预埋地脚螺栓设计的总结

预埋地脚螺栓设计的总结

葛前进

(山东电力建设第三工程公司山东青岛邮编266100)

摘要：根据美国标准ACI318-05APPENDIXD混凝土锚固的普通预埋式地脚螺栓的计算

关键词:混凝土锚固，预埋式地脚螺栓

一、简述：

锚固在混凝土上的地脚螺栓其整体的抗力水平不仅仅取决于地脚螺栓本身的材料强度，而且也取决于螺栓与混凝土之间的锚固强度，包括拔出、破碎和侧向劈裂等，目前国内设计普遍缺失的计算就是螺栓与混凝土的锚固强度计算。从这一点来看，设计院钢结构设计专业提供固定钢结构的地脚螺栓设计是值得商榷的，因为其仅仅考虑地脚螺栓的材料强度，也就是说其仅仅能计算出螺栓的材质和最大应力，进而确定螺栓的材质，但无法科学计算出其需要螺栓的准确的锚固长度，因为其不负责基础钢筋混凝土的设计，而正是这一块决定了锚栓的长度。从这一点来看，锚固在混凝土上的地脚螺栓设计应该由混凝土结构设计专业承担才更为科学和严谨，并以此类推，设备厂家提供的地脚螺栓设计应该由设计院对其锚固长度进行审核和确认，之后才能作为正式工程用的设计。

美国的ACI318-11混凝土规范中就专门针对锚固在混凝土中的地脚螺栓设计在其附录D中做了完整的表述，系统的分析了不同种类地脚螺栓的各种破坏模式，并基于大量试验的基础上针对每种破坏模式进行了深入阐述，提供了工程设计用的计算公式和要求，且通过ACI3553-11对计算及配筋设计进行了详细的举例说明，科学地解决了笔者上述的在国内地脚螺栓设计中存在的漏洞。在这里，作者仅仅对电厂项目上普遍采用的预埋式地脚螺栓进行针对性的介绍，定义为：预埋式cast-intype+带六角头螺母及垫板的锚栓headedbolt+锚栓直径不大于2-in(50mm).对于后置式和其他形式，作者将在其余技术总结中进行专门分析。

另外需要说明的是，针对地脚螺栓的设计，国内一般只考虑其在弯矩作用下受拉力作用，不考虑其抗剪抗力，美国规范钢结构规范中也有类似的规定，剪力一般通过抗剪键来实现，但是美国ACI混凝土规范中是允许锚栓抗剪的，而且对抗剪和抗拉组合受力的锚栓进行了专门的规定。

ACI318规范中该类别地脚螺栓的破坏模式分为两大类，即拉力破环和剪力破坏。拉力破坏又分为：钢件抗拉破坏SteelStrengthFailureinTension，混凝土锚固区崩裂破坏BreakoutinTension,拔出破坏PulloutinTension，边缘混凝土侧向劈裂破坏Side-faceBlowoutinTension。剪力破坏则分为：钢件抗剪破坏SteelStrengthFailureinShear,混凝土锚固区崩裂破坏BreakoutinShear，混凝土撬出破坏PryoutinShear。

二、计算原理介绍：

（1）锚栓受力的计算：轴力Pu（拉为正，压为负），弯矩Mu（柱底板宽度方向），锚栓拉力Tu，锚栓中心距板边Bedge,柱底板宽度B，长度N，H型柱的高H，翼缘宽W，常规中心布置，拉力计算假设：在设计柱底板厚底时，保守考虑可以看作整个柱底板为刚性(rigidbody)，但这此理论对于锚栓拉力计算是偏于不安全的，因为其力臂变长了，所以基于保守考虑，需要考虑柱底板的柔性(Flexible),则与柱底板连接的柱边缘为作用点，对其取弯矩并不考虑混凝土受压，则锚栓总拉力Tu=M/(jd)+2*Pu/(N-H),其中jd=(N/2-Bedge+H/2)。注意此处的锚栓拉力计算不同于钢结构规范设计柱底板计算原理，原因在上述已经论述。

（2）拉力极限状态承载力的计算：

a)钢件抗拉承载力计算SteelStrengthinTension：

Nsa=Ase,N*futa,其中futa<=Min{1.9*fya,125,000psi}

b)混凝土锚固区崩裂承载力ConcreteBreakoutStrengthinTension：

单个锚栓：Ncb=(ANc/ANco)*Ψed,N*Ψc,N*Ψcp,N*Nb

多个锚栓组：Ncbg=(ANc/ANco)*Ψec,N*Ψed,N*Ψc,N*Ψcp,N*Nb

其中：Ψec,N为拉力偏心修正系数=1/[1+2*eN’/(3*hef)]<=1

Ψed,N为边界效应修正系数={ifCa,min>=1.5*hef,Ψed,N=1.0;OtherwiseΨed,N=0.7+0.3*Ca,min/(1.5*hef)}

