威斯翰（北京）建筑科技有限公司

针对后固定技术探讨性研究总结文件

WESHAN 工程部 赵志赛 编制

2014/08/14

针对后固定技术探讨性研究总结文件

20世纪80年代,后锚固技术第一次引入中国,在人民大会堂内部装修和加固改造中应用,也就是在这一时期,后锚固技术被逐渐广泛应用于对既有建筑物的加固改造工程,并渐渐被工程界认可、熟悉，各类后锚固产品经历了20多年的发展后，仍方兴未艾。相信随着中国大规模建设，越来越多的基础设施、城市建筑需要进行改造或加固，而后锚固技术将发挥越来越大的作用。

一、锚栓产品在欧美国家和我国的现状对比

（1）欧美国家锚栓产品的现状

欧洲和美国目前都有完善的锚栓产品标准，这些标准会随着锚栓技术的发展不断修订和更新，通过分析其最新版本，就可以对国外锚栓产品的现状有一个清楚的认识。

欧洲的锚栓产品标准为ETAG001《混凝土用金属锚栓》，该标准由（EOTA）颁布，包含6个部分和3个附件。同时欧洲技术认证组织还颁布了一系列技术报告（Technicai Report）作为其支持文件。ETAG 001和相关的技术报告也是欧洲技术认证（ETA）依据的标准。

美国的锚栓产品标准由美国混凝土协会（ACI）或者美国国际规范协会（ICC）颁布，两者的标准是一致的。美国混凝土协会的标准为ACI355.2《混凝土用后置机械锚栓的判定》 和ACI355.4《混凝土用机械锚栓的检验标准》 。美国国际规范协会的标准为AC193《混凝土用机械锚栓的检验标准》和AC308《混凝土用后置粘结锚栓的检验标准》。AC193和AC308也是国际规范协会评估认证（ICC-ES）依据的标准。

从这些标准中可以看出目前欧洲和美国技术认证含盖的产品类型，包括：

——扭矩控制式膨胀锚栓

——位移控制式膨胀锚栓

——扩底型锚栓

——粘结锚栓

——扭矩控制式粘结锚栓

——植筋

欧洲标准中并未针对构件类型（结构构件或非结构构件）以及抗震要求指定专门适用的锚栓类型，一般来说，只要通过特定的认证测试，各种锚栓都能用于相关场合。

（2）国内规范中涉及的锚栓产品

现有的国内规范在编制过程中都参考了ETAG和ACI标准，所以国内规范中涉及的锚栓产品和要求与欧美规范是类似的。但是与欧美相比，国内的锚栓产品标准尚不完整，体系上也不是很统一。

除了膨胀型和扩底型锚栓有专门的产品标准《混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓》JG160-2004外，特殊倒锥形化学锚栓只在国家标准《工程结构加固材料应用安全性鉴定规范》GB50728-2012相关章节中有简单涉及，而普通化学锚栓迄今为止还没有相关标准。

所以总得来看，国内标准在对产品的要求方面还有待与加强。不仅需要指定专门的化学锚栓产品标准，而且在锚栓的设计标准中应该强调对于产品的要求。

这是因为国内对锚栓所做的研究和试验相对较少，其设计方法直接沿用了ETAG和ACI标准中的方法，只在部分系数上有调整；而ETAG和ACI设计方法应用的前提是锚栓必须符合ETAG和ACI标准对于产品的专门要求，这就要求国内也应该有相应的产品标准，并且在锚栓设计中使用到的性能参数，也需要按照产品标准进行相关测试得到。

与欧美规范不同，《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013和《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013都用于特定场合的锚栓种类做出了专门规定。这些规定一方面是考虑采纳欧美标准中的先进技术，例如GB50367针对结构构件的锚固规定了两种能用于开裂混凝土、安全性能高的锚栓：扩底型锚栓和特殊倒锥形化学锚栓。另一方面，这些规定的出台也有国内特定的行业背景，例如GB50367限制膨胀锚栓在结构构件锚固中的使用，是考虑到国内膨胀锚栓的整体水平较低，很多锚栓不仅没有经过专门的设计和测试，而且选材较差，导致承载力低下，离散型也很大。而在欧美以及采用欧美技术标准建造的国内核电站中，经过专门认证测试的锚栓不仅允许使用，而且是主流的应用产品。

由于膨胀型锚栓受到限制，而扩底型锚栓的制造和安装的要求又较高，在国内的锚栓市场上，普通化学锚栓成了主流产品。这种现状是令人担忧的，一方面，迄今为止国内没有普通化学锚栓的产品标准，也没有相应的设计规范；而企业提供的承载力数据很多都没有经过严格测试，计算方法也很粗糙，甚至有只验算单个锚栓承载力、不考虑边间距等折减因素的情况；另一方面，由于耐久性以及高温性能的要求，化学锚栓的选材和生产工艺的制作水平以及安装工人的质量控制水平距这些要求还有相当大的差距。

