JGT 160《混凝土用机械锚栓》的性能试验和评定.docx
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JGT160《混凝土用机械锚栓》的性能试验和评定
机械锚栓作为一种常用的建筑配件主要用于钢结构构件与混凝土结构构件的连接，混凝土结构中钢板的加固固定连接，减、隔震设备与混凝土构件的连接等；也大量用于机电设备等非结构构件的底座或支架与混凝土主体结构等的固定连接。
锚栓是一种非标准件产品，它没有统一的尺寸、材料和工艺要求，不同类型锚栓有不同的锚固作用机理，同一款锚栓在不同条件的混凝土上使用也会表现出不同的承载能力。
这些特点决定了锚栓产品很难直接用自身的某些特定的物理参数如直径、埋深等进行质量评定。
另一方面，由于社会上对锚栓产品的认知不足，国内生产企业通常只是简单模仿国外产品的式样、缺少自主产品研发投入，忽略对产品性能的改进，造成了国产锚栓产品的总体质量不高。
锚栓由于自身的产品质量问题和不当的使用方法引起过不少工程事故。
如2018年5月6日，江苏常熟发生了一起严重的管道坠落事故，导致3人死亡；2019年1月10日，河南郑州某地下车库暖气管道发生坠落，18辆汽车被砸，造成重大经济损失。
这些事故的原因可归结为：
用于固定管道支架的锚栓缺少安装扭矩说明或未按照说明书给定的扭矩安装，承载力检测只有非开裂混凝土条件下单锚抗拉破坏平均值，产品手册缺少锚栓锚固性能的影响参数信息（如边距、间距、混凝土强度等级等）。
这与20世纪70年代锚栓刚在德国使用时发生的一系列工程事故原因有很多相似之处。
所以，我国锚栓产品质量控制的规范化势在必行。
近些年，随着国际上对锚栓产品性能研究的不断深入，对锚栓的安全性能试验和评定也更加系统。
随着国外同类产品质量控制经验的丰富和我国近年工程应用的实际需求，我国在2017年更新出版了行业产品标准JG/T160—2017《混凝土用机械锚栓》。
它与国外同类标准在试验方法上更加接近，为进行机械锚栓综合能力试验提供了很好的依据，也为锚栓的研发提供了指导方向，可以为机械锚栓正确设计和使用提供充分的产品安全保障。
01
混凝土结构锚固技术标准的发展过程
我国混凝土结构工程技术标准中最早提到锚栓应用的是1990年由中国工程建设标准化协会颁布的CECS25∶90《混凝土结构加固技术规范》。
这本标准中提到了新、旧混凝土连接或外包角钢与原混凝土结构的连接时要采用锚栓连接，它也是国家标准GB50367《混凝土结构加固设计规范》的前身。
最早出现的锚栓产品标准是2004年颁布的行业标准JG/T160—2004《混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓》。
该标准参考了当时欧美最新的关于锚栓产品质量的标准内容，提出了机械锚栓的性能试验要求和方法，特别提到了机械锚栓的抗震性能试验要求和试验方法。
但该标准颁布后的执行力很弱，一是因为生产企业和用户对产品质量的认知不足、对标准重视度不够；另外也是因为检验机构的检验设备落后，检测人员对鉴定标准的认知或执行力不够，提供不了能反映锚栓实际性能信息的报告。
随着我国工程建设特别是混凝土结构工程建设在近20年的显著发展，混凝土结构后锚固技术的应用，特别是在加固行业中的应用越来越普及，相应的标准也得到逐步发展。
2006年颁布的国家标准GB50367—2006《混凝土结构加固设计规范》中对锚栓技术独立成章，2013年修订版GB50367—2013《混凝土结构加固设计规范》又作了进一步更新。
同年，住建部颁布了行业标准JGJ145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》。
