浅谈既有建筑鉴定与改造加固

植筋与锚栓

王锁军

奥福科技有限公司

一

植筋的基本要求

混凝土加固离不开植筋，对设计和施工要求都很高，值得单独说下。

《混凝土结构加固设计规范GB50367-2013》的植筋锚固是针对钢筋植筋锚固于符合要求的混凝土基材而言的，如果植在混凝土标号太低或比如破碎混凝土上、素混凝土上是不能按此规范执行，得想其它办法。悬臂构件植筋混凝土基材不得低于C25,一般构件不得低于C20。混凝土植筋处有局部缺陷时必须修复后进行或采取其它措施。

植筋要注意不要植在地震时发生塑性胶区域和受拉严重区域，应植在受压区和不开裂区域。

植筋采用的结构胶有专门的要求，比如钢筋植筋大于22mm时采用A级结构胶。什么是结构胶、结构胶什么材料组成的、性能如何？关于材料这块，我们单独论述。采用结构胶的环境温度不能长期大于60度。一般民用建筑是没有问题的，但对于热厂房等工业建筑，就要慎重选择了。

二

植筋锚固长度的计算

植筋和新浇筑钢筋混凝土构件不同，只能是直的，不能带弯折等机械锚固，其粘结方法是预钻孔灌结构胶，为了保证粘结力，只能采用螺纹钢筋或螺杆。其锚固深度需要计算确定。

为了给读者一个直观概念，我们以一根Φ25钢筋、混凝土强度等级C30在事先钻好的直孔中通过结构胶的粘接实现抗拔力的，而锚栓一般是首先利用锚栓群固定钢板，钢板再与钢构件焊接。锚栓是在工厂加工制作的组件，先用成套的设备在混凝土基材上予钻孔，再放入锚栓，通过锚栓的构造完成自扩底、模扩底、胶粘模扩底、特殊倒锥形胶粘型等锚栓实现其锚固力的。

这里的胶粘锚栓也就是过去俗称的化学锚栓，但锚栓的用胶是产品提供的成套产品，包括施工钻孔机具、拉紧设备、施工工序、操作规程都是配套的。

要想确定锚栓承受的荷载首先要通过锚板的锚栓群受力特点计算出每个锚栓的拉力、剪力，《混凝土加固技术规范》附录F和《混凝土结构后锚固技术规程》都给出了计算方法，这个计算方法和钢结构地脚螺栓受力的计算原理类似，不再赘述。

知道了单个螺栓的拉力和剪力，就可以验算锚栓的承载力了，锚栓的承载力能力如下：

计算锚栓的承载力有两个层面，一是锚栓杆本身的承载能力，二是锚栓与混凝土的锚固破坏。很多构件都是两个层面考虑其承载力的，比如桩，一是桩本身的承载能力，二是桩与土之间作用的承载能力，都是分别计算取较低者。

首先计算锚栓螺杆自身强度。应按单独受拉、受剪和拉剪三种情况单独计算。受拉的承载力计算如下：

锚栓的设计强度：

锚栓受拉剪的计算公式，可以按下面的计算方法：

也可按下面的公式：

其中σ为拉力算出的锚栓正应力，τ为剪力计算出的锚栓剪应力。

我们以一个4根M14锚栓的锚板为例继续计算。

锚栓的埋入深度都是产品的固定参数，我们暂时不管。

一根M16锚栓螺杆的抗拉承载力为：

杠臂示意图如下：

一般情况下，后埋板都会紧贴在混凝土表面，不会有如图中那样的悬空段，如果因为有松软的材料夹在混凝土结构和埋板之间，就是所谓的土中的杠臂。

我们假设埋板与混凝土结构面间有20厚的砂浆面层，则抗剪承载力为：

这个抗剪能力太小了，换句话说，对于有杠臂的锚板，几乎丧失了抗剪能力。但抗剪能力丧失了，并不一定意味着破坏，因为锚栓因较大的变形，转变成了抗拉和抗弯，构件不至于塌落下来。因为较大的切向变形，可能会导致构件支座的假定条件发生变化，而产生巨大的内力重分布，造成不符合设计要求。

大家仔细看下图,即使锚板紧贴于混凝土表面，从理论上仍然有杠臂，即埋板厚度的一半与0.5d之和，本例是15mm。

我们按15mm计算下其抗剪能力：

这个抗剪能力还是非常小，不符合实际情况。因为此时的锚板不会发生如下图中的变形。

《混凝土结构后锚固技术规程JGJ145-2013》中，对此进行了规定，避免了这种情况。

这里明确提出了锚板与混凝土之间的垫层强度不能太低。比如面层砂浆，装饰的木板更不行，所以实际工程中一定要求，清楚面层到混凝土表面，能利用其之间的摩擦力将是设计的安全储备。

