火灾下化学锚栓承载力性能研究

第 1 章绪论

1.1 研究背景及意义
近几年来，随着生产生活水平的快速提高，人们已经不能满足已有建筑的使用功能，改建扩建工程大量出现，另外，不管是工业还是民用建筑中，都有大量与原结构连接的安装工程，如设备安装、管道安装、空调及卫生器具的安装等，在工程实际需求的背景下，后锚固技术得到了快速的发展与应用。后锚固技术根据锚固机理的不同主要分为两大类：机械锚栓（如膨胀型机械锚栓、扩底型机械锚栓）和化学锚栓（如普通化学锚栓、特殊倒锥型化学锚栓）。其中的化学锚栓与其他后锚固技术比有以下几点优势：（1）、与膨胀锚栓比能承受更大的工程荷载。（2）、滑移量较小，刚度好，大量拉拔试验证明，化学锚栓达到极限荷载时的滑移量只有其锚栓长度的十分之一[1]。（3）、靠混凝土与锚固胶的粘结强度提供拉拔力，不会对基材产生膨胀作用。（4）、耐酸碱、抗老化。（5）、部分化学锚栓可以在湿气较重的环境中使用，有的锚栓可以在水下使用。（6）、适应性强、使用广泛。（7）、施工速度快，节能环保[2]因此化学锚栓被广泛应用在了玻璃幕墙结构、改造加固工程、隧道工程、桥梁工程等领域（如图 1-1）。化学锚栓作为连接钢结构与混凝土结构的关键节点，其耐火性能直接关系到建筑结构的安全性，一旦连接失效，将给人们的生命安全构成极大威胁。如 2003年 11 月 3 日，湖南省衡阳市衡州大厦失火，在扑灭余火的过程中，大厦突然坍塌，许多消防战士被掩埋在废墟中，经过抢救，仍然有 10 余名官兵死亡。与其他几种后锚固技术比，化学锚栓最大的缺点就是锚固胶的高温稳定性差，德国慧鱼集团的研究表明[4]，化学锚固胶在高温 120℃后粘结强度下降明显。火灾后建筑结构的修复加固工程就必然要考虑化学锚栓是否能够继续使用以及其承载能力下降多少等问题。因此，对火灾下化学锚栓的承载力研究非常必要。
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1.2 相关课题的研究现状

1.2.1 国内研究现状
长安大学万战胜博士[5]（2009）研究了温度对有机和无机化学锚栓承载力性能的影响。研究结果表明:火灾高温作用后,化学锚栓的抗拉承载力呈下降趋势，有机化学锚栓承载力下降较为明显，而无机化学锚栓下降到一定程度会小幅回升然后继续下降。潍坊学院讲师邢国起[6]（2010）研究了温度、冷却方式、静置时间三种因素对新型化学锚栓极限承载力的影响，得出如下研究结论:新型化学锚栓的极限荷载随温度的升高而减小，中期会有小幅回升，，浇水冷却方式不利于锚栓受力性能；随静置时间的增加,极限荷载不断减小，但减小幅度不大。王少研[7]（2013）对三面受火的型钢混凝土后锚固连接件进行了有限元模拟，发现随着外部温度的升高，锚栓承载力逐渐下降，当锚栓内部最高温度在 60℃以下时，锚栓承载力与常温时相差不大，当锚栓内部温度达到 160℃以后，承载力仅剩余 30%。同济大学刘祖华[8]等人（2011）对开裂混凝土下的化学锚栓承载力性能进行了研究，研究表明，混凝土的开裂特性对化学锚栓的承载力性能影响显著。同济大学李杰[9]（2007）对化学锚栓做了群锚受剪试验，分析并总结了其破坏过程，并利用有限元软件 ANSYS 模拟了这一试验过程，模拟极限荷载及变形与实际试验相一致。华中科技大学周萌[10]（2012）对混凝土结构化学锚栓多个锚栓受拉性能进行了研究，通过对不同数量的化学锚栓群的抗拉承载力试验，得出：混凝土厚度、锚固板的刚度以及锚栓边间距的提高，化学锚栓出现延性破坏的可能性越来越高，并通过试验分析总结出锚栓受力不均匀系数以及钢板刚度提高对锚栓承载力的提高系数。武汉科技大学王欣霖[11]（2011）对化学锚栓小间距承载力进行了研究，通过试验与有限元模拟方法研究了不同边距间距下化学锚栓的承载力性能，得出结论有：在不符合我国锚固技术规程中提出的最小边距间距的条件下，群锚系统受拉极限荷载最大可下降 40%，受剪荷载最大可下降 80%，边间距大小的变化对群锚化学锚栓抗剪荷载的影响较为显著。
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第 2 章化学锚栓基本设计理论

2.1 锚栓的组成及分类
锚栓主要用于将被连接的物件（钢结构构件等）有效固定在基材（混凝土等）上的一类后锚固产品，分为机械锚栓和化学锚栓。化学锚栓按照受力原理不同可分为两种：普通化学锚栓和特殊倒锥型化学锚栓，普通化学锚栓主要靠锚固胶与混凝土的粘结作用实现锚固，特殊倒锥型化学锚栓会比普通化学锚栓增加对混凝土机械膨胀作用。机械锚栓根据其锚固机理的不同可分为两类：膨胀型机械锚栓和扩底型机械锚栓。膨胀型机械锚栓主要依靠膨胀片与混凝土孔壁之间的摩擦挤压来传递荷载。扩底型机械锚栓主要依靠锚栓底部扩大头与混凝土之间的机械锁键作用来传递荷载。图 2-1 为四种类型锚栓锚固机理，图 2-2 为实际工程中四种类型锚栓实体。图 2-3 为化学锚栓的施工过程[33]：（1）先用电钻按规定孔径和孔深钻出符合要求的孔；（2）再用吹气筒和钢刷对孔进行清理，两者交替进行，要求三刷两吹，确保将内部灰尘及杂质全部吹出；（3）将药剂包或药剂管垂直插入，使其全部埋入孔中；（4）将电钻顶住螺杆，使其一边缓慢旋转，一边垂直进入孔中，当有少量胶体流出孔外则停止旋转，静固一段时间后再安装吊件。