这两本标准中关于机械锚栓的产品选型都强调了扩底（切底）锚栓适用于结构构件连接，而膨胀锚栓不适用于结构连接。
对于机械锚栓的产品质量要求都直接指向了行业产品标准JG/T160[4]。
2012年，住建部为规范建筑工程用机械锚栓和钻头的使用，还颁布了一部产品标准——JG/T367—2012《建筑工程用切（扩）底机械锚栓及后切（扩）底钻头》，因与JG/T160—2004在产品标准上相同，故一并与JG/T160讨论。
近年来随着国际上特别是欧洲对锚栓研究和认知的不断深入，对锚栓的试验在不断完善提高。
欧洲技术认证组织EOTA在2013年增加了对金属锚栓的抗震试验要求。
考虑到我国的国情，2014年住建部批准启动对JG/T160的修订工作，并于2017年12月颁布了JG/T160—2017《混凝土用机械锚栓》。
02
JG/T160—2017的主要变化及其意义
JG/T160—2017相对于JG/T160—2004的内容作了较大调整。
首先，JG/T160—2017增加了锚栓划分方式。
JG/T160—2004和既有设计标准对机械锚栓的划分基于锚栓的锚固方式，主要分为扩底型锚栓和膨胀型锚栓。
JG/T160—2017不仅增加了近些年新出现的机械锚栓类型——自攻锚栓，还以适用条件为导向将锚栓划分为适用于非开裂混凝土（N）、适用于开裂及非开裂混凝土（C）和适用于开裂、非开裂混凝土并承受地震作用（S）三类。
原标准的锚栓种类的划分虽然表面上与欧美标准的划分一致，但对相应的国内设计标准中关于锚栓选用的规定容易引起误解，造成锚栓选择时仅按扩底或膨胀划分。
如设计标准通常只允许切底锚栓用于结构构件的连接，令人误以为只要是切底锚栓即可用于结构连接。
而忽略实际上JG/T160—2004中还有抗震设防区应用的锚栓尚应进行抗震性能适用检测的规定，造成国内市场上大量冠以“切底锚栓”的劣质形似切底锚栓的锚栓出现。
JG/T160—2017在保留锚栓按照锚固方式的分类的同时更加强调了锚栓按适用性划分的原则，以锚栓按适用性的划分为导向提出了相应的试验方法和性能要求；以性能表现作为锚栓的分类依据并强调锚栓适用性能在锚栓选型中的重要性，进而淡化锚栓产品种类名称在决定其应用的作用。
这一改动也为将来设计标准的修订提供指导方向，即基于实际非开裂、开裂和抗震的应用要求选择相适宜的锚栓产品，而非仅仅根据锚栓名称选取锚栓产品。
否则就不能有效保障混凝土结构锚固的安全性。
这种变化将提醒使用者重视锚栓的适用性对结构安全的重要性，鼓励生产厂商专注产品研发，开发具有更广泛适用性的锚栓而非形式上的切底锚栓，这对促进提高产品的整体质量和结构工程安全性具有指导意义。
其次，JG/T160—2017对锚栓锚固性能的试验和要求更加完善和系统，根据适用条件，规定了从非开裂混凝土上常规应用的基本抗拉、抗剪性能试验、模拟潜在施工误差的混凝土适应性、极限安装扭矩试验，到开裂混凝土上常规应用的抗拉、抗剪性能试验、开裂混凝土上锚栓应用过程中会遇到的动态裂缝试验，最后再到抗震条件下的专项试验和针对不同锚栓锚固特性的专项性能试验。
这样一整套系统试验内容尽可能真实地模拟了不同种类锚栓在不同的实际应用中可能遇见的最不利情况。
同时，根据适用条件的扩展，由简入繁逐步增加试验内容。
只有完成规定的系列试验并满足相应性能指标后才可以评定为适用于某种条件的锚栓，改变了过去仅凭一两项专项试验结果就直接片面地表述锚栓性能和应用的情况，保证了锚栓性能测评的系统性和合理性。
JG/T160—2017还参照国外同类标准并考虑国内实际情况在产品分级评定上进行了性能指标的细化分级，每类锚栓细分为I、II两个等级，改变了传统的单一指标评定产品合格或不合格的划分方式；既保障不同能力的生产企业量力而行生产的产品可以达到一定的合格水平，同时也鼓励企业加大技术投入，推动产品升级进步。
