第 1 章緒論

1.1 研究背景及意義
近幾年來，隨著生產(chǎn)生活水平的快速提高，人們已經(jīng)不能滿足已有建筑的使用功能，改建擴(kuò)建工程大量出現(xiàn)，另外，不管是工業(yè)還是民用建筑中，都有大量與原結(jié)構(gòu)連接的安裝工程，如設(shè)備安裝、管道安裝、空調(diào)及衛(wèi)生器具的安裝等，在工程實(shí)際需求的背景下，后錨固技術(shù)得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。后錨固技術(shù)根據(jù)錨固機(jī)理的不同主要分為兩大類：機(jī)械錨栓（如膨脹型機(jī)械錨栓、擴(kuò)底型機(jī)械錨栓）和化學(xué)錨栓（如普通化學(xué)錨栓、特殊倒錐型化學(xué)錨栓）。其中的化學(xué)錨栓與其他后錨固技術(shù)比有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）、與膨脹錨栓比能承受更大的工程荷載。（2）、滑移量較小，剛度好，大量拉拔試驗(yàn)證明，化學(xué)錨栓達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移量只有其錨栓長度的十分之一[1]。（3）、靠混凝土與錨固膠的粘結(jié)強(qiáng)度提供拉拔力，不會對基材產(chǎn)生膨脹作用。（4）、耐酸堿、抗老化。（5）、部分化學(xué)錨栓可以在濕氣較重的環(huán)境中使用，有的錨栓可以在水下使用。（6）、適應(yīng)性強(qiáng)、使用廣泛。（7）、施工速度快，節(jié)能環(huán)保[2]因此化學(xué)錨栓被廣泛應(yīng)用在了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、改造加固工程、隧道工程、橋梁工程等領(lǐng)域（如圖 1-1）�；瘜W(xué)錨栓作為連接鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其耐火性能直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性，一旦連接失效，將給人們的生命安全構(gòu)成極大威脅。如 2003年 11 月 3 日，湖南省衡陽市衡州大廈失火，在撲滅余火的過程中，大廈突然坍塌，許多消防戰(zhàn)士被掩埋在廢墟中，經(jīng)過搶救，仍然有 10 余名官兵死亡。與其他幾種后錨固技術(shù)比，化學(xué)錨栓最大的缺點(diǎn)就是錨固膠的高溫穩(wěn)定性差，德國慧魚集團(tuán)的研究表明[4]，化學(xué)錨固膠在高溫 120℃后粘結(jié)強(qiáng)度下降明顯�；馂�(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固工程就必然要考慮化學(xué)錨栓是否能夠繼續(xù)使用以及其承載能力下降多少等問題。因此，對火災(zāi)下化學(xué)錨栓的承載力研究非常必要。
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1.2 相關(guān)課題的研究現(xiàn)狀

1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
長安大學(xué)萬戰(zhàn)勝博士[5]（2009）研究了溫度對有機(jī)和無機(jī)化學(xué)錨栓承載力性能的影響。研究結(jié)果表明:火災(zāi)高溫作用后,化學(xué)錨栓的抗拉承載力呈下降趨勢，有機(jī)化學(xué)錨栓承載力下降較為明顯，而無機(jī)化學(xué)錨栓下降到一定程度會小幅回升然后繼續(xù)下降。濰坊學(xué)院講師邢國起[6]（2010）研究了溫度、冷卻方式、靜置時(shí)間三種因素對新型化學(xué)錨栓極限承載力的影響，得出如下研究結(jié)論:新型化學(xué)錨栓的極限荷載隨溫度的升高而減小，中期會有小幅回升，，澆水冷卻方式不利于錨栓受力性能；隨靜置時(shí)間的增加,極限荷載不斷減小，但減小幅度不大。王少研[7]（2013）對三面受火的型鋼混凝土后錨固連接件進(jìn)行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)隨著外部溫度的升高，錨栓承載力逐漸下降，當(dāng)錨栓內(nèi)部最高溫度在 60℃以下時(shí)，錨栓承載力與常溫時(shí)相差不大，當(dāng)錨栓內(nèi)部溫度達(dá)到 160℃以后，承載力僅剩余 30%。同濟(jì)大學(xué)劉祖華[8]等人（2011）對開裂混凝土下的化學(xué)錨栓承載力性能進(jìn)行了研究，研究表明，混凝土的開裂特性對化學(xué)錨栓的承載力性能影響顯著。同濟(jì)大學(xué)李杰[9]（2007）對化學(xué)錨栓做了群錨受剪試驗(yàn)，分析并總結(jié)了其破壞過程，并利用有限元軟件 ANSYS 模擬了這一試驗(yàn)過程，模擬極限荷載及變形與實(shí)際試驗(yàn)相一致。華中科技大學(xué)周萌[10]（2012）對混凝土結(jié)構(gòu)化學(xué)錨栓多個(gè)錨栓受拉性能進(jìn)行了研究，通過對不同數(shù)量的化學(xué)錨栓群的抗拉承載力試驗(yàn)，得出：混凝土厚度、錨固板的剛度以及錨栓邊間距的提高，化學(xué)錨栓出現(xiàn)延性破壞的可能性越來越高，并通過試驗(yàn)分析總結(jié)出錨栓受力不均勻系數(shù)以及鋼板剛度提高對錨栓承載力的提高系數(shù)。武漢科技大學(xué)王欣霖[11]（2011）對化學(xué)錨栓小間距承載力進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)與有限元模擬方法研究了不同邊距間距下化學(xué)錨栓的承載力性能，得出結(jié)論有：在不符合我國錨固技術(shù)規(guī)程中提出的最小邊距間距的條件下，群錨系統(tǒng)受拉極限荷載最大可下降 40%，受剪荷載最大可下降 80%，邊間距大小的變化對群錨化學(xué)錨栓抗剪荷載的影響較為顯著。
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第 2 章化學(xué)錨栓基本設(shè)計(jì)理論

