化學(xué)錨栓設(shè)計(jì)

1、化 學(xué) 錨 栓 設(shè) 計(jì)中國(guó)石化集團(tuán)上海工程公司 (200120) 嚴(yán)峰摘要 化學(xué)錨栓 、植筋的施工技術(shù)應(yīng)用日益廣泛 ,它們的設(shè)計(jì)有著其自身的特點(diǎn) 。設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的預(yù)埋件錨筋有著較大的區(qū)別 ,本文著重介紹化學(xué)錨栓的設(shè)計(jì)概念 ,并與混凝土預(yù)埋件的異同作了分析和比較 。關(guān)鍵詞 化學(xué)錨栓 植筋 預(yù)埋件化學(xué)錨栓與植筋技術(shù)在最近幾年有著長(zhǎng)足的發(fā)展其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛 ,植筋通常用于結(jié)構(gòu)加 固改造以及混凝土新增結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接等方面 ,化學(xué)錨栓更多用于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土構(gòu)件以及設(shè)備底座與混凝土基礎(chǔ)的連接節(jié)點(diǎn)等部位 。近年筆者接觸的不 少涉外項(xiàng)目的外方業(yè)主提出土建施工現(xiàn)場(chǎng)不許焊接 ,不得使用預(yù)埋件 ,這時(shí)化學(xué)錨栓

2、和植筋的設(shè)計(jì)就 成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一 。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行混凝土規(guī)范沒(méi)有涉及化學(xué)錨栓的內(nèi) 容 ,僅見(jiàn)個(gè)別公司的設(shè)計(jì)規(guī)定要求化學(xué)錨栓等安全 系數(shù)不小于 4 . 0 。連接節(jié)點(diǎn)是涉及結(jié)構(gòu)安全的重要 構(gòu)造 ,如果缺乏對(duì)化學(xué)錨栓特點(diǎn)的深入了解 ,籠統(tǒng)采取安全系數(shù)法較易造成設(shè)計(jì)失誤 。本文結(jié)合近年的工程實(shí)踐以及國(guó)外專業(yè)廠商提供的資料 ,對(duì)化學(xué)錨 栓的設(shè)計(jì)概念作簡(jiǎn)單介紹并與鋼筋混凝土預(yù)埋件的 異同逐一比較 。由于植筋的設(shè)計(jì)方法與化學(xué)錨栓基 本相同 ,本文中對(duì)此不作嚴(yán)格區(qū)分 。1 構(gòu)造要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)埋件錨筋的承載力主要 受錨筋強(qiáng)度和錨板變形控制 ,計(jì)算采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式 ,規(guī)范給出的承載力公式與錨筋

3、間距 、錨筋邊 距沒(méi)有直接相關(guān) ?；瘜W(xué)錨栓 (包括植筋) 是在結(jié)構(gòu)施工完成并達(dá)到強(qiáng)度再后期鉆孔 ,利用化學(xué)粘結(jié)劑與混凝土連接 ?；瘜W(xué)錨栓的埋設(shè)深度 ( 一般鉆孔深度 略大于錨栓植入長(zhǎng)度) 即錨固長(zhǎng)度與混凝土預(yù)埋件錨筋相比其長(zhǎng)度較小 ,約為 10d 3 ( d 為鋼筋 、錨栓直 徑 ,下同) ,而混凝土規(guī)范規(guī)定的受壓 、受剪混凝土的錨筋長(zhǎng)度不小于 15d 及 250mm ,受拉錨筋錨固長(zhǎng)度 更長(zhǎng) 。混凝土規(guī)范第 9 . 3 . 1 條對(duì)鋼筋錨固做了很詳細(xì) 的規(guī)定 ,但其中沒(méi)有涉及鋼筋間距和邊距問(wèn)題 。美aci 規(guī)定 ,鋼筋凈距小于等于 2d 或者保護(hù)層厚度小于鋼筋直徑時(shí)的錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)取 2

4、. 0 。又規(guī)定 當(dāng)梁柱鋼筋錨固區(qū)域滿足橫向最小箍筋的要求且凈距不小于 3d 且滿足最小保護(hù)層厚度時(shí)不需做錨固長(zhǎng)度修正 ;保護(hù)層厚度不小于 2d 且凈距不小于 3d的任何鋼筋也不作錨固長(zhǎng)度修正 ; 其他情況長(zhǎng)度修 正系數(shù) 1 . 4 ,可見(jiàn)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋間距邊距是不容被忽視的重要構(gòu)造之一 ?；瘜W(xué)錨栓的破壞包含錨栓本體破壞和混凝土破壞兩大類 ,設(shè)計(jì)中以后者破 壞控制的情況居多 ,因此錨栓 、植筋的中心距和邊距 是決定其承載力的關(guān)鍵因素 ,這是其有別于混凝土預(yù)埋件錨筋的特點(diǎn) ?；瘜W(xué)錨栓節(jié)點(diǎn)的錨板厚度應(yīng)按混凝土規(guī)范相關(guān) 規(guī)定執(zhí)行 ,特別當(dāng)錨栓間距較大時(shí)更應(yīng)較規(guī)范要求采取增加板厚或者增加加勁板等附加