第三，JG/T160—2017对锚栓锚固性能的评定分别按照锚栓的钢材破坏形式和锚栓的其他破坏形式即混凝土锥体破坏或拔出破坏等提出不同的性能评定指标。
拉伸性能指标中除保留了JG/T160—2004的拉伸承载力变异系数和锚栓滑移系数的规定外，新增加了对其他破坏形式下的锚栓抗拉刚度变异系数的规定。
抗拉刚度是锚栓受到的轴向拉力与产生的轴向位移之间关系的表征，该规定要求同型号锚栓的锚固刚度差异性应在一定的范围之内。
图1给出了5根M12锚栓和M16锚栓拉拔试验得到的拉力-位移关系曲线，两种锚栓发生的破坏形式均为非钢材破坏的其他破坏形式。
从图1a的关系曲线上可以看到：
单根锚栓在试验初始阶段的拉力-位移曲线几乎重合，甚至在每条曲线的30%最大拉力对应的位移均不超过0.4mm，说明该锚栓抗拉刚度均匀。
而从图1b曲线上可以明显看出：
5根锚栓的抗拉刚度各不相同，通过计算得到的这组锚栓的刚度变异系数达到0.65。
这组锚栓虽然承载力大小和承载力的离散率均合格，如果按JG/T160—2004评判应属于合格产品，但是按照JG/T160—2017的规定，因为锚栓的刚度离散过大，属于不合格产品。
这个规定的现实意义在于：
当采用群锚锚固时，多根同型号锚栓需要共同工作，不仅锚栓个体之间的极限承载能力应该相近，而且也要求每根锚栓在承受荷载时的抗拉刚度基本一致，这样才能保证设计过程中进行群锚内力计算时可以按照等刚度均匀受力假定进行内力分析。
这对群锚的设计计算和锚栓能提供的实际承载力具有重要现实意义。
a—某M12锚栓拉拔试验；b—某M16锚栓拉拔试验。
图1金属锚栓在拉力作用下的刚度离散性
Fig.1Scatterofmetalanchorstiffnessundertension
第四，JG/T160—2017增加了极限安装扭矩性能要求和试验方法并修改了抗震性能要求和抗震性能专项试验方法。
极限安装扭矩性能要求和试验旨在判断施工过程中施加的安装扭矩多大后对锚栓承载力性能的影响。
目前我国市场上大部分国产锚栓并没有给出明确的安装扭矩值，或随意指定安装扭矩但未经极限安装扭矩性能试验检验，或安装工人并未按照产品手册规定设定扭矩扳手的安装扭矩力值，这会造成有些锚栓可能会因为安装扭矩过大导致锚杆屈服甚至破坏。
另外，JG/T160—2017对抗震性能测试的条件提出了更高和更复杂的要求。
JG/T160—2004规定的单纯地对锚栓进行0.5mm开裂混凝土条件下的低周反复荷载作用试验不能完全模拟地震作用下锚栓的真实受力状况。
近些年对锚栓锚固抗震性能的研究表明：
混凝土基材在地震作用下裂缝宽度取值及裂缝宽度的变化对锚栓抗震性能影响很大。
根据JGJ145—2013对锚栓的设计要求，锚栓应该布置在结构构件的塑性铰区以外，评定锚栓抗震性能的基本原则是保证其在钢筋屈服时对应的混凝土裂缝宽度条件下锚栓承载力无明显下降。
如何评定这种状况下混凝土的裂缝宽度至关重要。
混凝土裂缝宽度的影响因素包括构件截面尺寸、配筋直径、配筋率等，当钢筋屈服时，根据不同理论算出的裂缝的最大宽度如图2所示。
由图2可知：
最大裂缝宽度超过0.8mm的工况主要出现在采用非常大直径配筋（φ25）、高在850～1750mm且植筋率通常较低（0.31%～0.63%）的梁中和配大直径筋（φ32）且高配筋率（3.6%）的柱中。
这两种工况在我国的实际工程中出现几率都不高。
典型梁截面在300mm×500mm且常规配筋情况下的最大裂缝宽度通常在0.3～0.8mm。
因此，JG/T160—2017采用0.8mm作为锚栓抗震测试性能评估的最大裂缝宽度更符合实际受力情况。
a—构件截面高度的影响；b—纵向钢筋直径的影响；c—配筋率的影响。
