預(yù)埋地腳錨栓的延性和承載能力協(xié)同分析*

姚金滿

(浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310052)

0 引言

建(構(gòu))筑物鋼結(jié)構(gòu)框架柱的地腳錨栓設(shè)計(jì)應(yīng)按結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮,錨栓鋼材應(yīng)滿足具體要求的斷后伸長(zhǎng)率,以保證基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)柱之間變形協(xié)調(diào)連續(xù)。錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)以鋼材的屈服強(qiáng)度換算得出,不應(yīng)采用極限抗拉強(qiáng)度。

研究地腳錨栓的材質(zhì)要求、強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、預(yù)埋深度、力傳遞概念及其他不利因素,有利于保證框架結(jié)構(gòu)的整體可靠性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的局部連接常用普通螺栓連接、焊縫連接、高強(qiáng)度螺栓連接、銷(xiāo)軸連接、后置螺栓(植筋)連接等。鋼結(jié)構(gòu)柱與基礎(chǔ)之間的外露式連接常用地腳錨栓(或地腳螺栓,錨栓)連接、銷(xiāo)軸連接、直接焊接連接、基礎(chǔ)杯口插入式連接等。

鋼結(jié)構(gòu)框架柱與混凝土基礎(chǔ)之間的栓接連接名稱(chēng),采用柱腳錨栓[1](baseplate bolts)還是地腳螺栓[2](embedded bolts),工程應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)?；煜?。螺栓與錨栓的共同點(diǎn)是均采用極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fu換算[1]其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,沒(méi)有與柱協(xié)調(diào)一致的斷后伸長(zhǎng)率要求,屬于普通C級(jí)螺栓概念,使錨栓處于整體連接的最薄弱環(huán)節(jié)。

柱腳錨栓(錨栓)是GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第12.7的名稱(chēng),屬于普通C級(jí)螺栓概念,沒(méi)有材質(zhì)的延性要求。錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力,此水平反力由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力(摩擦系數(shù)取0.4)或設(shè)置抗剪鍵承受。非受力錨栓宜采用Q235B鋼,端部彎鉤的預(yù)埋長(zhǎng)度≥20d,端部錨板的預(yù)埋長(zhǎng)度≥12d(d為錨栓直徑)。

地腳螺栓是GB 50191—2012《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第16.3.5的名稱(chēng),也屬于普通C級(jí)螺栓概念,沒(méi)有材質(zhì)的延性要求。地腳螺栓應(yīng)設(shè)置端部彎鉤或錨板,不得承受地震剪力,柱底地震剪力應(yīng)由底板與基礎(chǔ)間的摩擦力或抗剪鍵承受。采用Q235鋼時(shí),預(yù)埋深度不得小于20d;采用Q345鋼時(shí),預(yù)埋深度不得小于25d。

地腳錨栓(anchor bolts)是本文的名稱(chēng),鋼結(jié)構(gòu)框架柱腳由地腳錨栓錨固于基礎(chǔ),并具有良好的抗地震、抗風(fēng)振等錨固協(xié)調(diào)作用時(shí),埋入端錨固構(gòu)造措施應(yīng)采用加勁T形地腳錨栓(見(jiàn)圖1),應(yīng)有與柱協(xié)調(diào)一致的斷后伸長(zhǎng)率,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按鋼材的屈服強(qiáng)度除以錨栓的抗力分項(xiàng)系數(shù)換算得出,不應(yīng)采用極限抗拉強(qiáng)度。

圖1 加勁T形地腳錨栓Fig.1 Stiffened T-shaped anchor bolts

框架整體地腳錨栓材質(zhì)的斷后伸長(zhǎng)率A應(yīng)≥20%,局部高強(qiáng)鋼材的錨栓A可按≥17%選用[3],以滿足結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)工作。構(gòu)造要求的地腳錨栓可選用Q235B鋼,按承載能力計(jì)算確定的地腳錨栓材質(zhì)應(yīng)選用不低于Q345B的鋼材,并優(yōu)先滿足斷后伸長(zhǎng)率要求。

