基于温度的火灾条件下混凝土锥体破坏设计方法

《Materials》：Temperature-Based Design Method for Concrete Cone Failure Under Fire Conditions

　　

本文提出了一种基于温度的设计方法，用于确定火灾暴露下锚固件的拉伸混凝土锥体承载力。当前的规范性方法，最著名的是欧洲规范2（Eurocode 2），仅依赖于嵌固深度和火灾持续时间，适用于从一个或多个方向对混凝土单面进行火灾暴露，有或无边缘效应。本研究旨在开发一种基于温度的设计方法，用于预测火灾条件下锚固件的拉伸混凝土锥体破坏。通过实验计划，本研究证明，锚固件承载力可以通过与嵌固深度相关的温度得到保守描述。对混凝土强度、锚固件群组效应、边缘效应、混凝土开裂、锚固件类型以及不同混凝土面上的加热方向等参数的影响进行的参数分析，界定了该设计方法的适用范围。所提出的方法纳入了实测温度分布，相较于欧洲规范2（Eurocode 2）中现有的设计方法，提供了一种更精确的替代方案，并能针对不同结构配置和火灾场景实现灵活设计。与现有仅基于嵌固深度和火灾持续时间的规范性方法（EN 1992-4）相比，实现了优化设计。研究结果表明，在不同条件下，锚固件承载力与有效嵌固深度处的温度密切相关。

**论文解读：基于温度的火灾条件下混凝土锥体破坏设计方法**

**研究背景、问题与意义**

锚固系统广泛应用于将结构性和非结构性钢构件与混凝土构件连接。现有锚固技术包括预埋锚栓（混凝土浇筑前安装）和后置锚栓（通过机械和/或粘结系统安装于硬化混凝土中）。在火灾条件下，锚固系统的性能对结构安全至关重要。然而，当前针对火灾的法规框架尚不完善。仅粘结型化学锚栓和钢筋通过EAD 330087-01-0601、EOTA TR020、ICC-ES AC308及ACI 355.5等文件享有专门的火灾鉴定和设计指南。机械式后置锚栓和预埋锚栓尽管应用广泛，但缺乏全面的火灾专用设计规定。混凝土相关破坏模式的火灾设计被收录于EN 1992-4的附录D（信息性附录）中，基于Reick在2001年的背景研究，针对ISO 834-1常规加热下高达120分钟耐火等级。与火灾下粘结破坏和钢材破坏的设计不同，混凝土锥体破坏的火灾设计方法是规范性的，而非基于温度，从而限制了应用范围并阻碍了优化设计。

现有研究存在以下局限：缺乏基于温度的正式设计方法（仅Robson和Hlavi?ka提出了基于温度的方法）；所有研究均仅考察顶面单侧火灾暴露，加热方向的影响未见描述；参数如混凝土强度、开裂混凝土、群组效应和边缘效应未完全覆盖。因此，亟需建立一种基于温度的设计方法，以更精确地预测火灾下混凝土锥体破坏，并适应不同火灾场景和结构配置。

本研究通过系统的实验计划和参数分析，提出了一种基于温度的设计方法，旨在填补现有设计空白，提供一种性能化方法，替代仅基于嵌固深度和火灾持续时间的规范性方法（EN 1992-4），从而减少过于保守的设计预测。该论文发表于《Materials》。

**关键技术与方法（不超过250字）**

研究人员采用辐射加热板（radiant heating panels）产生可控且可重复的温度场，进行参数化实验分析。实验程序包括：对单栓、边距、群组、开裂混凝土、不同混凝土强度（C20/25和C50/60）以及不同锚固技术（头锚、切底锚、混凝土螺钉）进行测试。加热方向包括顶面加热、侧面加热和底面加热（ISO 834-1气炉）。通过热电偶（TC-B和TC-C）测量混凝土内部温度分布。温度数据用于确定基于温度的设计折减系数kc(θ)，该系数完全依赖于有效嵌固深度（hef）处的温度，并假设该温度代表控制混凝土锥体形成的裂纹起始区。

**研究结果**

**5.1 参数试验概览**：通过辐射加热板进行参数研究，评估不同参数的影响。结果显示，基于实测温度的设计预测与实验值相比总体保守。

**5.2 参考试验**：室温下五组重复试验的平均承载力为88.5 kN（变异系数7.6%），与预测值吻合良好。高温下（嵌固深度处温度82–160°C）平均承载力为78.8 kN，降低约11%，相对于Robson等报道的50%衰减更小。理论预测（55.3 kN）相对于实验平均值（78.8 kN）保守。

**5.3 边缘效应**：单侧侧面加热时，嵌固深度处温度约155°C，折减系数0.45，预测承载力33.2 kN，实验平均40.3 kN，预测保守。双侧加热（顶面+侧面）时，温度约375°C，折减系数0.20，预测14.8 kN。

**5.4 锚固群组效应**：对于两个锚固件的群组，侧面加热时最热锚栓温度127°C，折减系数0.51，预测60.7 kN，实验平均93.7 kN，预测保守。顶面加热时，温度约121°C，折减系数0.53，预测62.5 kN，实验平均95.8 kN。

**5.5 开裂混凝土效应**：开裂混凝土（裂缝宽度0.3 mm）中，高温下（约110°C）预测承载力22.6 kN，实验平均56.9 kN，无显著降低。裂纹导致温度分布更均匀，可能降低锚栓底部温度。建议在火灾设计中无需额外折减，但取开裂混凝土室温承载力与未开裂混凝土火灾折减承载力中的较小值。

**5.6 混凝土强度效应**：高强度混凝土（C50/60）中，嵌固深度57 mm，温度约220°C，折减系数0.34，预测17.7 kN，实验平均32.3 kN。C50/60的承载力折减（0.50）大于C20/25（0.90），因嵌固深度不同导致温度更低。

**5.7 锚固技术效应**：混凝土螺钉（HUS4）在嵌固深度100 mm处温度约121°C，折减系数0.53，预测28.9 kN，实验平均38.1 kN。相对折减（0.67）大于头锚（0.89），表明锚固技术影响显著，可能因连续荷载传递导致破坏点更靠近热区。

**5.8 底面加热效应**：ISO 834-1气炉底面加热试验中，实测温度显示水蒸气平台（约100°C）持续20–80分钟，导致30、60、90分钟时的预测承载力相似。整体承载力随火灾时间递减，但90分钟数据高于120分钟，重复试验评估了离散性。

**讨论与结论**

研究表明，所提出的基于温度的设计方法为火灾下拉伸混凝土锥体承载力提供了安全估计，且在某些暴露配置下可能过于保守。该方法可形式化为三步：1) 计算火灾给定时间下有效嵌固深度hef处的温度；2) 通过公式kc(θ)确定折减系数；3) 计算承载力。参数分析得出的结论包括：火灾下开裂混凝土无需额外折减；群组或边距情况下，折减系数应用于最热锚栓的温度；该方法与EN 1992-4相比，在单侧暴露90分钟和120分钟的情况下给出相似或更高的承载力，且允许考虑不同火灾暴露场景和持续时间，实现优化设计。研究结论指出，实验结果未表明EN 1992-4不安全，但所提方法提供了更大灵活性，可扩展至其他破坏模式（如钢材、拔出、劈裂）及剪切荷载下的火灾设计。