图2不同计算方法得到的不同参数下混凝土构件非塑性铰区在纵筋屈服时的最大裂缝宽度
Fig.2Maximumcrackwidthatlongifudinalreinforcementyieldfortheconcretemembersbeyondplastichingeregioncalculatedaccordingtodifferentmethodsanddifferentparameters
03
JG/T160—2017对机械锚栓锚固性能试验及评估的主要内容
3.1 锚栓种类判定的基本程序
不同适用条件的锚栓应满足不同锚固性能要求，按性能指标的高低又分为I、II两个等级。
适用于非开裂混凝土条件的N类锚栓应完成与N类锚栓相关的所有试验，并根据性能指标判定为NI级、NII级或不合格。
只有满足N类评级的锚栓才有资格申请适用于非开裂或开裂混凝土的C类锚栓，完成C类锚栓的全部相关试验后，再根据性能指标判定为CI级、CII级或不符合C类锚栓（只能作为N类锚栓使用）。
同理，只有满足C类评级的锚栓才可申请适用于非开裂和开裂混凝土并承受地震作用的S类锚栓，通过S类锚栓相关的试验和判定成为SI或SII级锚栓；未能通过的，作为C类锚栓使用。
由此可见，在JG/T160—2017中，锚栓按照适用条件进行类别试验和评定是个由低到高、由简到繁的过程。
在此基础上，又分别对膨胀锚栓、扩底锚栓和自攻锚栓补充了针对各自锚固方式特点的试验要求，做到求同存异，全面覆盖不同锚固类型、不同适用条件的锚栓试验内容，切实保障对不同类锚栓安全性能的完整、真实测评。
而JG/T160—2004中的评定只是基于每个独立试验结果合格与否的评定，相互之间关联性不强。
所以JG/T160—2017既保证了对锚栓性能评定的系统性，同时也避免某些生产厂商仅仅通过一两项性能测试就通过锚栓性能的不良做法。
3.2 新增加的试验方法
JG/T160—2017针对锚栓锚固性能，增加了极限安装扭矩性能试验和锚栓抗震性能专项试验。
除此之外，考虑到近些年工程经验的增加和未来的工程应用前景，JG/T160—2017将自攻锚栓划入机械锚栓范围并规定了针对自攻锚栓特点的相关试验，特别增加了针对其加工工艺特点的氢脆试验。
3.2.1 极限安装扭矩性能试验
其目的在于测评锚栓在安装过程中施加的安装扭矩超过规定值后，锚栓是否还能正常工作。
具体试验方法（图3）是在非开裂高强度混凝土（C60）上将轴力测量仪（穿心压力传感器）和穿心球铰作为被锚固物穿入锚栓。
在螺母上均匀施加安装扭矩直到不小于1.3倍的规定安装扭矩。
通过垫片和球铰的传力作用，传递到轴力测量仪上的压力相当于螺杆受到的拉力。
记录扭矩与螺杆拉力的关系曲线，评估试验过程中锚栓锚杆钢材是否屈服。
如果1.3倍扭矩对应的螺杆拉力没有达到钢材的屈服拉力，且螺母可以正常拧松，则认为锚栓可以提供正常工作。
如果锚杆的钢材受到的拉力达到或超过屈服拉力或者螺母不能正常拧松，则认为锚栓不能正常工作，该性能试验失败。
该试验适用于所有需要使用扭矩扳手进行锚栓和螺母安装的机械锚栓。
图3安装极限扭矩性能试验
Fig.3Performancetestforultimateinstallationtorque
3.2.2 锚栓抗震性能系列试验
JG/T160—2017的锚栓抗震性能试验方法参考了欧洲技术认证组织2013年颁布的ETAG001《混凝土用金属锚栓》附录E《地震作用下金属锚栓的评估》中“C2等级抗震锚栓的性能试验方法”。
该系列试验方法的基本原理如图4所示，它是将锚栓在由地震作用引起的受力状态和裂缝状态的复杂变化环境简化分解为锚栓在裂缝混凝土上受到的静态极限拉伸和剪切、变幅脉动拉伸、变幅往复剪切以及裂缝变幅往复开合下锚栓的拉伸五种工况。