選用高強(qiáng)鋼材的地腳錨栓時(shí),應(yīng)按斷后伸長(zhǎng)率≥17%,屈強(qiáng)比≤0.75的原則選用,以保證鋼結(jié)構(gòu)框架柱腳的延性和耐疲勞性能,不因鋼材的強(qiáng)度高而忽視地腳錨栓的延性要求。

預(yù)埋于基礎(chǔ)內(nèi)的地腳錨栓,埋入端須設(shè)置可靠的錨固措施,如圖2所示,混凝土錨固邊距按≥5d考慮。

圖2 普通錨固措施的地腳錨栓Fig.2 Anchor bolts for ordinary anchoring measures

1)J形地腳錨栓 埋入端設(shè)置180°彎鉤錨固,內(nèi)圓弧半徑為2.5d,適宜直徑較小的普通錨固,錨栓公稱(chēng)直徑適用范圍為M24～M42,如圖2a所示。

2)普通T形地腳錨栓 埋入端設(shè)置焊接錨板或螺栓錨板,板寬為4d,適宜直徑較大的普通螺桿錨固,錨栓公稱(chēng)直徑適用范圍為M30～M64,如圖2b,2c所示。

3)加勁T形地腳錨栓 埋入端設(shè)置焊接加勁錨板,錨固性能最好,較大受拉的錨栓應(yīng)優(yōu)先采用,混凝土錨固邊距不應(yīng)小于6d,錨栓公稱(chēng)直徑適用范圍為M36～M100,如圖3所示。

圖3 加勁T形地腳錨栓構(gòu)造Fig.3 Stiffened T-shaped anchor bolts

4)后錨固連接采用GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的后錨固倒錐形化學(xué)錨栓或螺桿植筋,前者為普通C級(jí)螺栓,屈強(qiáng)比均為0.8,斷后伸長(zhǎng)率≤14%,錨固深度不足9d,不應(yīng)作為主要構(gòu)件的錨固連接;主要受力構(gòu)件的后錨固可采用全螺紋的螺桿植筋錨固,如圖4所示。

圖4 倒錐形螺栓及螺桿植筋Fig.4 Inverted conical bolts and screw reinforcements

1 地腳錨栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算關(guān)系

地腳錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值換算應(yīng)采用屈服強(qiáng)度的概念,應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一致。普通C級(jí)螺栓僅驗(yàn)算受拉應(yīng)力和受剪應(yīng)力,接觸擠壓應(yīng)力僅對(duì)連接板進(jìn)行驗(yàn)算,不驗(yàn)算螺栓的承壓應(yīng)力,這是不合理的,因?yàn)槁輻U與連接板之間的正接觸擠壓應(yīng)力是相互作用的。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的柱腳錨栓屬于連接節(jié)點(diǎn),附加延性要求的地腳錨栓屬于連接構(gòu)件,受力共同點(diǎn)是抗剪能力微弱。承受較大拉力的地腳錨栓(柱腳錨栓、地腳螺栓),應(yīng)優(yōu)先采用低合金結(jié)構(gòu)鋼[4]和鋼拉桿(GLG)[5]。

1.1 地腳螺栓的等效承載系數(shù)K值

表1 地腳螺栓的鋼材等效承載力系數(shù)K值Table 1 K value of the steel equivalent bearing coefficient of anchor bolts

(1)

(2)

(3)

1.2 地腳錨栓的抗力分項(xiàng)系數(shù)KR

地腳錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用鋼材的屈服強(qiáng)度換算得出,鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)[1]如表2所示。強(qiáng)度高于Q460鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.094[3],此值偏小。鋼拉桿[5]屬于熱處理低合金高強(qiáng)鋼,用于錨栓時(shí),抗力分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取與Q460鋼相同,即1.180。

表2 錨栓鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)γRTable 2 Resistance termination coefficient of anchor steel γR