2.2锚栓的构造要求
一般对基材强度要求较高，普通混凝土抗压强度一般要求不小于C20，且不超过 C60；对于安全等级为一级的锚固工程，其混凝土强度等级不应低于 C30。规范对与不同类型的锚栓基材混凝土厚度均作了相关规定：（1）对于膨胀型锚栓和扩底型锚栓，基材混凝土厚度不应小于 2hef，且应该大于 100mm。hef为锚栓的有效埋置深度。（2）对于化学锚栓，基材混凝土厚度不应小于 hef+2d0，且 h 应大于 100mm。d0为钻孔直径。群锚锚栓最小间距 s 和最小边距 c，首先应该符合锚栓产品使用说明书规定；当无使用说明书时，应符合下表 2-1 的规定。锚栓最小边距 c 尚不应小于最大骨料粒径的 2 倍。
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第 3 章化学锚栓材料高温属性.....17
3.1 普通结构钢.....17
3.2 不锈钢.......18
3.3 混凝土.......18
3.4 锚固胶.......20
3.5 本章小节.........20
第 4 章火灾下化学锚栓温度场试验研究.......23
4.1 试验目的........23
4.2 试验仪器及设备........23
4.3 温度场试件设计及制作........25
4.4 温度场试件过火试验.......27
4.5 温度场结果分析.........29
4.6 本章小节.........34
第 5 章火灾后化学锚栓剩余承载力研究.......35
5.1 试验目的.........35
5.2 试验设备.........35
5.3 承载力试件设计.........35
5.4 承载力试件的制作....36
5.5 火灾试验过程......38
5.6 过火后拉拔试验.........40
5.7 试验结果及分析.........40
5.8 本章小结.........52

第 6 章火灾下化学锚栓温度场有限元分析

高温火灾作用下，化学锚栓试件的材料强度会随着温度的升高不断下降，材料强度的下降与其所经历的最高温度有关，所以温度场研究是化学锚栓承载力研究的基础。而实际情况中，真实模拟火灾升温需要耗费较高的人力、物力及财力，如果能用有限元模拟的方法得到较为可靠的温度场，那将为我们的试验研究提供很大方便。有限元模拟方法的基本原理是：在传热学理论的基础上，通过确定构件初始条件，以及受火面和绝热面边界条件，解出热传导微分方程，即可推出结构内部每个微元的温度。本章通过确定化学锚栓试件的尺寸、材料的热工参数及边界条件，模拟出了化学锚栓试件内部温度场，并与试验测得的温度场进行了对比。求解此微分方程需要已知初始条件和边界条件，初始条件指整个构件开始积分时，每个点的初始温度值，一般假定整个结构所有点具有同一初始温度，并等于试验前的环境温度。边界条件是指实体结构与周围介质之间进行热交换的方式，对于本文试验的模拟，热交换的方式主要为热辐射和热对流。
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结论

本文在总结了前人研究的基础之上，进行火灾下化学锚栓的温度场试验研究、不同受火时间后剩余承载力试验研究以及温度场有限元模拟研究，得到如下结论：
（1）常温下，当化学锚栓的埋深为 6-8d 时，通常发生混凝土锥体破坏；8-10d时通常发生混合破坏，当埋深超过 15d 时，通常发生钢材破坏；化学锚栓发生混凝土破坏时，其破坏荷载与混凝土的抗压强度平方根成正比；锚板刚度不足时，锚栓会受到更大的实际荷载，提前达到极限承载力而破坏，而适当的锚板刚度可以使锚栓群内力重新分布，受力更加合理。锚固区配置一定数量的钢筋能有效提高锚固承载力，但如果配筋过密所产生的钢筋剥离作用又会削弱锚固区的抗拉承载力。化学锚栓在开裂混凝土中的破坏荷载要比在非开裂混凝土中低 30%-40%。化学锚栓施工中，钻孔的深度及孔径大小、成孔的垂直度、孔的清洁程度、注胶的密实度、固化时间内人为扰动等，均会对其锚固承载力产生一定的影响，所以化学锚栓的安装对施工质量要求较高。
（2）普通碳素钢和合金钢的热传导系数与温度成反比，当构件温度达到 750℃时保持不变；而不锈钢的导热系数与结构钢正好相反，随温度的升高而增大且常温下只有普通碳素钢的三分之一。普通结构钢高温过火温度 710℃时，屈服强度和极限强度下降约 10%。
（3）当混凝土内部温度不超过 700℃时，热传导系数与温度成反比。
（4）温度场试验结果表明，锚固胶类型、锚栓品牌及螺杆材质对温度场影响均不大。而安装锚栓的试件温度场明显高出未安装锚栓的温度场，可见锚栓系统对温度场影响较大。
（5）承载力试验结果表明，常温下对于普通化学锚栓而言，规范中规定的最小锚固深度 7d 破坏模式多为混凝土脆性破坏。
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参考文献(略)