虽然粘贴钢板加固法在工程上获得了较广泛的应用，但具有施工质量不稳定、易于剥离、界面黏结退化等缺陷. 将加固钢板采用锚栓固定在构件表面，构成了锚栓钢板加固法. Roberts等^[1]较早尝试在配筋不足的简支梁受拉面采用膨胀锚栓固定钢板加固梁的抗弯能力，取得较好的效果. Ahmedt等^[2]发表了在简支梁侧面全长安装锚栓钢板加固梁的弯曲和剪切承载力的研究成果，指出在梁侧面安装的锚栓钢板可以有效地加固梁的弯曲承载力和剪切承载力，基本不损害梁的延性. 最近20年，学术界发表了更多关于锚栓钢板加固混凝土简支梁抗弯承载力和剪切承载力的研究成果^[3-10]、锚栓钢板加固剪力墙混凝土连梁的研究成果^[11-15]以及锚栓钢板增强装配式结构抵抗连续倒塌的研究成果^[16]，证明了锚栓钢板能够有效加固混凝土构件的承载力，改善混凝土结构或构件的抗震性能.

锚栓钢板加固技术有其特殊性. Roberts等^{[1, 3]}较早注意到加固钢板和混凝土之间的变形不协调和锚栓剪断现象. 其后的研究者，包括李英民等^[4-6]都观察到了类似的现象. 事实上，在锚栓钢板加固系统中，锚栓以剪切受力方式带动钢板参与受力，同时锚栓发生剪切变形，钢板本身会变形，钢板与相邻混凝土存在滑移.

为了研究锚栓钢板加固混凝土构件承载力机理，在获得承载力加固效果的同时，能够保证加固梁的延性，避免锚栓剪断现象，本文研究锚栓剪力-剪切变形本构关系.

ETAG 001^[17]、ASTM E488/E488M-15^[18]规定了获得锚栓剪力-剪切变形关系的试验方法，即采用如图1所示的单个锚栓的剪切试验方法. 在单个锚栓的剪切试验中，由于施加的剪力与混凝土对锚栓提供的反力不在一条高度线上，锚栓需要承担由此产生的弯矩作用；同时，加载板会发生转动，导致锚栓承担拉力. 如果剪切力是在加载板尾部以推力方式施加的，由于加载板的转动，水平推力相应抬升，锚栓会承担更大的拉力. 根据Eligehausen等^[19]介绍的情况，采用单个锚栓以推力方式进行剪切试验时，极限状态下的锚栓拉力可能达到剪切力的35%~40%.

在锚栓钢板加固体系中，由于群锚的约束作用，加固钢板平面外的转动可以忽略不计，不存在因加固钢板转动而使锚栓承担拉力的现象. 单个锚栓的剪切试验方法与锚栓钢板加固体系中的锚栓受力状态严重不符，有必要发展其他更符合锚栓钢板加固技术中锚栓受力特点的剪切试验方法.

采用双锚栓剪切试验方案有助于限制加载板的转动，更符合锚栓钢板加固技术中锚栓的实际受力状态. 双锚栓剪切试验的基本思路如图2所示. 采用拉力方案施加剪力，在试验锚栓后方配置一个辅助锚栓，该辅助锚栓的垫板与加载板之间设置2根辊轴，适度拧紧辅助锚栓可以限制加载板转动，但辅助锚栓本身不承担剪力.

双锚栓剪切试验方案可以分为以下2种：1）针对每个剪切试验锚栓配置专用的辅助锚栓，称为DUA-双锚栓试验方案；2）将试验组内的剪切锚栓依序作为前一个试验锚栓的辅助锚栓，这样只需要在试验锚栓组之外增加一个专用辅助锚栓，称为DUB-双锚栓试验方案.

本文的目的是验证双锚栓剪切试验的有效性，并与传统的单独锚栓剪切试验进行有益的比较.

该试验序列共包含M12、M14、M16、M18、M20和M22 6个锚栓规格. 锚栓的锚固深度统一取为8倍锚栓直径. 试验锚栓只在锚栓根部4倍直径范围加工螺纹（半螺纹剪切锚栓），靠近剪切面的4倍锚固长度内无螺纹，以尽量保证锚栓的剪切面积，如图3所示.