地腳錨栓對(duì)于結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)性非常重要,實(shí)際受力(受拉、受剪、受彎等)過(guò)程中的不確定性因素較多,比純拉桿構(gòu)件的受力更復(fù)雜,因安裝差異使錨栓抗剪能力差異很大。JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,索(鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩)產(chǎn)品的抗力分項(xiàng)系數(shù)為2.0,鋼拉桿的抗力分項(xiàng)系數(shù)[6]為1.7;地腳錨栓與鋼拉桿同為以受拉為主的構(gòu)件,首次提出,將鋼拉桿的抗力分項(xiàng)系數(shù)乘以鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)γR,得出地腳錨栓的抗力分項(xiàng)系數(shù)KR,如表3所示。由表3可知,地腳錨栓的抗力分項(xiàng)系數(shù)KR值與地腳螺栓的承載系數(shù)K值一致,但地腳錨栓的工程應(yīng)用概念更清晰,性能更可靠。

表3 基于KR的地腳錨栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Table 3 Design value of anchor bolts strength based on KR

地腳錨栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算如下:

(4)

KR=1.70γR

(5)

2 地腳錨栓的材質(zhì)要求及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

當(dāng)構(gòu)造設(shè)置錨栓或拉力較小時(shí),錨栓鋼材宜采用Q235級(jí)鋼,錨栓公稱(chēng)直徑不應(yīng)小于M30;鋼結(jié)構(gòu)框架柱的錨栓群受力較大,空間受力較復(fù)雜,錨栓鋼材應(yīng)整體采用Q345或Q390鋼制作,局部錨栓可采用更高強(qiáng)度的鋼拉桿鋼材(GLG550)制作。

2.1 地腳錨栓的鋼材選用要求

JGJ/T 483—2020《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定鋼材的最低斷后伸長(zhǎng)率A≥16%,當(dāng)用于地腳錨栓時(shí)斷后伸長(zhǎng)率按不小于17%選用;斷后伸長(zhǎng)率A=17%與Α50=20%相當(dāng),保證鋼材具有足夠的塑性變形協(xié)調(diào)能力。普通C級(jí)螺栓的屈強(qiáng)比均為0.80,在滿足斷后伸長(zhǎng)率的情況下也可用于較小偏心受壓柱的錨固。綜合鋼材的性能參數(shù)和彈塑性變形要求,建議地腳錨栓的材質(zhì)要求如下。

1)鋼材的斷后伸長(zhǎng)率應(yīng)優(yōu)先采用A≥20%的鋼材,局部錨栓可采用更高強(qiáng)度的鋼拉桿鋼材,斷后伸長(zhǎng)率不得小于17%。

2)鋼材屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不宜大于0.75,不應(yīng)大于0.80。

3)錨栓的材質(zhì)進(jìn)行熱處理后,保持不降低桿材原有的斷后伸長(zhǎng)率。

4)為了與混凝土的錨固作用相協(xié)調(diào),鋼拉桿的強(qiáng)度等級(jí)宜不超過(guò)GLG550。

5)腳錨栓的埋入部分應(yīng)符合構(gòu)件的除銹設(shè)計(jì)要求,不宜鍍鋅,以保證與混凝土之間的黏結(jié)性。

2.2 地腳錨栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表達(dá)式

表5 地腳錨栓與地腳螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Table 5 Strength design value of anchor bolts and embedded bolts

3 地腳錨栓的預(yù)埋深度與混凝土強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳的地腳錨栓不應(yīng)考慮承受地震(風(fēng)振)水平剪力,柱底剪力應(yīng)由底板與基礎(chǔ)之間的摩擦力或抗剪鍵承受。地腳錨栓常采用光滑圓桿,預(yù)埋深度的計(jì)算采用混凝土的抗拉鋼筋概念。柱腳安裝時(shí)禁止增設(shè)“調(diào)整螺母”,以避免地腳錨栓承受柱底壓力。

地腳錨栓埋入端須設(shè)置錨固措施,在滿足鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)(見(jiàn)表6)的條件下,錨栓的預(yù)埋深度須保證不低于某個(gè)數(shù)值,以保證混凝土的有效錨固。①對(duì)于設(shè)置180°彎鉤或單錨板的抗拉最小預(yù)埋深度(見(jiàn)圖2),Q235B鋼取la≥20d, Q355鋼取la≥25d;②對(duì)于焊接加勁錨板的地腳錨栓(見(jiàn)圖3),Q235B鋼取la≥15d,Q355鋼取la≥20d; ③錨栓抗剪的最小預(yù)埋深度,Q235B鋼取lv≥12d,Q355鋼取lv≥15d。

