裂缝混凝土中粘结锚栓的防火性能：实验与数值研究

《Engineering Structures》：Fire performance of bonded anchors in cracked concrete: Experimental and numerical investigation

后张粘结锚在火灾下的性能研究通过实验与数值模拟验证欧洲规范，发现高温下裂缝对粘结强度的影响与常温一致，验证了欧洲规范中采用常温折减系数的合理性，并指出当前设计模型存在保守性。

　　

奥马尔·阿尔-曼苏里（Omar Al-Mansouri）、法蒂玛·本·穆胡（Fatima Ben Mouhou）、罗曼·梅热（Romain Mège）、尼古拉·皮诺托（Nicolas Pinoteau）、罗伯托·皮奇宁（Roberto Piccinin）、彼得·希林格（Peter Schillinger）、菲利普·斯特拉特（Philipp Strater）、塞巴斯蒂安·雷蒙德（Sébastien Rémond）

瑞士列支敦士登公国沙恩市的Hilti公司

摘要

后安装的粘结锚在需要高承载能力和灵活锚位定位的钢-混凝土连接中得到广泛应用。尽管基于聚合物的粘合剂有所改进，但接近或高于玻璃化转变温度时的高温会显著降低粘结强度。在欧洲，粘结锚和后安装钢筋的防火性能评估依据标准EAD 330499–02–0601和EAD 330087–02–0601进行，而EOTA TR 082则对EN 1992–4标准中的防火设计进行了补充。本文通过实验和数值分析研究了两种粘结锚产品，为当前的欧洲防火设计规范提供了依据。在常温下，对开裂（裂缝宽度为0.3毫米）和未开裂的混凝土进行了拔出试验，随后通过电加热试验来研究裂缝沿嵌入深度分布的热效应和机械效应。此外，还按照ISO 834–1标准进行了炉内试验。将试验结果与基于抗力积分法的设计计算结果进行了比较，以评估设计的保守性。研究结果阐明了欧洲对粘结锚防火设计规范的起源和合理性。

引言

多年来，已经开发并严格测试了多种锚固系统。由于后安装锚在结构和非结构部件中的安装简便快捷，尤其是在现有结构的改造和加固中，其使用日益普遍[1]。这些锚通过化学粘结和摩擦将荷载传递给混凝土，从而在嵌入深度上实现近乎均匀的粘结应力分布[2]。

粘结锚的性能受多种因素影响，包括几何形状、安装工艺、湿度水平以及粘合剂和基材的材料特性，还有温度变化[3][4][5][6]。其中，粘合树脂的机械性能对温度变化特别敏感[7]。在火灾情况下，结构构件会承受显著的热应力，导致快速的温度梯度变化。这种温度升高会对混凝土[8][9]、钢材[10]和树脂[11]的材料性能产生不利影响，从而降低连接的承载能力。

研究表明，不同类型的粘合树脂对温度升高的反应不同，环氧树脂比聚酯砂浆更为敏感[12]。玻璃化转变温度（$T_g$）是量化温度对聚合物材料影响的关键参数。当粘合剂的温度超过其玻璃化转变温度时，其刚度和极限承载能力会明显下降[13]。有趣的是，低于某个特定温度时（$T_g$），随着树脂和硬化剂之间的交联反应继续进行，树脂的机械性能反而可能得到改善[14]。关于后安装钢筋（PIR）的研究表明，当受载锚的粘结温度超过某个阈值时，会发生物理变化，导致应力沿锚的嵌入长度重新分布[14]。进一步的研究表明，粘合剂受热的速率至关重要[13]，较高的加热速率会在钢材部件上产生温度梯度，从而影响粘结应力的分布。

在常温下，锚可能通过多种方式失效[15][16]。然而，在火灾条件下，由于粘合剂对温度变化的敏感性以及其机械性能的快速退化，拔出失效更为常见。

EOTA（欧洲技术评估组织）TR 020[17]中提供的评估锚防火性能的指南已被纳入欧洲评估文件EAD 330232–01–0601[18]（针对机械锚）中。2020年至2024年间，EGF（EOTA内的固定装置专家组）将这些规定纳入EAD 330499–02–0601[19]和EOTA TR 082[20]（针对粘结锚）中。一些研究人员[21][22][23][24][25]对EOTA TR 020[17]中关于粘结锚的规定进行了评估。在[24]中提供了对数值模型参数的全面敏感性分析。为避免重复，本文仅描述最终经过验证的配置。