试验用锚栓全部采用40Cr材料加工，实测材料的性能指标如表1所示. 由表1可见，各直径规格40Cr材料抗拉强度和条件屈服强度具有较大的离散性.

试验锚栓按不同直径布置在3个混凝土块体上，编号分别为Block-1、Block-2和Block-3. 所有混凝土块体由同一泵车预拌混凝土浇筑，强度设计等级为C30. 混凝土块体平面尺寸为1 300 mm×1 600 mm，厚度为300 mm. 为了排除钢筋对试验锚栓剪切受力性能的影响，方便后期试件吊装、转运，只沿混凝土块体四边上、下表面各布置1根直径为12 mm的螺纹钢筋（HRB400），且将沿试件长边的钢筋伸出作为吊环使用. 为了方便施加锚栓剪切力，在混凝土块体平卧浇筑的上表面附近预埋了平衡螺杆，如图4所示. 在安装试验锚栓前，混凝土块体需要上、下表面翻转，以便将锚栓安装在试件浇筑时的底面.

在浇筑混凝土时，每个混凝土块体预留一组边长为150 mm的立方体试块，并与混凝土试件同条件养护. 在安装锚栓时，混凝土龄期不短于60 d. 锚栓剪切试验时实测各组试块的强度，代表值分别为57.94、60.64和56.65 MPa，因此取平均值58.4 MPa作为混凝土块体的强度代表值.

每个混凝土块体上安装2个规格的锚栓，每个规格的锚栓设计了3个试验组，即单锚栓试验组SIN-、双锚栓试验组DUA-和DUB-，每一试验组内的锚栓数量为5个.

如表2所示为3个混凝土块体上锚栓试验组的分布情况，如图5所示为混凝土块体Block-1的锚栓试验组布置情况. 图中，实心圆点为全螺纹专用辅助锚栓. Block-2上的M16、M18锚栓以及Block-3上的M20、M22锚栓，与Block-1上的M12、M14对应布置相同. 在锚栓试验组的命名方法中，末尾的数字表示锚栓的规格直径，如DUA-14表示M14双锚栓试验组；当需要对组内某锚栓进行描述时，在试验组名称后加上该锚栓的顺序号，如DUA-14-3表示M14双锚栓试验组中的第3个锚栓.

在各混凝土块体上放线确定全部试验锚栓和辅助锚栓位置后，采用钻头直径大于对应锚栓规格直径2 mm的钻头，沿垂直于混凝土块体板面的方向打孔，锚栓孔深度超过锚栓锚固深度约10 mm. 锚栓孔内壁采用毛刷清理，配合压缩空气吹净孔内浮灰. 锚栓锚固用胶为某品牌国产双组份胶，环氧基料与固化剂的质量比为10∶3，抗压强度标准值不低于70 MPa.

单独锚栓剪切试验的加载板为一块厚度为30 mm的钢板，宽度为175 mm，材质为45号优质碳素结构钢. ASTM E488/E488M^[18]针对不同锚栓直径，对加载板前端与混凝土的接触区面积要求作出了规定. 当12 mm≤锚栓直径d< 14 mm时，接触区面积为80~115 cm²；当14 mm≤d< 22 mm时，接触区面积为115~160 cm²；当22 mm≤d< 50 mm时，接触区面积为160~260 cm². 接触区面积定义为锚栓中心线前端的加载板面积. 经计算可知，对于直径为12~14 mm的锚栓，锚栓中心到加载板前端的长度可以取为50 mm；对于直径为16~20 mm的锚栓，锚栓中心到加载板前端的长度可以取为85 mm；对于直径为22 mm的锚栓，锚栓中心到加载板前端的长度可以取为100 mm. 单独锚栓剪切试验加载板上有2个锚栓安装孔，使用不同的安装孔并配合剪力方向的改变，可以满足前述3种不同锚栓直径的剪切试验需求，如图6所示.