表6 地腳錨栓的預(yù)埋深度對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)Table 6 The embedded depth of the anchor bolt corresponds to the concrete strength grade

3.1 地腳錨栓的預(yù)埋深度按屈服強(qiáng)度計(jì)算

地腳錨栓在結(jié)構(gòu)整體協(xié)同工作中屬于最關(guān)鍵的構(gòu)件,不應(yīng)看成是提高了安全系數(shù)的螺栓,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)以桿材的屈服強(qiáng)度為換算依據(jù),采用抗力分項(xiàng)系數(shù)KR確定。地腳錨栓的預(yù)埋深度應(yīng)按受拉鋼筋的錨固概念計(jì)算確定。①地腳錨栓的公稱(chēng)直徑取不小于30mm,錨固長(zhǎng)度增大系數(shù)取1.15;②施工過(guò)程中易擾動(dòng)使錨栓錯(cuò)位,取增大系數(shù)1.15;③地腳錨栓的最小錨固邊距應(yīng)不小于5d,取修正系數(shù)0.70;④地腳錨栓圓桿的末端設(shè)置180°彎鉤或錨板, 錨固長(zhǎng)度折減0.70倍。則影響受拉錨栓的預(yù)埋深度修正系數(shù)ζc=1.15×1.15×0.70×0.70=0.65。地腳錨栓受拉計(jì)算預(yù)埋深度la采用受拉鋼筋[7]的計(jì)算公式,圓桿外形系數(shù)取α=0.16:

(6)

當(dāng)錨栓作為純受剪構(gòu)件時(shí),以式(6)替換強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算抗剪預(yù)埋深度lv:

(7)

(8)

式中:f為鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa);ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa);fv為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa);d為地腳錨栓螺桿的公稱(chēng)直徑(mm);lv為地腳錨栓的抗剪錨固深度(mm);la為地腳錨栓的抗拉錨固深度(mm)。

進(jìn)行地腳錨栓的預(yù)埋深度計(jì)算前,應(yīng)首先考慮鋼筋混凝土的強(qiáng)度等級(jí),鋼材的強(qiáng)度等級(jí)與錨栓的預(yù)埋長(zhǎng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示,方便錨栓工程設(shè)計(jì)者參考。計(jì)算地腳錨栓的預(yù)埋深度應(yīng)按受拉鋼筋的錨固概念進(jìn)行,通過(guò)對(duì)地腳錨栓的預(yù)埋長(zhǎng)度的分析對(duì)比,混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)超過(guò)C40。

錨栓的預(yù)埋深度并不是隨著混凝土的強(qiáng)度等級(jí)增加而減小,當(dāng)錨栓采用Q235鋼時(shí),對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取值不低于C20,不高于C25;當(dāng)?shù)啬_錨栓采用Q355和Q390時(shí),對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25,不高于C30。

3.2 地腳錨栓群的埋置深度試驗(yàn)依據(jù)

埋置于基礎(chǔ)內(nèi)的地腳錨栓受拉達(dá)到極限強(qiáng)度破壞前,不應(yīng)在基礎(chǔ)表面出現(xiàn)混凝土崩裂破壞現(xiàn)象,是地腳錨栓有足夠預(yù)埋深度的前提。臧祥生等[8]對(duì)4根焊接加勁T形錨板(見(jiàn)圖1)地腳錨栓(材質(zhì)Q345)組成的錨栓群(間距3d,5d,7d)進(jìn)行試驗(yàn)得出,當(dāng)錨固長(zhǎng)度達(dá)到18d以上時(shí),錨栓的抗拔承載力變?yōu)橹饕陕輻U的抗拉強(qiáng)度控制,出現(xiàn)螺桿屈服現(xiàn)象,螺桿并沒(méi)有拉斷。對(duì)于焊接加勁T形錨板式[9]單根地腳錨栓(M36,M45,M60,材質(zhì)Q345)及180°彎鉤的J形[10]單根地腳錨栓(M36,材質(zhì)Q345),當(dāng)錨固長(zhǎng)度達(dá)到15d時(shí),拉伸試驗(yàn)均出現(xiàn)單根螺桿拉斷的現(xiàn)象。說(shuō)明錨栓群雖增強(qiáng)了抗拉承載力,但比單根錨栓更易使混凝土出現(xiàn)崩裂破壞現(xiàn)象,錨栓群的抗拉錨固長(zhǎng)度取15d不利于混凝土基礎(chǔ)。由此可見(jiàn),加勁錨板式地腳錨栓群的錨固長(zhǎng)度取不小于20d可滿足一般工程需要;當(dāng)考慮較大風(fēng)振等疲勞荷載時(shí),再加長(zhǎng)1.25倍取不小于25d也是必要的,可使錨栓在彈塑性受力狀態(tài)正常工作。

