
4 结论与建议
4.1 抗震性能专项试验结论
JG/T 160-2017中定义的S 类抗震锚栓必须通过抗震性能专项测试。本文依据JG/T 160-2017的抗震专项性能试验方法，针对模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓和自攻锚栓分别进行了抗震性能专项试验。本文选用的模扩底锚栓和特殊倒锥形化学锚栓达到了标准中S 类Ⅰ级的性能指标，
表8 裂缝变幅往复开合拉伸性能试验结果
锚栓类型JG/T 160-2017标准要求裂缝变幅往复开合拉伸性能试验结果非开裂混
凝土上拉
伸基准试
验抗拉承
载力平均
值/kN
承载
力下
降百
分比
/%
模扩底锚栓
Ⅰ级指标
其他破坏形式
NRu,m ≥20.7kN
νN ≤0.20νβ≤0.40γmin ≥0.70
δm ≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=50.8kN
变异系数νN=0.03
抗拉刚度变异系数νβ=0.03
滑移系数最小值γmin=0.78
第50次循环上限时锚栓位移
δm=2.7mm
69.827
特殊倒锥形化学锚
栓
Ⅰ级指标
其他破坏形式
NRu,m ≥40.8kN
νN ≤0.20νβ≤0.40γmin ≥0.70δm ≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=94.3kN
变异系数νN=0.01
抗拉刚度变异系数νβ=0.02
滑移系数最小值γmin=0.76
第50次循环上限时锚栓位移
δm=2.8mm
112.816
自攻锚栓Ⅱ级指标
其他破坏形式
NRu,m ≥11.2kN νN ≤0.20νβ≤0.40
γmin ≥0.70
δm ≤7.0mm
破坏形式：混凝土锥体破坏
剩余抗拉承载力平均值
NRu,m=15.7kN
变异系数νN=0.03
抗拉刚度变异系数νβ=0.05,
滑移系数最小值γmin=0.82
第50次循环上限时锚栓位移
δm=2.5mm
34.655
（下转第26页）
检验与认证掺膨胀剂混凝土的限制膨胀率及限制干缩率的测定误差研究件的个人误差绝对值平均为0.8×10－3mm，相差6倍，进一
步验证了千分尺法重复性误差小和不同试验员之间的测定
误差也小（见表4）。
结果表明，规范A法测量仪法检测混凝土试件长度的
重复性误差较大，三位检测员平均重复性误差最大差值为
千分尺法的6.5倍，平均差值为千分尺法的4.8倍（见表5）。
表5 不同试验员两种试验方法误差比较
类别方法
最大差值平均差值
甲乙丙甲乙丙
A法测定法（A×10－3mm）18141811.27.510.5
外径千分尺法（M×10－3mm）522 2.7 1.7 1.8
A/M 3.67.09.0 4.1 4.4 5.8
A/M平均 6.5 4.8
4 结语
1）A法测量仪法检测试件长度的重复性误差较大，平均重复性检测误差最大差值为千分尺法的6.5倍，平均差值为千分尺法的4.8倍。
2）A法测量仪操作困难，被测试件重约9kg，测定时搬上仪器，同时要把电子千分表拨上去（以便试件端头放上测量仪），还需一个辅助试验员一起操作。而千分尺法只需一位试验员把被测试件放在操作台上，在试件旁垫上木板，放上外径千分尺就可操作，简单且精度高。
3）测定试件长度时，从初始到各个被测龄期应固定一个试验员，避免人为操作因素引起的测量精度下降，如因特殊原因做不到同一人测量，仍是千分尺法的误差较小。
4）本试验每个试验员只检测了两组6个试件，共测得108个数值，样本数量有限，存在局限性。此外，用外径千分尺测定时相比用规范A法读数麻烦，带来了不便。
5）基于试验结果，建议GB/T 23439-2017附录B掺膨胀剂的混凝土限制膨胀率和收缩率试验方法由现行A法测量法改为外径千分尺法，或增加外径千分尺法，供规范修订时参考。
参考文献
[1]GB/T 23439-2017，混凝土膨胀剂[S].
[2]李锋.贯入法检测砌筑砂浆强度的误差研究[J].工程质量,2001(6):27-29.
表3 第三方试验员测定结果(单位:mm)
A法测量仪法外径千分尺法编号第一次第二次第三次平均值最大差值(×10－3)第一次第二次第三次平均值最大差值(×10－3) 39-1348.809348.822348.809348.81314348.817348.817348.815348.8162 39-2349.126349.138349.120349.12818349.122349.121349.121349.1211 39-3349.221349.233349.221349.22512349.212349.212349.210349.2112 40-1349.165349.166349.166349.16611349.157349.157349.155349.1562 40-2349.835349.841349.839349.8386349.820349.820349.822349.8212 40-3348.983348.983348.981348.9822348.984348.982348.984348.9832平均10.5平均 1.8
注：试验员丙（第三方检测公司试验员），试件制作日期：2020.6.28，测试日期2020.7.12，外径千分尺标准杆读数3.813
A法标准杆读数5004
表4 不同试验员测定同一试件误差比较(单位:mm)
A法测量仪法外径千分尺法编号甲试验员乙试验员绝对误差值(×10－3)甲试验员乙试验员绝对误差值(×10－3) 33-1349.951349.9576348.986348.9851
33-2349.309349.3134349.304349.3040
33-3349.188349.1968349.211349.2121
34-1349.244349.2506349.277349.2761
34-2348.814348.8151348.831348.8301
34-3349.140349.1444349.151349.1501绝对误差值平均×10－3 4.8绝对误差值平均×10－30.8
（上接第15页）
自攻锚栓达到了标准中S类Ⅱ级的性能指标。模扩底锚栓、特殊倒锥形化学锚栓经抗震专项试验后承载力降低较少，地震作用下锚固承载力较低系数可取较大值；自攻锚栓经抗震专项试验后承载力降低较大，地震作用下锚固承载力较低系数宜取较小值。
4.2 地震区工程安全选材的建议
通过抗震性能专项试验的锚栓并不一定是JG/T 160-2017中定义的S类抗震锚栓，S类抗震锚栓需要通过JG/T 160-2017中型式检验的全部项目检测。为保证后锚固锚栓承载力设计安全，工程选材时供方应提供符合国家相关标准要求的型式检验报告。
参考文献
[1]张亚静.中美欧建筑非结构构件抗震设计与后锚固研究[J].武汉：华中科技大学,2018.
[2]JGJ 145-2013，混凝土结构后锚固技术规程[S].
[3]JG/T 160-2017，混凝土用机械锚栓[S].
[4]GB 50367-2013，混凝土结构加固设计规范[S].
26
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