2.1 錨栓的組成及分類
錨栓主要用于將被連接的物件（鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件等）有效固定在基材（混凝土等）上的一類后錨固產(chǎn)品，分為機(jī)械錨栓和化學(xué)錨栓�；瘜W(xué)錨栓按照受力原理不同可分為兩種：普通化學(xué)錨栓和特殊倒錐型化學(xué)錨栓，普通化學(xué)錨栓主要靠錨固膠與混凝土的粘結(jié)作用實(shí)現(xiàn)錨固，特殊倒錐型化學(xué)錨栓會比普通化學(xué)錨栓增加對混凝土機(jī)械膨脹作用。機(jī)械錨栓根據(jù)其錨固機(jī)理的不同可分為兩類：膨脹型機(jī)械錨栓和擴(kuò)底型機(jī)械錨栓。膨脹型機(jī)械錨栓主要依靠膨脹片與混凝土孔壁之間的摩擦擠壓來傳遞荷載。擴(kuò)底型機(jī)械錨栓主要依靠錨栓底部擴(kuò)大頭與混凝土之間的機(jī)械鎖鍵作用來傳遞荷載。圖 2-1 為四種類型錨栓錨固機(jī)理，圖 2-2 為實(shí)際工程中四種類型錨栓實(shí)體。圖 2-3 為化學(xué)錨栓的施工過程[33]：（1）先用電鉆按規(guī)定孔徑和孔深鉆出符合要求的孔；（2）再用吹氣筒和鋼刷對孔進(jìn)行清理，兩者交替進(jìn)行，要求三刷兩吹，確保將內(nèi)部灰塵及雜質(zhì)全部吹出；（3）將藥劑包或藥劑管垂直插入，使其全部埋入孔中；（4）將電鉆頂住螺桿，使其一邊緩慢旋轉(zhuǎn)，一邊垂直進(jìn)入孔中，當(dāng)有少量膠體流出孔外則停止旋轉(zhuǎn)，靜固一段時(shí)間后再安裝吊件。

2.2錨栓的構(gòu)造要求
一般對基材強(qiáng)度要求較高，普通混凝土抗壓強(qiáng)度一般要求不小于C20，且不超過 C60；對于安全等級為一級的錨固工程，其混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于 C30。規(guī)范對與不同類型的錨栓基材混凝土厚度均作了相關(guān)規(guī)定：（1）對于膨脹型錨栓和擴(kuò)底型錨栓，基材混凝土厚度不應(yīng)小于 2hef，且應(yīng)該大于 100mm。hef為錨栓的有效埋置深度。（2）對于化學(xué)錨栓，基材混凝土厚度不應(yīng)小于 hef+2d0，且 h 應(yīng)大于 100mm。d0為鉆孔直徑。群錨錨栓最小間距 s 和最小邊距 c，首先應(yīng)該符合錨栓產(chǎn)品使用說明書規(guī)定；當(dāng)無使用說明書時(shí)，應(yīng)符合下表 2-1 的規(guī)定。錨栓最小邊距 c 尚不應(yīng)小于最大骨料粒徑的 2 倍。
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第 3 章化學(xué)錨栓材料高溫屬性.....17
3.1 普通結(jié)構(gòu)鋼.....17
3.2 不銹鋼.......18
3.3 混凝土.......18
3.4 錨固膠.......20
3.5 本章小節(jié).........20
第 4 章火災(zāi)下化學(xué)錨栓溫度場試驗(yàn)研究.......23
4.1 試驗(yàn)?zāi)康?.......23
4.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備........23
4.3 溫度場試件設(shè)計(jì)及制作........25
4.4 溫度場試件過火試驗(yàn).......27
4.5 溫度場結(jié)果分析.........29
4.6 本章小節(jié).........34
第 5 章火災(zāi)后化學(xué)錨栓剩余承載力研究.......35
5.1 試驗(yàn)?zāi)康?........35
5.2 試驗(yàn)設(shè)備.........35
5.3 承載力試件設(shè)計(jì).........35
5.4 承載力試件的制作....36
5.5 火災(zāi)試驗(yàn)過程......38
5.6 過火后拉拔試驗(yàn).........40
5.7 試驗(yàn)結(jié)果及分析.........40
5.8 本章小結(jié).........52