4 按規(guī)范計(jì)算地腳螺栓的預(yù)埋深度

地腳螺栓是GB 50191—2012《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》用名詞,不得承受水平剪力,剪力應(yīng)由底板與基礎(chǔ)之間的錨固摩擦力或抗剪鍵承受。地腳螺栓預(yù)埋深度按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第16.3.5的規(guī)定計(jì)算。

當(dāng)?shù)啬_螺栓采用Q235級(jí)鋼時(shí),預(yù)埋深度不得小于20d;當(dāng)?shù)啬_螺栓采用Q345鋼時(shí),預(yù)埋深度不得小于25d,混凝土的強(qiáng)度等級(jí)籠統(tǒng)要求不低于C20,沒(méi)有與混凝土強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明,概念不夠清晰,沒(méi)有反映出柱腳構(gòu)件的延性變形協(xié)調(diào)性要求。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地腳螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是按螺栓的概念確定的,以鋼材的極限抗拉強(qiáng)度為換算依據(jù),采用普通C級(jí)螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.9得出:

fat=0.9×0.42fbu=0.38fu

(9)

(10)

As/A=(1-0.938 2p/d)2

(11)

式中:As為地腳螺栓公稱(chēng)截面面積(mm2);A為地腳螺栓桿的截面面積(mm2);d為地腳螺栓的公稱(chēng)直徑(mm2);lb為地腳螺栓的計(jì)算預(yù)埋深度(mm);ft為基礎(chǔ)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);fat為地腳螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);p為粗制螺絲的螺距(mm)。

地腳螺栓的預(yù)埋深度按規(guī)范公式計(jì)算值,如表7所示。由表7可知,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20時(shí),材質(zhì)Q235級(jí)的地腳螺栓預(yù)埋深度基本滿足20d;材質(zhì)Q355級(jí)及Q390級(jí)地腳螺栓的預(yù)埋深度滿足25d時(shí),混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)為C25及以上。當(dāng)?shù)啬_螺栓采用Q345鋼與混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30組合時(shí),預(yù)埋深度約為20d,與本文中第3.2節(jié)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。由此可得出,按式(8)計(jì)算得出的預(yù)埋深度, 均應(yīng)設(shè)置加勁錨板,以保證混凝土基礎(chǔ)不會(huì)出現(xiàn)崩裂破壞現(xiàn)象。

表7 地腳螺栓的預(yù)埋深度按規(guī)范公式計(jì)算值Table 7 The embedded depth of the anchor bolt is calculated according to the standard formula

5 地腳錨栓(螺栓)的預(yù)埋深度修正系數(shù)

在抗震作用和風(fēng)振作用下承受較大拉力的地腳錨栓(螺栓),或框架結(jié)構(gòu)周邊的地腳錨栓,受力狀態(tài)較復(fù)雜,應(yīng)按承受動(dòng)力荷載考慮,錨栓末端均應(yīng)設(shè)置T形加勁錨板。為防止錨栓受力范圍內(nèi)的混凝土劈裂, 加強(qiáng)握裹作用防止失錨[6],混凝土的錨固邊距不應(yīng)小于5d,加勁T形錨栓的錨固邊距不應(yīng)小于6d;受力錨栓的錨固周邊應(yīng)合理配置受力鋼筋或設(shè)置型鋼,以保證錨栓的可靠錨固性。