通过对这五种独立工况的分解试验，汇总综合评价锚栓的抗震性能。
其中的静态极限拉伸和极限剪切试验与开裂混凝土上的同类试验相似，唯一的不同是锚栓植入的混凝土裂缝宽度需要扩展到0.8mm，用来模拟基材混凝土裂缝在地震作用下可能会进一步扩展到更不利状态的情况（图5a）。
变幅脉动拉伸荷载性能试验过程中的锚栓拉伸荷载变化和裂缝宽度变化情况如图5a所示，先在稳定的裂缝宽度（0.5mm）下按照加载程序对锚栓逐级增大施加脉动拉伸荷载，完成50次加载循环后再将裂缝宽度进一步扩大到0.8mm并逐级增大脉动拉伸荷载。
完成全部75次荷载循环后维持裂缝宽度在0.8mm进行极限拉伸试验，测量剩余承载力。
试验过程中施加的荷载大小取决于锚栓在0.8mm裂缝条件下的静态极限拉伸试验的破坏形式和锚栓的基本特征，即锚栓的受拉破坏公称截面积、螺杆钢材最小抗拉强度、锚栓有效埋深、混凝土抗压强度实测值和锚栓待评定等级等。
变幅往复剪切荷载性能试验是维持裂缝宽度在0.8mm前提条件下对锚栓逐级增大施加往复剪切荷载直到完成预定的荷载循环次数，如图5b所示。
最后再进行极限剪切试验，测量残余承载力。
试验中施加的剪力大小取决于锚栓的受剪部位公称截面积、螺杆钢材最小抗拉强度和锚栓待评定等级。
裂缝变幅往复开合拉伸性能试验的加载和裂缝变化过程如图5c所示，先对锚栓施加一定的拉力并维持恒定，按照加载程序反复开合锚栓锚固处的混凝土裂缝宽度从0.1mm逐级增大到0.5mm，然后再提升对锚栓的拉力并维持恒定，继续逐级增加对混凝土裂缝开合的宽度直到0.8mm。
完成预定程序后再扩展裂缝宽度到0.8mm进行拉伸试验，测量剩余承载力。
试验中对锚栓施加的拉力的取值依据与前面的变幅脉动拉伸荷载性能试验类似。
a—地震作用下的真实状况；b—静态裂缝条件下的极限拉伸和极限剪切；c—静态裂缝条件下的脉动拉伸和往复剪切；d—动态裂缝条件下的拉伸。
图4地震作用下锚栓的受力和裂缝状态变化的简化组合
Fig.4Conditionsofanchorunderseismiceffectonanchorssimplifiedascombinationsofloadsandcracks
a—变幅脉动拉伸荷载性能试验；b—变幅往复剪切荷载性能试验；c—裂缝变幅往复开合拉伸性能试验。
图5抗震性能专项试验中的裂缝宽度变化及荷载示意
Fig.5Schematicdiagramofvariationsofcrackwidthandloadinspecialtestofseismicperformance
3.2.3 自攻锚栓的氢脆试验
自攻锚栓由于其安装的便利性、安装后的可调节性和被固定物拆换时的易拆卸性近年来在工程中得到了越来越广泛的应用。
它是JG/T160—2017新增的一种锚栓种类。
自攻锚栓的特点是在锚栓安装过程中，通过带刃螺牙实现对混凝土预钻孔孔壁的切削、咬合和嵌固以达到锚栓与混凝土的有效锚固。
专项性能试验包括安装工艺敏感性试验、反复荷载试验和氢脆试验。
而氢脆试验是针对自攻锚栓自身特点的试验。
为了保证自攻锚栓牙刃对混凝土的有效切削作用，加工过程中需要通过加工工艺提高螺杆外层和螺牙的强度和硬度。
但对于强度不小于1000MPa或硬度不小于36HRC的锚栓，会因为加工工艺特点和使用时的潮湿环境而引起的氢脆现象造成锚栓脆断，从而给锚固工程带来安全隐患。
这个试验的目的就是通过在锚栓表面进行快速析氢反应的同时施加恒定荷载来模拟氢脆环境，以检测锚栓对氢脆破坏的敏感性。
为此，需要将锚栓在混凝土的外露部分浸泡在饱和Ca（OH）2溶液内，该溶液可模拟潮湿混凝土孔内环境。
保持100h内溶液的电位差为（-955±10）mV和锚栓上的拉力恒定，完成整个氢脆模拟过程。