5、構(gòu)造措施 。預(yù) 埋件錨筋與錨栓 、植筋的最小邊距和中心距比較見(jiàn) 下表 :3 按文獻(xiàn) 2 說(shuō)明2承載力計(jì)算2. 1化學(xué)錨栓 、植筋的在單一荷載作用下的破壞模 式主要有下列四種情況 :(1) 在較大的邊距和中距情況下的錨栓周圍混 凝土錐體破壞類型受拉 、受彎受剪鋼筋混凝土預(yù) 埋件錨筋中心距和邊 距均不小于3d 和 45mm中心距6d 和 70 且不 大于 300mm豎向邊距 c6d 和 70最小 4d 3橫向邊距 c3d 和 45最小 2d 3化學(xué)錨栓 、植筋4 . 5d5d(4) 在較小的邊距情況下錨栓周圍混凝土劈裂破壞 ,該情況下的承載力均小于上述三種情況 ,因此 設(shè)計(jì)化學(xué)錨栓時(shí)應(yīng)避免采用太小

6、的邊距 。2. 2抗剪驗(yàn)算(1) 化學(xué)錨栓的抗剪主要是針對(duì)上述 (3 ) 、(4) 破 壞模式進(jìn)行承載力驗(yàn)算 。v vrd其中 vrd為錨栓抗剪承載力 ,按下列公式取用 :vrd = min (vrd ,c ;vrd ,s) vrd ,s為錨栓的鋼材抗剪承載力 ;vrd ,c 為混凝土邊緣破裂時(shí)的抗剪承載力 ,其計(jì) 算公式如下 :規(guī)范明確受剪預(yù)埋件的錨固長(zhǎng)度取 15d ,文獻(xiàn) 2提出當(dāng)錨固長(zhǎng)度 1a 不足時(shí)可按下式折減 , 但最小 錨固長(zhǎng)度不小于 5d 。當(dāng) 5d l < 15d 時(shí)折減系數(shù)按下式計(jì)算 :l()3 = 1 - 0 . 027 15 -d由上述比較可知雖然規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)公式

7、主要與混凝土和鋼筋相關(guān) ,但邊距同樣是影響其承載力 的重要因素之一 。無(wú)論是預(yù)埋件錨筋還是化學(xué)錨栓均應(yīng)選取較大的邊距和中距 ,以充分提高其承載力 。2. 3抗拉驗(yàn)算(1) 化 學(xué) 錨 栓 的 抗 拉 承 載 力 主 要 按 上 述 ( 1 ) 、(2) 、(3) 三種破壞模式進(jìn)行驗(yàn)算 ,公式如下 :n nrdvrd ,c = v0 d ,cfb ,vfar ,vf,vr其中 ,v0 為混凝土邊緣破裂承載力基本值 ;rd ,c其中 :n 為錨栓抗拉承載力 ,取三種破壞錨栓rdfb ,v為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù) ;far ,v為錨栓邊距與中心距影響系數(shù) ;f,v為剪力方位調(diào)整系數(shù) ,剪力指向混凝土構(gòu)件

8、 邊緣時(shí)為 1 . 0 ;平行構(gòu)件邊緣時(shí)為 2 . 0 ?？梢?jiàn)抗剪承載力影響因素包括混凝土強(qiáng)度等級(jí) 、錨栓中心距和邊距等 ,其中錨栓中心距 、邊距通 常會(huì)起控制作用 。(2) 混凝土預(yù)埋件抗剪承載力按下列公式計(jì)算 :v as r vfy其中 , v 錨筋抗剪強(qiáng)度系數(shù)按下式計(jì)算 :承載力的最小值確定 ,即nrd = min (nrd ,c ;nrd ,p ;nrd ,s) nrd ,c混凝土錐體破壞承載力 ;nrd ,p錨栓粘結(jié)破壞承載力 ;n錨栓鋼材抗拉承載力 。rd ,s混凝土錐體破壞 (break - out failure) 承載力計(jì)算公式為 :nrd ,c = n0 ff ffrd ,

