工程师们在做锚固件方案设计的时候,一般都要考虑混凝土锚固件抗剪作用。如果锚固件强度、刚度都足够强,我们是不是就可以高枕无忧了呢?恐怕不是。
一、混凝土锚固剪翘破坏受力机制
图1 混凝土锚固受剪
图1展示的是一个锚钉在剪力荷载情况下的受力机制。
从图上可以看出来,随着剪力V的增大,锚钉右侧与混凝土接触区域的混凝土压应力不断增加。如果锚钉混凝土边距足够大,当剪力V增加到一定程度,该区域的混凝土会逐渐被压碎。
与此同时,由于右侧上部混凝土被压碎失效,那么锚杆右侧上部会变成一个微小的力臂结构,其右侧因为混凝土失效而失去约束,剪力V作用在这个悬臂结构上,导致锚杆上部向右产生位移,并使锚杆有被拔出的趋势,在锚杆内部沿轴向形成拉力N。
由于力臂结构下侧(预埋到混凝土部分)为固定端而另一侧(上部)为自由端,在锚杆产生右侧位移的同时,锚板会发生扭转,直接导致锚板左侧脱离混凝土表面,而锚板的右侧与混凝土表面发生挤压作用,并在锚板右侧产生反作用力C。
局部混凝土失效也会直接导致该区域混凝土给予锚钉的反力Vb随着剪力V增加而逐渐下移。当锚杆所受拉力N超过锚头所能激活的混凝土锚固力时,就会发生所谓的“混凝土剪翘破坏”,如图2所示。
图2 锚固件受剪机制
相关学者研究发现,在混凝土试验中,剪力V作用下发生混凝土剪翘破坏时锚杆内力N约等于剪力V的35%,而通过有限元模拟分析发现,这个比例约为40%,且发生混凝土剪翘破坏的混凝土破坏面面积约为同等埋深情况下受拉混凝土椎体破坏面积的60%——70%。
从图2可以看出来,混凝土破坏面的基本轮廓是:由于锚板和混凝土表面的挤压力C,破坏面首先从锚板与混凝土表面挤压处起步,一路延伸至锚头右侧,另一边从锚头左侧起步,向图2的西北角扩展,并且这一面的混凝土破坏面角度较为平缓。
二、如何估算混凝土剪翘破坏承载力?
前面我们说,剪力V作用下发生混凝土剪翘破坏时锚杆内力N约等于剪力V的35%,而这个内力N直接导致了混凝土破坏,也就是说N与混凝土破坏面面积直接相关。
混凝土锚固件受拉导致的椎体破坏力与混凝土破坏面面积正相关。
这里的剪翘破坏也是类似道理,剪力V在锚杆内部产生的拉力N激活的混凝土锚固力是发生混凝土剪翘破坏的根本原因,而如上所述发生混凝土剪翘破坏的混凝土破坏面面积约为同等埋深情况下受拉混凝土椎体破坏面积的60%——70%,即发生混凝土剪翘破坏时的N也是同等埋深情况下受拉承载力Nc的60%——70%。
把上述文字描述转换成公式就是:
V=N/0.35=(0.6——0.7)×Nc/0.35=(1.7——2.0)×Nc
因此我们分析得出的结论是:
混凝土剪翘破坏承载力是同等埋深条件下椎体破坏的1.7——2倍。
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