从这一点来说，不仅需要完善国内的化学锚栓相关标准，也需要在深入研究的基础上适当扩大其他类型锚栓的应用范围。

二、植筋胶

植筋胶目前还没有统一的产品标准，虽然经历了20多年的发展，市场仍然比较混乱。

植筋胶的研发是广大化学工程师与结构工程师通力合作的结果，单纯依靠化学工程师在实验室内调配方，不可能生产出最适合的产品。目前建筑结构胶有待解决的两大难题是耐候性问题和耐久性问题。

耐火、耐候性是指结构胶在高温、高湿、酸碱气体、海水等各种不利环境下能否保证其强度、韧性等物理化学性能。

耐久性包括两个方面，一个方面要耐老化，即胶体本身不能老化，变脆变软；另一方面要求耐长期荷载，不能出现过大蠕变。目前，胶体的耐老化性能已经有了比较成熟的检测方法，即《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013中规定的90d湿热老化性能。

三、锚栓的试验研究

（1）开裂混凝土中锚栓的承载性能试验

在建筑结构中，作为锚固基材的混凝土很多情况下处于开裂的状态。

根据ETAG和ACI以及JGJ145-2013的规定，所有的混凝土受拉区都被判定为开裂区。如果考虑地震作用的话，开裂的情况更加普遍和复杂。

大量研究实验都证明：锚栓在非开裂和开裂混凝土中的承载性能存在很大差异，只有在开裂混凝土中有着稳定承载性能的锚栓才能用于开裂混凝土。所以，开裂混凝土中的性能测试对锚栓来说不仅相当必要，而且十分重要。

（2）锚栓的抗震性能试验

国内外对后锚固所作的抗震性能试验分为两类。

一类是将地震荷载近似为循环作用的静力荷载，荷载可以施加于单个锚栓，也可以施加于依靠后锚固连接的结构。美国的ACI规范中已经建立了一套标准的抗震测试方法用于判定锚栓的抗震性能，就国内规范而言，JG160-2004的附录F中采用了和ACI355.2中相似的抗震测试方法。而化学锚栓的抗震测试，目前还没有相关标准。

另一类抗震性能试验是利用振动台测试的方法，研究锚栓在多个自由方向的惯性力作用下的动力性能。维也纳BOKU大学2004年进行了三种类型锚栓的振动台测试，包括被普遍认为安全性较高的扩底型锚栓、特殊倒锥形化学锚栓以及套筒型的扭矩控制式膨胀锚栓。试验发现，变形与锚栓地域地震作用的性能之间有相关性：振幅系数保持不变时记录的变形越大，那么破坏发生处的振幅系数就越小。在轴向和垂直方向变形最小而地震抗力最大的就是扩底型锚栓。

（3）锚栓的长期性能试验

国外已经进行了很多化学锚栓的长期性能试验，根据试验结果也建立了完善的标准试验方法和判定标准。考虑到锚栓的实际应用条件，特别是存在承受永久拉力荷载的工况，ACI和ETAG标准中都把长期性能试验列为必做项目。ETAG 001的第5部分中要求进行至少3个月的持续荷载测试。在长期荷载的作用下，锚栓的位移应该趋于稳定，并且根据试验数据外推获得50年后的位移数据。ACI355.4的荷载持续时间要求至少为42天。

国内目前还没有化学锚栓的长期性能试验标准。

（4）锚栓的温度性能试验

该试验仅针对化学锚栓

根据试验研究，化学锚栓的承载性能受到基材环境温度的显著影响，不同种类的锚固胶对于温度变化的敏感程度也有差异。以环氧树脂为例，一般40℃以上就开始软化，粘结强度也开始下降，一般允许其使用的最高短期温度为70℃左右。

在锚栓的实际应用中，经常存在较高的基材温度。例如，由于混凝土的吸热和蓄热，在夏季、炎热地区以及其他一些特殊应用条件下，都有可能是基材温度远高于环境气温，不少情况下会超过50℃。所以有必要通过试验确定锚固胶的温度性能。