双锚栓剪切试验的加载板厚度为30 mm，宽度为175 mm，材质为45号优质碳素结构钢. 试验锚栓中心至加载板前端的距离为50 mm，加载板的总长度为300 mm，如图7所示. 辅助锚栓所在的孔为条形孔，以适应试验锚栓剪切变形的需要. 在进行Block-1块体上锚栓剪切试验的过程中发现，试验锚栓剪断时，加载板前冲会使尾部横梁冲击辅助锚栓，随后切除尾部横梁，使加载板上辅助锚栓所在区域成为开放的U形槽.

不论是单独锚栓剪切试验还是双锚栓剪切试验，按照ETAG 001^[17]的要求，试验锚栓与加载板锚栓孔壁之间放置了钢质衬圈，以便对加载板进行保护. 钢质衬圈材质Q235与加载板之间为公差配合，衬圈内径比试验锚栓直径大2 mm. 每完成一个锚栓的剪切试验，都对衬圈的变形情况进行检查，必要时更换衬圈.

锚栓剪切试验全部采用拉剪的方式施加剪力，加载装置如图8所示，荷载传感器、千斤顶由1根同心的钢质导杆予以定位. 导杆一端搁置在试件表面，另一端搁置在木质支墩上，以承担千斤顶和荷载传感器的重量. 千斤顶的额定负荷能力为300 kN，施加的荷载由荷载传感器进行监控. 千斤顶施加的荷载通过两侧平行布置的拉杆传递至加载板，成为试验锚栓的剪切力. 虽然图8是按照双锚栓剪切试验表达的，但前述加载系统用于单独锚栓的剪切试验，仅加载板不同. 此外，加载板下铺垫一层厚度约为1 mm的聚四氟乙烯板（PTFE），以减小加载板与混凝土块体之间摩擦力对试验结果的影响.

锚栓剪切试验采取单调连续加载方式. 根据ASTME488/E488M-15^[18]的规定，每个锚栓的剪切试验在3 min内完成. 为了便于控制，实测剪力、实测剪切位移在X-Y函数记录仪上实时显示，以控制加载速度.

在进行正式加载前，按照预估剪切承载力的5%进行预加载，以检查试验装置的可靠性，并使试验锚栓与加载板紧密接触.

测试内容包括各级剪力及与之对应的剪切位移. 剪切位移通过在加载板尾部对称布置的2个量程为50 mm的电子百分表采集，取2个百分表读数的平均值代表试验锚栓的剪切位移. 测试了部分辅助锚栓与试验锚栓剪切力对应的拉力.

剪力、剪切位移以及辅助锚栓拉力采用重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室开发的3816N数据系统采集.

剪切试验依次在Block-1~Block-3上展开. 在每个混凝土块体上，先进行较小直径锚栓的剪切试验；同一直径规格的锚栓按照单独锚栓试验组SIN-、双锚栓试验组DUA-和DUB-的顺序进行试验.

除下述锚栓外，其余锚栓全部发生剪断破坏. 由于加载板的遮挡，试验过程中无法观测到混凝土的状况. 在试验结束拆除加载板后，可以观察到锚栓前部混凝土表面的扇形破坏区域，并在锚栓背部混凝土中观察到剪切位移后留下的空洞，如图9所示.

1）由于操作失误，锚栓SIN-12-1未加载至破坏，也未获得有效数据.

2）由于拉杆原因，锚栓DUA-14-1未完成试验；锚栓DUB-14-2由于电源故障未完成试验.

3）锚栓SIN-12-2剪切屈服后，当剪切位移为6.0 mm时，出现较大声响，X-Y函数记录仪显示的实时记录曲线位移突变增大，荷载出现卸载现象，怀疑锚栓剪断；拆除加载板后的检查表明，锚栓未剪断，锚栓前部的表层混凝土有扇形破坏现象. 在随后的其余锚栓剪切试验中，初次声响出现后继续加载，直至锚栓发生剪断破坏.

4）单独锚栓试验组中SIN-22-1由于荷载传感器线路故障，在荷载为200 kN时终止试验；锚栓SIN-22-4和SIN-22-5的螺帽在加载过程中脱落飞出，事后检查发现螺帽内螺纹剪坏，推断是由于加载板偏转使锚栓受到较大拉力所致.