我们现在说锚固锚栓的混凝土基材的承载能力。

混凝土基材的破坏形式分三种：

混凝土呈锥形块体被拉劈破坏。

混凝土边缘呈楔形体被剪脱的破坏：

拉、剪组合作用的破坏，读者可以想象上面两个图形组合在一起的样子。还有其它的破坏形式，比如剪撬破坏，因锚孔过紧的劈裂破坏等难于计算，应通过构造形式避免。

锚栓一般是一群，如果这些锚栓之间的距离最够远，且边锚栓距离混凝土构件边界足够远，我们就可以不考虑锚栓之间的互相影响，按单个锚栓的承载力之和来计算。但是如果这些距离比较近，就要考虑锚栓之间的互相影响进行计算，但必须限制其间距即边距不能小于多少。

上图中的

是任何时候都不能小于的限值。而

则是当大于这个数值时，计算可以不考虑群锚之间的相互作用按单个锚栓承载力之和，否则计算时要考虑锚栓之间的相互作用。

我们顺便把锚栓的构造要求一块说下。

锚栓都是工厂制作生产的定型产品，其锚固深度也是按期直径确定了的，一般产品都会符合这个长度要求的。但任何时候都要按上述的抗震埋深要求进行下复核。

以下简述锚栓混凝土基材的抗拔承载力计算，比较复杂，请大家耐心些。看懂这个计算过程就够了，要求高的，应按规范公式手算一遍加深印象。实际工作中不可能都去手算，一般应该由专业厂家提供专用程序计算的计算书，但工程师应该了解计算原理，以便进行审核。有经验的工程师也可在满足构造要求的情况下，估算承载力并有较大的设计储备。

仍以上面的例子进行计算：

如何算：

我们按锚栓边距和间距符合不考虑互相影响的构造进行计算(锚栓边距150，间距300）：

显然混凝土基材的抗拔承载力比锚栓本身承载力73KN低一倍还多。

当锚栓的间距较小，即介于互不影响和最下间距之间时，应该考虑锚栓互相影响，这个计算更复杂，受拉承载力肯定小于32KN,有兴趣得可以试算下。

我们现在看下混凝土基材的受剪承载力计算。

如果按满足锚栓之间不影响时，这个比值为4

=4×1.08=4.32;=8514×4.32=37KN。

按螺栓自身的抗剪计算承载力为41KN，两者接近。本例是按锚栓边距150计算的，若边距大于该数或锚栓群距边缘很大时，不会发生混凝土的剪切破坏，而是锚栓自身的抗剪破坏。

当边距较小，锚栓之间的距离较小时，其抗剪能力一定小于上述的计算，此时很可能发生混凝土的剪切劈裂破坏。比如下面的图：

这个计算起来非常的复杂，实际工程中一定要慎重。

有一本专门的《混凝土结构后锚固技术规程JGJ145-2013》，其锚栓的计算方法非常复杂，其编写逻辑是，当锚栓的边距和间距如何如何时，其计算方法是什么，计算公式和众多的参数有关，多的工程师完全无法掌握甚至仅仅理解其意义也不可能，似乎是专门给软件准备的，但是这个和一般的公式不一样，它是当锚栓的边距和间距如何如何时，受力情况如何如何时，采用那个公式计算，需要工程师和软件输入参数互动，而这个几乎工程师难以做到，所以这本规范的计算公式几乎是个炫技的规范。

地震作用下，锚栓的承载力应该乘以一个降低系数：

四

非常重要的锚栓锚固和植筋总结

工程师如何概念简单又保证安全的应用锚栓技术呢？结合和植筋的区别，我们总结如下，非常重要：

植筋技术可以根据计算要求确定其锚固深度，如果符合了规范的植筋间距、深度、孔径等要求，基本可以做到锚固强度达到钢筋的设计值，而且植筋只能用于抗拉。

锚栓是成品，其锚固深度有限，所以其抗拉、抗剪强度取决于混凝土破坏和锚栓破坏两者的较小值。锚栓一般用于固定后锚板用的，所以不可用于锚栓与钢筋焊接的混凝土构件的用途。

锚栓群用于完全抗拉时，比如吊柱、拉杆、受拉支撑等，决定其抗拉能力的其实是混凝土的抗拉破坏，因混凝土的抗拉远远小于锚栓本身的抗拉，所以这种方案不好，此时应该采用植入螺杆固定锚板的方式。

锚栓的混凝土抗剪能力在其构造符合锚栓不互相影响要求的情况下是足够大的，有时甚至大于锚栓自身的强度，所以可以充分发会锚栓的抗剪能力，但要注意其构造要求满足要求。

对于不满足互不影响的构造要求时，需要采用复杂计算公式计算时，手算非常困难，软件计算也要慎重。很多时候是厂家用其开发的专门软件进行计算，工程师在审核时要慎重。建议避免采用这种复杂的计算方式，可以用增加锚栓数量解决。

锚栓锚板一般用于夹层简支钢梁、增设牛腿等锚板，此时锚栓主要受到剪力的作用，弯矩很小，发挥锚栓的强项。也可以用于弯矩很小的铰接柱的锚板固定，因为弯矩很小，锚板抗压没有问题。不可用于弯矩很大的抗震框架梁、柱、拉力很大的支撑构件等。

2022年5 月11日

参考文献：

混凝土结构加固技术规范GB50357-2013《混凝土结构后锚固技术规程JGJ145-2013》