9、c b ,n t a ,n r ,nn0rd ,c為混凝土錐體破壞承載力基本值 ;fa ,n為錨栓間距影響系數(shù) ;f r ,n為錨栓邊距影響系數(shù) 。混凝土粘結(jié)破壞 ( pull - away failure) 承載力計(jì)算f cv = (4 . 0 - 0 . 08d)fy0公式為 :nrd ,p = nrd ,pfb ,nf tr 錨筋層數(shù)的影響系數(shù) ,錨筋等間距布置時(shí) ,二層取 1 . 0 ;三層取 0 . 9 ; 四層取 0 . 85 。當(dāng)邊距不足時(shí) 混凝土規(guī)范沒(méi)有說(shuō)明該如何處理 ,對(duì)此情況文獻(xiàn) 2 提供的折減公式如下 :0nrd ,p為錨栓粘結(jié)破壞承載力基本值 ;fb ,n為混凝土強(qiáng)度影

10、響系數(shù) ;f t 為錨栓埋設(shè)深度影響系數(shù) 。上述公式表明 ,錨栓抗拉承載力變化規(guī)律類同 于錨栓抗剪承載力 ,間距 、邊距是影響承載力的主要 因素之一 。另外 ,某些類型的錨栓不再仔細(xì)區(qū)分粘 結(jié)破壞和錐體破壞 ,而是統(tǒng)一歸入混凝土破壞承載 力 ( concrete cone/ pull - out resistance) 。(2) 混凝土預(yù)埋件抗拉承載力計(jì)算公式為n as0 . 8abfy式中 ,(1) 當(dāng)橫向間距 c , 2 c 3 時(shí)按下列公式折d減 : c2 = 0 . 008 (3 -d )c1(2) 當(dāng)豎向邊距 c1 ,4 d 6 時(shí) ,折減系數(shù)按以下情況取值 :c1d= 6 , 4

11、= 1 ;b = 0 . 6 + 0 . 25 t 錨板彎曲變形折減系數(shù) ;dc1= 5 , 4 = 0 . 75 ;ladc1a =為抗拉錨筋長(zhǎng)度線性折減系數(shù) , 對(duì)于直la接承受動(dòng)力荷載或地震荷載取 1 . 0 。規(guī)范的條文說(shuō)明還規(guī)定錨筋最小長(zhǎng)度不得小于 0 . 5 和 15 d 。 由于混凝土預(yù)埋件和化學(xué)錨栓的破壞模式不盡= 4 , 4 = 0 . 5 ;dc1d 為中間值時(shí)內(nèi)插確定4 。相同 ,因此他們?cè)谕瑯忧闆r下抗拉承載力存在較大差異 ,這在本文的實(shí)例比較中可以更為直觀的了解 。3 組合荷載普通預(yù)埋件的應(yīng)力組合根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按軸力 、 彎矩和剪力采取線性相關(guān)處理 ,化學(xué)錨栓節(jié)點(diǎn)中每個(gè)螺

12、栓的邊界條件各不相同 ,承載力也不盡相同 ,因 此無(wú)法作類似處理 。文獻(xiàn) 3 對(duì)拉剪作用下的化學(xué)錨 栓節(jié)點(diǎn)采用錨栓群承載力驗(yàn)算方法 ,但尚未有涉及 拉彎剪荷載共同作用下的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 。對(duì)于含有彎矩 復(fù)雜受力狀態(tài)的化學(xué)錨栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) ,可以借鑒鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中按螺栓最不利位置的驗(yàn)算方法 。3. 1 受拉力與彎矩共同作用時(shí) ,按下列公式驗(yàn)算 ,簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 1 :其中 ,nmax按 (3 . 1 . 1) (3 . 1 . 2) 兩公式驗(yàn)算 。vs = v vrdn組合應(yīng)力驗(yàn)算公式為 : frd n2+ v2max s其中 ,文獻(xiàn) 3 給出的錨栓組合承載力公式如下 :- 21 . 5sim 1 . 5cos3

13、frd =+nrdvrdvs式中 , 為荷載夾角 , = arctan4算例比較nmax計(jì)算受拉 、彎 、剪共同作用的某鋼梁與混凝土柱的連接節(jié)點(diǎn) 。(1) 采用化學(xué)錨栓布置如圖 2 ; 8m24 錨栓 ,混凝 土強(qiáng)度等級(jí) c45 ,錨板厚度 14mm , 標(biāo)準(zhǔn)錨栓埋設(shè)長(zhǎng) 度 。圖 1my1 0 時(shí) ,n -1)nny2i my1 nmax = n +n(3 . 1 . 1)n y2irdn圖 2my1n -軸向拉力 n = 15 . 5 kn ;彎矩 m = 29 . 4 ;剪力 v =40 . 9kn2)0 時(shí) ,ny2ni my1 nmax = n +1 錨栓內(nèi)力計(jì)算 :)n(3 . 1