5）鉴于较大直径单独锚栓M20和M22发生剪断破坏时释放的能量对加载系统造成的冲击影响，双锚栓试验组DUA-20、DUA-22以及双锚栓试验组DUB-20和DUB-22的试验不要求锚栓剪断破坏，在剪切位移超过12 mm且发生较大塑性变形后终止试验.

开展第1个试件Block-1上面M12和M14锚栓组剪切试验时，加载板安放辅助锚栓的槽形区域有尾部横梁. 在进行该试件上最后一组锚栓中编号DUB-14-3锚栓试验时，发现锚栓剪断时的冲击作用对辅助锚栓DUB-14-4造成损伤，辅助锚栓前部混凝土出现裂缝，背部混凝土表面遗留刮痕，如图10所示. 进一步倒查已经完成的双锚栓发现，DUA-14锚栓组的全螺纹辅助锚栓背面存在严重的冲击损伤痕迹，并在混凝土表面留下明显刮痕，如图11所示.

受锚栓剪断冲击作用影响的辅助锚栓见表3.

1）M12锚栓对比组. 如图12所示为M12锚栓各试验组的剪力-位移实测曲线. 图中，s为位移，V为剪切力. 由图12可见，SIN-12试验组的剪力-位移实测曲线具有明显的离散性，且初始刚度相对较低. M12双锚栓试验组辅助锚栓的预紧力取值标准处于探索阶段：DUA-12的辅助锚栓在安装荷载传感器后，只是用手拧紧拉杆螺帽，在试验过程中观察到加载板存在轻微转动，剪力-位移实测曲线相较于SIN-12有所改善，但离散性较大；DUB-12前3个锚栓剪切试验时，辅助锚栓沿用了与DUA-12相同的锁紧方式，获得的剪力-位移实测曲线具有较大的离散性；后2个锚栓剪切试验时，对辅助锚栓施加了1.0 kN的预紧力，试验过程中肉眼已不能观察到加载板的转动现象. DUB-12的离散性与组内辅助锚栓受到5.1节所述的冲击损伤有关.

2）M14对比组. 分析M12双锚栓试验组的试验结果可以发现，在试验过程中限制加载板的转动是必要的. 在后续的双锚栓试验中，辅助锚栓拉力通过荷载传感器控制在2.0 kN左右.

如图13所示为M14锚栓各试验组的剪力-位移实测曲线. 可见，单独锚栓试验组SIN-14表现了明显的离散性，初始刚度较低. 双锚栓试验组DUA-14、DUB-14实测剪力-位移曲线的离散性较SIN-14有明显改善，表明对辅助锚栓施加2.0 kN预紧力是有效的. 试验组DUA-14的实测剪力-位移曲线初始刚度低于DUB-14，且具有更大的离散性，与其作为试验组DUA-12辅助锚栓时受到的冲击损伤有关；未受冲击损伤的DUB-14-1、3、5锚栓剪力-位移曲线几乎完全重合，表现了良好的一致性，且初始刚度明显高于受到冲击损伤影响的锚栓DUB-14-4.

3）M16~M22锚栓各对比组. 如图14~17所示为M16~M22锚栓各对比组的剪力-位移实测曲线. 这些剪力-位移实测曲线具有相同的规律，即单独锚栓剪切试验组SIN-的曲线具有较大的离散性，初始刚度较低；双锚栓DUA-和DUB-试验组的曲线基本相同，与单独锚栓试验组SIN-相比，实测数据的离散性显著降低，初始刚度明显提高. 这些现象表明，控制加载板转动是关键，只需要采取一些简单的措施，以大约2.0 kN的预紧力消除辅助锚栓连接部位的接触间隙，就能达到目的.

如图18所示为锚栓DUB-18-3剪切试验过程中，试验锚栓剪力-位移实测曲线和辅助锚栓拉力的发展情况. 受荷载传感器中心孔直径的限制，只测试M12、M14、M16和M18直径规格的辅助锚栓拉力. 所有的辅助锚栓拉力测试结果表现了大致相同的规律，即随着试验锚栓剪切力的增大，辅助锚栓拉力相应增大. 在试验锚栓屈服以后，辅助锚栓拉力基本维持不变或略有下降. 表4列出了各规格辅助锚栓实测拉力的最大值V_max.

