混凝土后植大直径锚栓技术研究

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第1章 引论
　　1.1 引言
　　在交通、冶金、机械、化工、电力、船舶、核电等工业领域，一些大型机械设备、装置和结构的建设或改造中，因安装精度要求很高(中心轴线偏差一般小于1mm)预埋锚栓无法准确定位或工程环境等条件限制，而常采用设计和施工布局灵活的后植化学锚栓进行基础锚固，锚栓直径范围常达40～150mm。如轨道交通领域，受设备复杂性和主体结构施工工法的制约，一些重大设备的固定问题很难用设置预埋件的方法来完成，只能采用设计和施工布局灵活的后植大直径锚栓方法解决。另外，据中国有色金属工业第六冶金建设公司统计，至2004年止该公司在有色、冶金、电力等工程中共后植直径超过50mm的化学锚栓超过1000根；另据中冶赛迪集团有限公司统计，1990年到2010年间重钢、攀钢、武钢和宝钢等企业用于轧机、飞剪机、开荒机等设备改造工程中的后植直径超过40mm的化学锚栓数量超过900根。可以预见，在经济发展持续下行的环境下，为适应激烈的市场竞争和不断增大的环保压力，重工业领域设备技改活动加强对后植大直径化学锚栓的应用需求还将持续增大。后植式锚栓形式多样、种类繁多、性能差异大的问题使如何科学合理地设计后植大直径锚栓，摆脱过往对其可靠性认识偏差是一个重要的问题。
　　迄今为止，国内外学者对后植化学锚栓的研究集中在直径为6～28mm的范围。试验表明后植大直径化学锚栓具有特殊的破坏模式和传力性能，能适应这种变化的理论和规范还较为匮乏。现有ACI 318和ETAG-001规范还没有后植化学锚栓的内容。《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ 145—2013)针对直径小于40mm后植化学锚栓给出了平均黏结强度的设计方法，并规定了2～6MPa的黏结强度值，作者的前期研究已指出了这一规定应用于大直径锚栓潜在的低安全储备和高风险问题。大型设备重量大、运行荷载高，但为了获得锚栓钢材破坏模式，采用加大锚固深度的做法，会导致钻孔垂直度和注胶凝固养护差等施工质量问题十分突出，并且实践证明这种方法并不可行。埋深(6～20)d条件复合破坏模式的现场个别试验方式，代表性差。对复合破坏模式的理论认识不足，使不科学的设计和施工造成的基础锚固失效等问题时常发生，引发重大生产安全事故，如2007年6月攀钢长尺轨5#轧机和2002年4月胜利石化总厂2#常压塔锚栓基础混凝土受拉开裂导致整条生产线长时间停车，造成巨大经济损失和安全隐患。为此，中国冶金建设协会于2012年启动了《冶金行业设备基础后置锚栓技术规范》的编制研究工作，显示了这一问题的紧迫性。
　　来源于采矿业的锚固技术，最初是通过以水泥砂浆为黏结剂向岩体植入锚杆来提高矿井通道围岩的稳定性，经过了长期的发展而得到了大量的工程应用。近二十年来，随着高性能黏结材料的产生和发展，以及锚固技术相对低廉的施工成本及其在设计和施工布局上的灵活性等优点，黏结式后锚固技术在结构改造与加固工程中越来越受到重视和应用。相对于传统的预埋锚栓技术而言，黏结式锚固技术目前还没有被广泛接受的工程规范可以参照，同时工程师们对锚固基座混凝土受拉破坏的担忧，使得后锚固技术常被用于轻荷载的临时性结构工程中，黏结式后锚固技术一直被认为是一种不能承受重荷载的工程结构。随着现代工业水平的发展，以及国外成功经验的支持，黏结式后锚固技术的应用范围正在逐步扩大。随着我国后建筑时代的到来，结构加固与改造中采用黏结锚固技术来获得设计和施工上的便利正成为不可避免的趋势，如大型地铁车站立式风机的悬吊安装(图1-1)、冷却塔基础的锚固安装(图1-2)、既有隧道改善运营条件的风机吊装(图1-3)、钢结构基础锚固结构(图1-4)、冶金机械基础锚固(图1-5)。后植大直径锚栓的另一重要应用是在大型工程设备和老旧机械设备改造工程中，为保证施工进度而常采用后植大直径锚栓的方法进行锚固固定(图1-6)。这些结构中有些是重荷载锚固，有的是为保障人员安全以应对可能出现非常规荷载的紧急设施，近些年，由于后锚固技术导致的地下结构灾害的事故也时有发生(图1-7)。一方面是由于地下结构数目越来越多，另一方面也是由于大众对地下结构的安全问题越来越关注。虽然后植大直径锚栓在地下结构中的应用已较为广泛，但对其荷载作用下的受力和传力机理的认识和科学的设计方法方面的研究还较少。且国内外相关规范仅给出了有限的设计方法，有关大直径化学锚栓的研究和应用资料也还不多见。