Ψc,N为裂缝效应修正系数={在长期荷载下ServiceLoad下开裂的钢筋混凝土取1.0;否则对预埋螺栓取1.25后置式取1.40}

Ψcp,N为后置式螺栓在无裂缝混凝土上的修正系数={一般1.0}

ANco=9*hef2-基于35度崩裂角度理论得出的单个锚栓锚固区面积

ANc为在四个方向上每个螺栓最大延伸1.5*hef得出的螺栓组锚固区总面积

Nb=kc*√fc’*hef1.5*λa其中kc=24对预埋式螺栓；或者对headedstud和headedbolt且11-in<=hef<=25-in时，可以以下式计算Nb=16*√fc’*hef5/3*λa

hef为锚栓有效锚固深度，如果锚栓三面及以上的边缘距离均小于1.5*hef，则应该用Ca,max>S/3(锚栓间距)代替hef

c)混凝土抗拔承载力PulloutStrengthinTension

Npn=Ψc,p*Np对headedstud和headedbolt，Np=8*Abrg*fc’

d)边缘混凝土侧向劈裂承载力Side-faceBlowoutinTension

如果Ca1<hef/2.5,则单个锚栓Nsb=1600*Ca1*√Abeg*λa*√fc’,且若1<=Ca2/Ca1<=3.0,应乘以修正系数（1+Ca2/Ca1）/4；

锚栓组，如果Ca1<hef/2.5且S<=6*Ca1,则Nsb=[1+S/(6*Ca1）]*Nsb

S-沿边缘的锚栓间距

（3）剪力极限状态承载力的计算：

a)钢件抗剪承载力计算SteelStrengthinShear：

Vsa=Ase,V*futa,其中futa<=Min{1.9*fya,125,000psi}—适用于cast-inHeadedStud；

Vsa=0.6*Ase,V*futa,其中futa<=Min{1.9*fya,125,000psi}—适用于cast-inHeadedBolt,如果有灌浆层则改为0.8系数；

b)混凝土锚固区崩裂承载力ConcreteBreakoutStrengthinShear：

单个锚栓：Vcb=(AVc/AVco)*Ψed,V*Ψc,V*Ψh,V*Vb

多个锚栓组：Vcbg=(AVc/AVco)*Ψec,V*Ψed,V*Ψc,V*Ψh,V*Vb

其中：Ψec,V为剪力偏心修正系数=1/[1+2*ev’/(3*Ca1)]<=1

Ψed,V为边界效应修正系数={ifCa2>=1.5*Ca1,Ψed,N=1.0;OtherwiseΨed,N=0.7+0.3*Ca2/(1.5*Ca1)}

Ψc,V为裂缝效应修正系数={在长期荷载下ServiceLoad下开裂的钢筋混凝土取1.0,若存在不小于No.4的附加钢筋可取1.2,若再加上间距不大于4in的箍筋可取1.4;不开裂混凝土取1.40}

Ψh,V为埋深修正系数，若Ca1<ha/1.5,取1.0；否则取√(1.5*Ca1/ha)

AVco=4.5*Ca12-基于35度崩裂角度理论得出的单个锚栓锚固区面积

AVc为在四个方向上每个螺栓最大延伸1.5*hef得出的螺栓组锚固区总面积

Vb=Min{7*(le/da)0.2*√da*√fc’*λa*Ca11.5,9*√fc’*Ca11.5*λa}

Ca1为与剪力方向垂直的边缘距螺栓中心距离，若Ca2和ha<=1.5*Ca1,则Ca1=max{Ca2/1.5,ha/1.5,S/3}

S为垂直于剪力方向的螺栓排间距

c)混凝土撬出破坏ConcretePryoutStrengthinShear

单个锚栓：Vcp=kcp*Ncp,Ncp=Ncb

锚栓组：Vcpg=kcp*Ncpg,Ncpg=Ncbg

对hef<2.5-in,kcp=1.0;对hef>=2.5-in,kcp=2.0

（4）拉力和剪力组合状态下极限承载力的计算InteractionofTensileandShearForces

a)如果Vua<=0.2*Ψ*Vn,则拉力Ψ*Nn>=Nua；

b)如果Nua<=0.2*Ψ*Nn,则拉力Ψ*Vn>=Vua；

c)上述情况以外，即Vua>0.2*Ψ*Vn和Nua>0.2*Ψ*Nn,则

Nua/(Ψ*Nn)+Vua/(Ψ*Vn)<=1.2

（5）附加加强钢筋的设置SupplementaryReinforcementSet

附加钢筋仅仅对受拉和受剪情况下混凝土锚固区崩裂承载力(PulloutStrength)起作用。

二、抗震条件下锚栓承载力的计算要求：

在上述的破坏模式中，仅仅是钢件的承载力破坏为延性破坏，根据抗震设计中的延性破坏要求，在所有破坏模式中的极限承载力中钢件的承载力应起控制作用，即钢件承载力应该是所有极限承载力中最小值，这一方面要求锚栓的钢件设计不能过于保守，并不是锚栓的直径取得越大越好，另一方面要求对于涉及到脆性破坏的钢筋混凝土设计要特别予以重视，应保证有充足的安全裕量。

三、应用推广：

根据美标ACI规范的锚栓设计，可以在根据国内常规计算和选用钢结构锚栓的基础上对基础混凝土设计和锚栓长度设计进行校核。鉴于目前国内设计院已经普遍能够按照美标AISC规范使用staad软件进行钢结构的设计，故其得到的柱脚反力是以美标ASCE07荷载规范规定的荷载组合为基础的，采用美标ACI规范设计钢结构的地脚螺栓技术上是合理的，并可以在海外项目中予以推广。

参考文献

[1]ACI318-05BuildingCodeRequirementsforStructuralConcrete

作者简介

姓名：葛前进

工作单位：山东电力建设第三工程公司

职务：项目副经理