如表5所示为各锚栓试验对比组的平均剪切承载力. 表中，V_u，s为锚栓的计算承载力，V₁为单独锚栓试验组的实测平均剪切承载力，V_2，A、V_2，B分别为双锚栓试验组DUA-和DUB-的实测平均剪切承载力，V₂为双锚栓试验组DUA-和DUB-合并计算的实测平均剪切承载力.

当正常完成试验且发生锚栓杆体剪断时，剪切承载力定义为锚栓承担的最大剪力；由于M20、M22锚栓各对比组未加载至锚栓杆体剪断，剪切承载力定义为剪切位移等于12 mm时的剪力，如表5中单独锚栓试验组SIN-22在剪切位移为12 mm时的平均剪切力为155.80 kN.

由表5可见，同一直径规格的锚栓，采用2套双锚栓试验方法获得的实测平均剪切承载力基本相当. 除DUA-12、DUA-16和DUA-20双锚栓试验组外，其余双锚栓试验组的全部锚栓或大多数锚栓都作为辅助锚栓使用过，具有承担拉力的历史. 辅助锚栓承担拉力的历史没有影响剪切承载力的发挥. 比较表4的辅助锚栓实测拉力和表1对应锚栓杆体材料强度确定的抗拉能力可以发现，辅助锚栓拉力与材料抗拉能力的比值不超过6.0%. ACI318^[20]规定，当锚栓承担的拉力小于抗拉能力的20%时，不考虑拉力对剪切承载力的影响，本文试验结果与这一规定是一致的.

由表5可见，V₁/V₂<1，表明单独锚栓剪切试验的承载力低于双锚栓剪切试验的承载力. 造成这一现象的原因，与单独锚栓加载时加载板的转动有关. 加载板转动会在锚栓中引入拉力，并使锚栓承担更大的弯矩，从而降低锚栓的剪切承载力. 在发生锚栓杆体剪断的试验结果中，单独锚栓剪切承载力能够达到双锚栓剪切承载力的90%以上；对双锚栓试验未发生锚栓剪断的M20和M22试验组，与单独锚栓试验结果相比，如图16、17所示，剪力-位移曲线的初始刚度更大，相同位移条件下剪力发展更快，因此当规定剪切位移为12 mm的剪力作为剪切承载力代表值时，V₁/V₂明显更低.

锚栓杆体剪断时的计算承载力可以取为杆体抗拉承载力的0.60倍^[19]，表5列出了各规格锚栓的计算承载力V_u，s. 通过双锚栓试验和发生锚栓剪断的单独锚栓试验获得的剪切承载力实测值都高于计算值，仅M20、M22单独锚栓试验按照位移12 mm确定的剪力低于计算剪切承载力，锚栓杆体剪断的实测剪切承载力平均值分别为183.98和205.82 kN，均高于承载力计算值.

在锚栓钢板加固体系中，锚栓的剪力-位移本构关系会直接影响加固后构件的性能，因此锚栓剪力-位移曲线的一致性越好，则预测的加固承载力准确性越高.

锚栓剪切屈服前的受力变形特征反映了锚栓的剪切刚度，能够直接确定加固钢板在正常使用状态下介入受力的程度，因此研究锚栓剪切屈服前的受力变形曲线具有重要意义.

分析所有锚栓试验组的剪力-位移曲线后发现，采用下式的幂函数能够较好地对锚栓剪切屈服前的剪力-位移曲线进行回归：

(1) ${V} = a{s^b}\leqslant {V_{\rm y}}.$

式中：V为锚栓剪力，s为剪切位移，a、b分别为回归参数，V_y为锚栓屈服剪力.

截取试验数据时，V_y取为锚栓杆体材料受拉屈服强度与锚栓截面积乘积的0.6倍. 表6给出各试验组剪切屈服前按上述幂函数回归的相关统计参数.表中，r、σ分别为回归曲线的相关系数和标准差.