　　图1-1 大型立式风机悬吊安装
　　图1-2 冷却塔基础的锚固安装
　　图1-3 运营隧道新安装风机
　　图1-4 钢结构基础锚固结构
　　图1-5 冶金机械基础锚固
　　图1-6 石油工业大型设备基础锚固
　　图1-7 隧道风机锚固失效
　　目前，ACI 318和ETAG-001等欧美规范主要针对后植机械式和预埋锚栓的设计情况，我国《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ 145—2013)所针对的是锚栓直径d<28mm的锚栓。对于后植黏结式锚栓问题，以Ronald A. Cook、Rolf Eligehausen等为代表的学者的研究范围集中在直径为6～24mm的锚栓。他们通过对试验资料的总结和数值分析分别提出了一些描述化学植筋承载能力的计算模型和群锚系统的设计方法。到目前为止，仍没有一种方法得到广泛的认可，而被列入相关规范正式条文。
　　化学黏结式后植大直径锚栓设计内容主要包含单锚设计、边距及间距设计和群锚的设计等，其中单锚栓的锚固性能研究是其他设计状态的基础。鉴于后植锚栓设计模型还未获得最终的定型，尤其是地下工程中使用的重荷载大直径后植锚栓技术的应用和研究还未得到系统的展开，因此，本书结合弹性分析、试验研究和非线性数值分析，对后植大直径锚栓在混凝土表面浅锥体+下部黏结破坏的复合破坏形式下的锚固性能、破坏模式、极限承载能力、黏结应力分布和相应设计参数与方法等问题进行研究，为地下结构中大型设备锚固和重要附属结构的设计提供基础资料，也为其他行业的相关应用提供一些参考。
　　1.2 后锚固技术国内外研究现状
　　1.2.1 后植锚栓技术应用现状
　　在后建筑时代背景下，各个行业的工业与民用结构和设备的安全运营对保障人民的生命安全和社会的有序运行十分重要[1]。设备或结构的改造和加固工程需要在已施工完成的主体结构上进行固定和安装。由于设备和加固结构的复杂性以及主体结构施工工法的制约，设备的固定问题很难用设置预埋件的方法来完成，只能采取后植锚栓的方法来解决，而后植式锚栓又存在形式多样、种类繁多、性能差异大的问题[2-18]。
　　后锚固技术中被ACI 318、ETAG-001以及我国《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ 145—2013)(以下简称《规程》)接受的部分是关于传统机械式锚栓的技术。但《规程》规定：膨胀型锚栓和扩孔型锚栓不得用于受拉、边缘受剪(c＜10hef)(c为锚栓与混凝土基材边缘的距离；hef为锚栓有效锚固深度)、拉剪复合受力的结构构件及生命线工程中非结构构件的后锚固连接[19-25]。
　　如在地铁工程领域，应急逃生通道、疏散平台、接触网和其他保障列车安全运行的机械电气工程应属生命线工程，不符合《规程》的要求；另一方面，按《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)的条文规定进行计算，在荷载作用下大部分地铁工程中需要后植的锚栓埋深需在20d以上，故而较大直径的后植锚栓成为可行的选择(图1-8)。地下工程结构特殊的工作环境使其明显区别于一般的工业民用建筑。其特殊性主要表现在如下几个方面[26-27]：
　　(1)列车高速行驶和风洞效应，以及大型设备本身工作引起的振动问题，在规范中往往采用数倍静力承载力的方法来满足振动冲击荷载要求。
　　(2)地下结构环境中的地下水引起的腐蚀和杂散电流问题，对锚栓安装时钻孔的干燥度影响，以及后期的电化学腐蚀问题。
　　(3)隧道发生火灾时局部温度急剧升高要求的耐高温问题。
　　通过试验测试和在欧美地区大量工程应用的检验，我国北京、上海、成都、重庆等地铁工程中的通风空调、给排水、FAS、BAS、AFC、供电、通信信号、专业管线等方面的后植锚栓技术被越来越多地应用，这种方便的锚固形式逐渐成为一种趋势，还在不断得到更重要的应用。
　　图1-8 后植黏结式锚固在地下结构中的一些应用情况
　　1.2.2 后植锚栓种类
　　在混凝土基座中进行的锚固系统可以分为预埋锚栓和后植锚栓；后植锚栓根据锚固的传力机理的不同又可以分为机械式后锚固和黏结式后锚固。为了在锚固点布置、设计和施工上获得较大的灵活性和快捷便利，后植锚栓的方式无论在结构加固、新建结构或临时锚固上都应用得越来越广泛。图1-9为锚固体系的基本类型，图1-10为黏结形式的锚固分类。
　　图1-9 锚固的基本种类