中美规范地脚锚栓抗拉设计对比

作者：赵媛媛 倪南

来源：《装饰装修天地》2016年第09期

        摘要：结合中美相关规范，对地脚锚栓在承受拉力时可能发生的五种破坏模式进行论述，结合规范中给定的计算公式，讨论影响锚栓抗拉承载力的因素；并对核电厂预埋地脚锚栓设计方法的选用给出建议。

        关键词：预埋地脚锚栓；抗拉强度；破坏模式

        前言

        预埋地脚锚栓是设备和结构钢柱与混凝土基础连接的常见方式，其有效性直接影响连接设备和结构的安全性，重要性不容小觑。现行中国规范明确给出预埋地脚锚栓锚固设计方法的有针对冶金行业的GB 50696-2011《钢铁企业冶金设备基础设计规范》，目前我国尚未出台核安全相关地脚锚栓的设计规范，而美国ACI 349 规范是目前首选的相关规范。本文将结合中美规范的对比对核电厂预埋地脚锚栓的抗拉设计方法进行探讨。

        一、预埋地脚锚栓的抗拉设计方法

        国内外对锚栓的抗拉性能研究成果表明，地脚锚栓受拉时，根据不同边界条件和自身情况，破坏模式有以下五种：锚栓破坏（钢材破坏）、锚栓拔出破坏、混凝土崩裂破坏、混凝土侧面爆裂破坏和混凝土劈裂破坏。各种破坏模式下锚栓抗拉承载力的最小值即为该锚栓的抗拉承载力设计值。

        1.锚栓破坏

        锚栓破坏，即锚栓达到抗拉承载力极限被拉断，属于延性破坏，如图2.1（ⅰ）所示。中美规范中关于锚栓的抗拉承载力的计算公式的形式是相同的，为锚栓面积和锚栓抗拉强度乘积。

        2.锚栓拔出破坏

        混凝土与锚杆的粘结破坏是不带端头锚栓受拉破坏的常见模式，混凝土与锚杆的粘结强度较小，核电厂预埋地脚锚栓一般选用大头或带端板的锚栓避免发生粘结破坏。拔出破坏既指大头锚栓或带端板锚栓端部承压面上的混凝土发生局部压碎破坏进而拔出，属于脆性破坏，如图2.1（ⅱ）所示。可通过配置约束钢筋（如螺栓末端区域的螺旋钢筋）增大锚栓拔出强度。

        ACI 349-2006给出大头锚栓名义抗拔强度的计算公式为：

        其中，为开裂混凝土中单个受拉锚栓的抗拔强度，对于大头锚栓，为锚栓端头的承压面积（单位为in2），为混凝土的名义抗压强度，既圆柱体抗压强度标准值；为锚栓抗拔强度修正系数，混凝土开裂时取1.0，混凝土不开裂时取1.4。

        由公式（2.2.1）可知锚栓的拔出破坏强度与锚栓的埋深无关，由锚栓端头承压面积、混凝土抗压强度及混凝土的开裂状况决定。

        3.混凝土崩裂破坏

        混凝土崩裂破坏，即锚栓受拉时混凝土基材形成以锚栓为中心的倒锥体破坏形式，锚栓埋深不够时会发生这种破坏，如图2.1（ⅲ）所示。

        混凝土锥体破坏时地脚锚栓的抗拉承载力设计值为：

        其中，为地脚锚栓端部有效直径；为混凝土抗拉强度设计值；为地脚锚栓有效锚固长度；和为混凝土锥体实际投影面积；和为混凝土锥体理想投影面积；为受边距影响的锚栓抗拉强度修正系数， 为受裂缝影响的修正系数，为单个受拉预埋锚栓的混凝土基本抗崩裂强度。

        对比中美公式可知：1）中美标混凝土破坏锥体取法不同，国标假定破坏面以45°角的圆锥面从锚栓端头开始向外延伸；美标采用更接近实验数据的CCD法的破坏模型，即破坏锥体类似于四棱锥（倾斜面为35°），投影面积通过螺栓中心向外扩展得到。2）国标假设破坏面上混凝土平均抗拉应力约为0.7，采用水平投影面进行计算，并视整个破坏面的应力相同；美标单个锚栓的基本抗崩裂强度计算公式为经验公式。3）中美标都表明混凝土锥体破坏时锚栓的抗拉承载力随锚固深度和混凝土强度的增加而增大；4）美标考虑了边距、间距及混凝土开裂对锚栓抗拉承载力的影响，国标未体现。

        4.混凝土侧面爆裂破坏

        如果锚栓边距很小，锚栓端头附近较大的局部挤压应力会造成混凝土侧面爆裂破坏，如图2.1（ⅳ）所示。

        ACI-349-2006给出名义抗侧面爆裂强度如下：

        对于预埋深度较深且距离混凝土一个自由边较近（）的单个大头锚栓，其名义抗侧面爆裂强度为

        其中，为锚栓中心到混凝土边缘的最小距离，为锚栓中心沿垂直方向到混凝土边缘的距离。由公式可知影响锚栓抗侧面爆裂强度的因素主要有混凝土强度、锚栓端头承压面积和锚栓边距。

        5.混凝土劈裂破坏

        混凝土劈裂破坏多是因为混凝土构件厚度较小，锚栓问距较小以及锚栓离混凝土边缘距离很近造成的，如图2.1（ⅴ）所示。主要通过控制锚栓的边距、间距及厚度等构造要求避免出现劈裂破坏，中美规范都给出了相关规定。

        二、结语

        地脚锚栓受拉有锚栓破坏、锚栓拔出破坏、混凝土崩裂破坏、混凝土侧面爆裂破坏和混凝土劈裂破坏五种破坏模式。影响锚栓抗拉承载力的因素有锚栓直径、锚栓抗拉强度、混凝土强度、锚固深度、锚栓端头承压面积、锚栓间距、锚栓边距、混凝土开裂情况等。

        在最常见的混凝土崩裂破坏模式中，GB 50696和ACI 349采用了不同的破坏面模型，其中ACI 349采用的计算公式更接近实验结果。在目前的核电厂设计工作中建议按照ACI 349进行地脚锚栓的设计，并辅以必要的试验验证。

        参考文献：

        [1]童根树，等.钢柱脚锚栓的设计方法[J].建筑钢结构进展，2005（1）：27-36.

        [2]ACI 349-2006 Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures （ACI 349-06） and Commentary. APPENDIX D—ANCHORING TO CONCRETE

        [3]GB 50696-2011.中华人民共和国国家标准.钢铁企业冶金设备基础设计规范.中国计划出版社，2011.