由表6可见，M12锚栓各试验组数据的离散程度大致相当，这是由于双锚栓剪切试验中辅助锚栓预紧的程度不足，导致双锚栓组的加载板存在不能忽视的转动. 在M14~M20锚栓规格中，双锚栓组的回归试验曲线的相关系数明显高于对应的单锚栓试验组，标准差明显低于对应的单锚栓试验组，大约只是单锚栓试验组的一半，表明采取双锚栓试验方法可以明显降低试验曲线的离散性. M22双锚栓试验组的标准差相较于单独锚栓试验组改善不明显，估计与加载板锚栓孔下缘变形有关. 双锚栓试验使用同一个锚栓安装孔，在开展M22双锚栓试验之前，锚栓剪断时对锚栓安装孔下缘造成刮伤，如图19所示. 由于最大直径的M22锚栓使用钢质衬圈是最薄的，施加的剪力最大，安装孔下缘不能稳定地对衬圈提供支承，导致试验曲线的离散性增大.

关于单独锚栓剪力-位移曲线具有更大的离散性问题，可以作出如下解释. 如图20所示，作用于加载板的水平力高于混凝土面，使得加载板会绕前端转动，进而使加载板与锚栓杆体之间出现相对滑动. 这种相对滑动会受到螺帽的阻挡，滑移量随着螺帽与螺杆的吻合度、拧紧程度不同而不同，从而使加载板传递至锚栓侧面水平力的作用点高度h具有随机性，由此产生的附加弯矩也具有随机性. 此外，加载板传递至锚栓的剪力使锚栓受弯，加载板进一步发生转动，并使锚栓受拉. 这种复杂受力状态本身具有随机性，锚栓前部混凝土的破坏进程相应具有随机性，导致单独锚栓剪切试验获得的剪力-位移曲线比双锚栓试验结果具有更大的离散性.

由于辅助锚栓的约束作用，双锚栓试验中加载板的高度位置基本是固定的，因此获得的剪力-位移实测曲线具有更好的一致性.

借助各组锚栓在剪切屈服点前的回归曲线方程，可以作出各试验组锚栓屈服点处的割线刚度. 该割线刚度可以视为锚栓的剪切屈服刚度，如表7所示，相应的曲线图形如图21（a）~（f）所示.

由表7可见，对于正常完成试验的M16~M22锚栓对比组，对应DUB-试验组和DUA-试验组剪切屈服刚度比值为0.94~1.07，即采用不同双锚栓试验方法获得的屈服刚度大致相当. 单独锚栓的屈服刚度明显低于对应双锚栓的试验结果，DUB-试验组与SIN-试验组对应的剪切屈服刚度比值为2.28~4.07. 对于M12试验组，由于DUB-试验组部分辅助锚栓的预紧力高于DUA-试验组的辅助锚栓，使得DUB-组与DUA-的割线刚度存在较大差距；对于M14试验组，由于DUA-14锚栓组作为辅助锚栓使用时受到DUA-12锚栓组剪断时的冲击影响，导致其刚度明显低于DUB-14试验组中有效试验获得的剪切屈服刚度.

（1）在均发生锚栓杆体剪断破坏的前提下，通过单独锚栓试验方法获得的锚栓剪切承载力约为双锚栓剪切试验方法获得承载力的90%，但均不低于按0.6倍抗拉强度确定的计算剪切承载力.

（2）通过单独锚栓剪切试验获得的剪力-位移实测曲线具有明显的离散性；利用双锚栓剪切试验方法，可以显著改善剪力-位移实测曲线的一致性. 在锚栓剪切屈服前，双锚栓剪力-位移实测曲线的标准差可以降低到单独锚栓对应数值的一半左右.

（3）本文提出的2套双锚栓试验方法获得的试验结果是一致的，试验锚栓兼作辅助锚栓承担的拉力不超过杆体抗拉强度的6%，不影响锚栓的剪切性能.

（4）采用双锚栓剪切试验方法时，辅助锚栓应施加约2.0 kN的预紧力，以消除连接部位的接触间隙.

（5）剪切试验时，应注意检查锚栓安装孔的变形状态，当出现较明显的塑形变形时，应及时更换加载板.