如果氢脆模拟完成前任一锚栓发生金属断裂，则证明锚栓氢脆性能不合格。
如果氢脆模拟完成后锚栓未发生金属断裂，则进行拉伸试验，测量锚栓的剩余承载力，进一步判定自攻锚栓对氢脆的敏感性。
3.3 JG/T160—2017对锚栓性能评定指标的划分
欧美标准中关于锚栓的部分试验有时为了确保试验操作可以完成并达到某些试验关系指标，允许降低试验中的某些荷载条件，然后再对降低了的条件影响进行折算和评估，最终发布折算后的锚栓承载力作为设计参数。
JG/T160—2017为了简化评估手段，同时考虑不同适用条件对锚栓品质的要求也不同，按照我国的标准体系，将每种适用条件的锚栓细分为I、II两个等级。
II级锚栓较I级锚栓在发生非钢材破坏时的部分承载力性能指标要求有所降低；而在裂缝往复开合试验、抗震性能的变幅荷载及裂缝变幅试验时，在锚栓上施加的荷载会有所降低。
但降低比例有明确规定，这比欧美标准里的降值试验和复杂的评估方法更加简化和易于评判。
04
标准之间的协调
JG/T160—2017《混凝土用机械锚栓》代替了JG/T160—2004《混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓》和JG/T367—2012《建筑工程用切（扩）底机械锚栓及后切（扩）底钻头》。
成为我国目前唯一现行的混凝土用机械锚栓产品标准，而且囊括了目前市场上所有可见的锚栓种类。
避免了雷同标准共存的现象。
而JG/T160—2017也是其他相关设计和技术应用类标准的直接引用产品标准，这为进一步厘清标准之间的关系创造了条件。
与后置锚栓设计相关的国内标准主要有GB50367—2013《混凝土结构加固设计规范》和JGJ145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》。
两者的区别一方面在于前者是国家标准，后者是行业标准；另一方面适用范围也不一样，前者是针对加固方面的应用，而后者是针对后置锚栓的应用。
两者对机械锚栓的质量要求都指向了JG/T160—2004中的有关规定。
随着JG/T160—2017的执行和JG/T160—2004的废止，JG/T160—2017提出的一些概念和规定与既有设计标准出现了一定程度的不对等衔接。
比如GB50367—2013第16章《锚栓技术》第16.1.5条和第16.1.6条规定抗震设防区结构加固用锚栓“应采用后扩底锚栓”且“其性能应通过JG/T160—2004的低周反复荷载作用的检验”，该规定限定了锚栓种类的选择且只引用了JG/T160—2004中对锚栓抗震性能的个别试验要求，而其本意是强调所选的后扩底锚栓应具有承受地震作用的能力。
JG/T160—2017除了按照锚固方式划分锚栓种类外，更强调的是按照适用性进行分类，该规定应理解为”其性能应满足JG/T160—2017规定的S级锚栓的性能要求“。
类似条文在JGJ145—2013等其他锚栓相关标准中也有待进一步更新、完善，实现标准之间的协调统一。
05
结束语
JG/T160—2017《混凝土用机械锚栓》从试验内容上借鉴了目前欧美标准的最新内容，试验方法上与国际先进方法接轨。
对产品锚固性能的评定指标兼顾了欧美的可降值评估方法和国内传统的合格或不合格评定原则，提出了符合我国国情的分级评定方法。
同时又提出了按锚栓适用条件的分类原则和试验、评估规则。
这些规定更能反映锚栓的实际使用情况和保证锚栓应用的安全性，同时可以避免市场上过分依赖以产品名称选择和使用产品的误区。
该标准的有效执行将会有利于锚栓行业的正确发展和提升锚固工程质量。
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