现有协议规定使用钢制夹具将荷载传递给锚，并直接将夹具暴露在火环境中以评估未开裂混凝土中的锚性能。对于开裂混凝土中的锚，允许使用绝缘材料保护夹具免受直接火源的影响，但这引发了担忧。例如，[22]指出，根据EOTA TR 020[17]对开裂混凝土中的粘结锚进行试验时应避免使用绝缘材料。阿尔-曼苏里等人[23][24]进一步证明，绝缘材料可以同时保护夹具和粘结锚免受火灾影响，有时其抗力甚至可以达到无绝缘情况下的两倍。

EN 1992–4[25]要求锚在开裂混凝土中的使用需具备相应的评估标准（ETA）。因此，火灾条件下的粘结锚必须考虑开裂混凝土的影响。EOTA内的EGF团队在粘结锚的防火性能评估方面取得了最新进展，制定了EAD 330499–02–0601[19]和EAD 330087–02–0601[26]等关键文件。这些文件与EOTA TR 082[20]一起，为符合EN 1992–4[25]附录D要求的防火设计提供了框架。

EOTA TR 082[20]为粘结锚的防火设计提供了基础，特别是在开裂混凝土中，因为火灾条件下热效应和机械效应之间的复杂相互作用是一个重要问题。先前的研究表明，理解这些相互作用非常重要，因为裂缝会显著改变锚嵌入深度处的温度分布和应力分布[27][28][29]。然而，EOTA TR 082[20]中具体设计规范的制定还需要更多的实证数据来验证理论模型和假设。

本研究通过提供两种不同粘结锚产品在火灾条件下的数值和实验分析，为EOTA TR 082[20]的研究提供了背景支持。首先按照现有欧洲标准在常温下对开裂（裂缝宽度0.3毫米）和未开裂混凝土进行了拔出试验，随后使用电加热系统进行了高温试验，以评估温度和裂缝对锚性能的综合影响。此外，还在模拟ISO 834–1火灾场景的气体炉中进行试验，以确保全面了解锚在真实火灾条件下的行为。

这些试验获得的实验结果对EOTA EGF完善EOTA TR 082[20]中的防火设计规范至关重要。本文还对比了基于EOTA TR 082[20]的计算设计值与实际火灾试验结果，从而评估了当前设计模型的保守性和可靠性。

这篇文献综述强调了欧洲制定粘结锚防火设计规范的关键步骤和协作努力，强调了实证验证在这些规范制定中的重要性，并为进一步完善粘结锚的防火性能标准奠定了基础。

实验部分

常温与高温（电加热）下的实验研究

本节概述了使用辐射板作为加热系统来评估开裂与未开裂混凝土中粘结锚的拔出能力比的实验程序。在常温和高温下进行的试验确定了裂缝导致的粘结强度降低是否随温度升高而变化。

本研究的主要目的是评估开裂与未开裂混凝土之间的粘结强度比。

RIM预测与火灾试验的比较

为了补充实验研究并更深入地了解火灾条件下粘结锚的行为，进行了数值分析。本节概述了分析方法、模拟参数和结果，旨在基于EOTA TR 082[20]模拟高温下开裂与未开裂混凝土中锚的粘结强度。

结论

本研究提高了我们对火灾条件下开裂与未开裂混凝土中粘结锚性能的理解，这是完善欧洲防火设计规范的重要一步。通过综合实验和数值分析，得出以下关键发现：

实验结果

常温试验表明，裂缝的存在使粘结强度降低至未开裂混凝土的大约70%。

高温试验显示，裂缝导致的粘结强度降低与常温下的情况一致，表明常温下的强度降低因子在火灾条件下同样适用。

数值分析

有限元模拟有效捕捉了火灾条件下粘结锚的瞬态热行为和机械行为。

经实验数据验证的模拟结果表明，较长的加热时间会加剧粘结强度的降低。

在抗力积分法（选项2）中使用更宽的温度范围得出的设计预测较为保守，并且与实验观察结果更为一致。

对防火设计的影响

实验结果为将常温下的粘结强度降低因子外推到火灾条件提供了实证支持。

这一发现支持了EOTA TR 082[20]中提出的设计简化方案，表明当前的设计模型可以进一步优化，以减少不必要的保守性，从而在易燃环境中实现更安全、更高效的结构设计。

总之，实验和数值方法的结合验证了当前的防火设计方法。

CRediT作者贡献声明

塞巴斯蒂安·雷蒙德（Sébastien Rémond）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目监督、方法论制定、调查实施、数据分析、概念化。罗伯托·皮奇宁（Roberto Piccinin）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、验证、项目监督、资源协调、方法论制定、调查实施、资金获取、数据分析、概念化。彼得·希林格（Peter Schillinger）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢锚制造商Hilti、fischer和Chemofast提供的资金支持，以及CSTB的防火实验室和锚实验室在实验工作中付出的辛勤努力。