第 6 章火災(zāi)下化學(xué)錨栓溫度場有限元分析

高溫火災(zāi)作用下，化學(xué)錨栓試件的材料強(qiáng)度會隨著溫度的升高不斷下降，材料強(qiáng)度的下降與其所經(jīng)歷的最高溫度有關(guān)，所以溫度場研究是化學(xué)錨栓承載力研究的基礎(chǔ)。而實(shí)際情況中，真實(shí)模擬火災(zāi)升溫需要耗費(fèi)較高的人力、物力及財(cái)力，如果能用有限元模擬的方法得到較為可靠的溫度場，那將為我們的試驗(yàn)研究提供很大方便。有限元模擬方法的基本原理是：在傳熱學(xué)理論的基礎(chǔ)上，通過確定構(gòu)件初始條件，以及受火面和絕熱面邊界條件，解出熱傳導(dǎo)微分方程，即可推出結(jié)構(gòu)內(nèi)部每個(gè)微元的溫度。本章通過確定化學(xué)錨栓試件的尺寸、材料的熱工參數(shù)及邊界條件，模擬出了化學(xué)錨栓試件內(nèi)部溫度場，并與試驗(yàn)測得的溫度場進(jìn)行了對比。求解此微分方程需要已知初始條件和邊界條件，初始條件指整個(gè)構(gòu)件開始積分時(shí)，每個(gè)點(diǎn)的初始溫度值，一般假定整個(gè)結(jié)構(gòu)所有點(diǎn)具有同一初始溫度，并等于試驗(yàn)前的環(huán)境溫度。邊界條件是指實(shí)體結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換的方式，對于本文試驗(yàn)的模擬，熱交換的方式主要為熱輻射和熱對流。
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結(jié)論

本文在總結(jié)了前人研究的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行火災(zāi)下化學(xué)錨栓的溫度場試驗(yàn)研究、不同受火時(shí)間后剩余承載力試驗(yàn)研究以及溫度場有限元模擬研究，得到如下結(jié)論：
（1）常溫下，當(dāng)化學(xué)錨栓的埋深為 6-8d 時(shí)，通常發(fā)生混凝土錐體破壞；8-10d時(shí)通常發(fā)生混合破壞，當(dāng)埋深超過 15d 時(shí)，通常發(fā)生鋼材破壞；化學(xué)錨栓發(fā)生混凝土破壞時(shí)，其破壞荷載與混凝土的抗壓強(qiáng)度平方根成正比；錨板剛度不足時(shí)，錨栓會受到更大的實(shí)際荷載，提前達(dá)到極限承載力而破壞，而適當(dāng)?shù)腻^板剛度可以使錨栓群內(nèi)力重新分布，受力更加合理。錨固區(qū)配置一定數(shù)量的鋼筋能有效提高錨固承載力，但如果配筋過密所產(chǎn)生的鋼筋剝離作用又會削弱錨固區(qū)的抗拉承載力�；瘜W(xué)錨栓在開裂混凝土中的破壞荷載要比在非開裂混凝土中低 30%-40%�；瘜W(xué)錨栓施工中，鉆孔的深度及孔徑大小、成孔的垂直度、孔的清潔程度、注膠的密實(shí)度、固化時(shí)間內(nèi)人為擾動等，均會對其錨固承載力產(chǎn)生一定的影響，所以化學(xué)錨栓的安裝對施工質(zhì)量要求較高。
（2）普通碳素鋼和合金鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度成反比，當(dāng)構(gòu)件溫度達(dá)到 750℃時(shí)保持不變；而不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)與結(jié)構(gòu)鋼正好相反，隨溫度的升高而增大且常溫下只有普通碳素鋼的三分之一。普通結(jié)構(gòu)鋼高溫過火溫度 710℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度下降約 10%。
（3）當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度不超過 700℃時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度成反比。
（4）溫度場試驗(yàn)結(jié)果表明，錨固膠類型、錨栓品牌及螺桿材質(zhì)對溫度場影響均不大。而安裝錨栓的試件溫度場明顯高出未安裝錨栓的溫度場，可見錨栓系統(tǒng)對溫度場影響較大。
（5）承載力試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫下對于普通化學(xué)錨栓而言，規(guī)范中規(guī)定的最小錨固深度 7d 破壞模式多為混凝土脆性破壞。
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參考文獻(xiàn)(略)