ETAG 001的第5部分规定了标准的试验方法：在常温下安装锚栓，在加热室中以20℃/h的速率升温至规定温度后，将试件在该温度下放置24h后进行约束拉拔测试。

国内目前还没有化学锚栓的温度性能试验标准。

（5）锚栓的冻融性能试验

该试验仅针对化学锚栓

为了考察化学锚栓在冻融循环下的性能，国内外标准都要求进行相应的试验。

ETAG 001的第5部分规定的试验条件为

——基材：C60抗冻混凝土

——温度范围：-20~+20℃

——循环次数：50次

——循环周期：24h

——性能要求：循环过程中，位移的增长率趋于零

循环结束后，粘结强度下降不大于10％。

这种试验方法的特点是能够最大程度接近于实际的环境和受力状况，原因如下：

——锚栓安装于混凝土中进行测试

——冻融循环每个周期中的高温和低温时间与昼夜时间一致

——冻融循环过程中施加的是持续荷载

——不仅对冻融后的残余承载力有性能要求，而且还对循环过程中的位移有要求。

国内目前没有化学锚栓的冻融循环性能试验标准

（6）锚栓的耐久性试验

对于机械锚栓来说，耐久性主要指金属的抗腐蚀性能。

一般来说，ETAG和ACI的标准中不要求对锚栓的抗腐蚀性能进行专门的试验，产品认证中规定的马上应用环境是基于一般的研究结果。ETA认证中常用的规定如下：

——电镀锌（一般5μm以内）和热浸镀锌（一般45μm以内）适用于室内干燥环境；

——A4不锈钢适用于室内干燥环境，以及室外大气暴露，以及永久潮湿的室内环境

——高耐腐蚀不锈钢适用于室内干燥环境，以及室外大气暴露，以及永久潮湿的室内环境或其他特定的腐蚀条件

ETAG和ACI标准中针对锚固胶的耐久性检验开发出一种专门的试验方法，就是所谓“切片试验”。该方法能够将实际的锚固试件充分暴露于潮湿和酸碱的环境中，用以模拟实际混凝土中的高碱环境以及典型的酸性环境下锚固胶的老化进程。

目前国内标准中还没有类似的耐久性测试方法

（7）锚栓安装性能的研究

由于后锚固连接是在已经固化的混凝土上通过专门的工具和方法进行安装，安装的质量自然是保证锚栓达到预定性能的一个重要因素。

对于机械锚栓来说，安装时可能面临新旧钻头造成的钻孔直径偏差，安装扭矩的偏差以及安装位移的偏差。具有良好的安装性能的锚栓应该对这些偏差不敏感，承载力的下降在规定范围内。

欧洲和美国已经进行了很多的相关试验，并在ETAG和ACI标准中规定了标准的试验方法和判定标准。就国内来说，JG160-2004也做出了同样的规定。

对于化学锚栓，最主要的影响因素来自于清孔造成的影响。ETAG和ACI标准中对应的试验方法要求在干燥、潮湿和有明水的混凝土中将产品说明书规定操作程序减半进行清孔，承载力的下降分别不高于20％、25％、和25％。

国内标准中目前没有对于化学锚栓安装性能的试验方法。

四、后锚固技术的相关规范

随着后锚固技术的发展，我国建设部组织相关单位、部门编制了不少相关规范，对后锚固、加固工程进行了有效的规范和管理，起到了很好的指导性作用，见下表

后锚固技术相关规范

五、工程应用中存在的问题和发展趋势

从国内外的情况来看，由于研究的水平、规范标准的完善和贯彻程度，工程应用中存在很多问题。其中一些工程问题已经引起关注，也通过系统的研究得到了可应用于实际工程的结果，进而影响了相关规范。不少试验研究来源于这些问题。但是有些问题还未得到解决，有效地解决了这些问题在某种程度上就决定着未来锚栓技术发展的趋势。

以下列举若干由于锚栓制造、设计和安装不当引起的工程事故。

1、美国波士顿隧道顶板坠落事故

2006年7月10日，位于洲际90号隧道的混凝土顶板塌落，砸中一辆小汽车，其中一人死亡，另一人受伤。

下图为事故现场及锚固连接的图片

事故原因：

——混凝土顶板是用普通化学锚栓（螺杆+环氧树脂）固定在隧道顶部（受拉区）

——多数螺杆是裸露的（表面无砂浆），胶体脆且碎，说明胶体混合不均匀。

——发现胶体里面吸附了大量灰尘，说明钻孔后孔洞没有清理干净

2、乌斯特室内游泳池天花板坠落事故

1985年5月9日，一次重大事故发生在瑞士的乌斯特城的一家室内游泳池。悬挂的混凝土顶板塌落，重200t，造成12人死亡，19人受伤。

下图为事故现场图片

事故原因：——悬挂的混凝土顶板由等级为A2（1.4301）的不锈钢挂件固定。在氯化物的作用下，这种不锈钢很容易发生应力腐蚀开裂。

在涉及安全性的场合，国内使用最多的是化学锚栓。

关于化学锚栓还存在以下典型问题：

——过分重视胶的粘结强度，特别是短期粘结强度。 锚固胶的粘结强度只是其性能之一，事实上对于锚栓，由于受到混凝土锥体破坏以及混合破坏形式的制约，在很多边间距较小的场合，粘结强度无法充分利用。对于植筋来说，这一点更明显，由于植筋的边距很小，一般是劈裂破坏起控制作用。相对而言，在保持足够粘结强度的前提下，更应该重视锚固胶的耐久性和温度性能，这也是将来有机锚固胶发展的重要趋势之一。

参考文献：

《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013

《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013

《混凝土结构用扩底型、膨胀型锚栓》JGJ160-2004

《建筑物改造加固工程设计与施工》

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