14、. 2)rdn y2in (29 . 4 + 15 . 5 ×0 . 15) ×0 . 3nmax = 30 . 2kn222 ×0 . 15 + 3 ×0 . 3其中 ,y1 為所驗(yàn)算的錨栓到錨栓群形心的豎向距離 ;y1 為所驗(yàn)算的錨栓到最外排受壓錨栓的豎向距離 ;y1 為所任一錨栓到最外排受壓錨栓的豎向距離 ;e 為軸力到最外排受壓錨栓到豎向距離 。3. 2受拉力 、剪力和彎矩共同作用時(shí) ,驗(yàn)算公式如 下 :vs = 40 . 9 = 5 . 1kn8= arctg 5 . 1 = 9 . 6°30 . 22) 錨栓設(shè)計(jì)基本參數(shù) ,按文獻(xiàn)

15、3 提供的資料為 :n0= 75 . 5kn ;v0m24= 15 . 4kn ;rd ,crd ,cnrd ,s = 108 . 1kn ;vrd ,s = 77 . 8 kn ;c45 抗拉 fb ,n = 120 ; 抗剪 fb ,v = 1 . 34 。 深度修正 f t = 1 . 0 。錨栓抗拉間距修正 ,錨栓間距 150mm 時(shí)為n ;nfa ,n = 0 . 68 ;錨栓邊距 150mm 時(shí)為 f r ,n = 0 . 79 。3) 每個(gè)錨栓的抗拉承載力 ,因其邊界情況以及 相鄰間距不同承載力各不相同 ,分別計(jì)算如下 :錨栓 1 , 需考慮邊距以及與錨栓 2 、4 的中距折 減

16、 ,= v + n + m as1r vfy0 . 8bfy 1 . 3rbfy z3340 . 9 ×1015 . 5 ×10=+0 . 90 ×0 . 70 ×30029 . 4 ×1060 . 8 ×0 . 85 ×3001 . 3 ×0 . 9 ×0 . 85 ×300 ×300n122rd ,c = 75 . 5 ×1 . 2 ×1 ×0 . 68 ×0 . 68 ×0 . 79= 621mm as =1385mm= 33 .

17、 1kn錨栓 2 ,僅需考慮與錨栓 1 、3 的中距折減 ,as2 = n + m 0 . 8bfy 0 . 4r bfy z3615 . 5 ×1029 . 4 ×10n2rd ,c = 77 . 5 ×1 . 2 ×1 ×0 . 68 ×0 . 68 = 41 . 9kn=+0 . 8 ×0 . 85 ×3000 . 4 ×0 . 9 ×0 . 85 ×300 ×300= 1144mm2 as = 1385mm2上述算例表面 ,在同等荷載作用下預(yù)埋件錨筋4) 錨栓抗剪承載

18、力承載力 ,需要考慮邊距及中距修 正 , 以 錨 栓 1 為 例 , 錨 栓 邊 距 和 中 心 距 均 為150mm 且剪力方向與柱邊平行 ,較化學(xué)錨栓的鋼材用量上有較大的節(jié)省 ,兩者無(wú)法直接對(duì)應(yīng)套用 。造成承載力差距較大的主要原因在 于較小邊距和中距的情況下兩者破壞模式不同 ,預(yù) 埋件壞損更多的表現(xiàn)為錨筋失效 ,而化學(xué)錨栓表現(xiàn) 為混凝土先行破壞 ,錨栓強(qiáng)度并未充分發(fā)揮 。五 結(jié)語(yǔ)化學(xué)錨栓和植筋的構(gòu)造要求與混凝土預(yù)埋件相 比有更高的要求 ,而承載力通常會(huì)較同等配筋的預(yù) 埋件小 。由于化學(xué)錨栓和植筋通常作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施 工中拾遺補(bǔ)缺的手段 ,設(shè)計(jì)人員必須注意其適用性 。致謝 :本公司高工周炳桐先

19、生對(duì)全文進(jìn)行了 審閱并提出寶貴意見(jiàn) , hilti 中國(guó)有限公司朱國(guó)棟先生在設(shè)計(jì)施工中給以了大量的技術(shù)支持 ,在此表示感謝 。參考文獻(xiàn)far ,v = 3 ×150 + 2 ×150150 = 0 . 95 ;f,v = 23 ×3 ×105 105v1rd ,c = 15 . 4 ×1 . 34 ×0 . 95 ×2 = 39 . 2nrd = min (nrd ,c ;nrd ,s) = 33 . 1 > nmax = 30 . 2knvrd = min (vrd ,c ;vrd ,s) = 39 . 2 > vs = 5 . 1kn5) 錨栓組合承載力計(jì)算如下 :- 21 . 51 . 5cos9 . 6sin9 . 63fm rd =+33 . 139 . 2= 32 . 4 30 . 22 + 5 . 12 = 30 . 6 kn(2) 當(dāng)采用預(yù)埋件方案時(shí) ,設(shè)錨筋仍為 3 層 ,每 層直錨筋 314 ,為 hrb335 鋼筋 ,其他條件不變 。fy= 300n/ mm2 ,fc = 21