設(shè)地腳錨栓的設(shè)計(jì)預(yù)埋深度為ha,按式(6)計(jì)算計(jì)算預(yù)埋深度la,結(jié)果取整數(shù)。工程設(shè)計(jì)時(shí)?？紤]地震作用,而忽視風(fēng)振荷載的不利作用。對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)荷載(風(fēng)振或者陣風(fēng))來(lái)說(shuō),節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)遠(yuǎn)比構(gòu)件加強(qiáng)重要的多,對(duì)于風(fēng)振荷載地面粗糙度A類(lèi),預(yù)埋深度修正系數(shù)的建議值如表8所示,保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命工作期間的錨固安全,供鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)者概念性參考取值,同時(shí)也可用于長(zhǎng)懸臂構(gòu)件的錨固端節(jié)點(diǎn)連接加強(qiáng)。深度修正系數(shù)取各種情況的較大值,不可連乘?！爸匾燃?jí)”的概念,屬于有一定實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者,考慮諸如施工質(zhì)量因素、荷載作用敏感因素、長(zhǎng)懸臂積雪荷載、小變形要求等各種不利因素的修正系數(shù),鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念不僅滿足相關(guān)條文的要求,更重要的是保證結(jié)構(gòu)安全。

表8 錨固深度修正系數(shù)Table 8 Anchor depth correction coefficient

ha=φala

(12)

式中:ha為地腳錨栓的設(shè)計(jì)預(yù)埋深度;la為地腳錨栓的計(jì)算預(yù)埋深度;φa為地腳錨栓的預(yù)埋深度修正系數(shù)。

6 地腳錨栓的杠桿臂抗剪能力分析

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的后錨固特殊倒錐形螺栓或全絲螺桿植筋,是將其受剪狀態(tài)區(qū)分為無(wú)杠桿臂和有杠桿臂[11]兩種情況,抗剪承載能力差距很大。地腳錨栓與后置螺栓的受力狀態(tài)是一致的,只是錨固方式不同,將后置螺栓的杠桿臂抗剪分析方法應(yīng)用于地腳錨栓的抗剪承載能力分析也是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

地腳錨栓的抗剪原理與后置螺栓的抗剪原理相同,但受力情況更復(fù)雜。構(gòu)造做法是地腳錨栓附加預(yù)埋錨板(見(jiàn)圖5),柱腳端板全接觸支承于平整的錨板,不增加較厚的鋼板調(diào)整墊塊,抗剪設(shè)計(jì)可按接近無(wú)杠桿臂考慮。當(dāng)柱腳安裝就位后,柱底板與錨板之間密切接觸,構(gòu)造保證錨栓根部不出現(xiàn)局部彎曲,在柱底板四周可焊接一些厚鋼板塊,并與柱底板側(cè)面頂緊,阻止柱底板的水平位移,保護(hù)地腳錨栓的正常的受拉狀態(tài)。

圖5 預(yù)埋錨板抗剪Fig.5 Anti-shear of embedded anchor plate

假定預(yù)埋錨板或混凝土基礎(chǔ)頂面以下處于密實(shí)狀態(tài),柱腳安裝時(shí)采取有效的傳統(tǒng)措施,可使地腳錨栓始終接近無(wú)杠桿的受力狀態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)柱腳安裝就位后大致有5種傳力狀況:①柱腳底板支承于平整的預(yù)埋錨板傳遞柱腳壓力,接觸面無(wú)滑移傳遞較小剪力;②柱腳底板與錨板之間的接觸出現(xiàn)滑動(dòng)趨勢(shì),水平剪力由底板的摩擦力傳遞,摩擦系數(shù)[4]取0.40;③當(dāng)柱腳水平剪力較大時(shí),壓力應(yīng)由錨板傳遞,剪力由柱底板摩擦力與螺桿共同承受,螺桿側(cè)面承受局部正接觸擠壓應(yīng)力,可視為無(wú)杠桿臂抗剪;④當(dāng)柱腳底板以下設(shè)置了不小于50mm的后澆筑空間時(shí),可視為有杠桿臂抗剪,此時(shí)的錨栓抗剪能力可忽略;⑤當(dāng)柱腳安裝就位受力后,柱腳底板下的微沉降使柱腳的受力呈復(fù)雜的有杠桿臂的情況;⑥柱腳安裝時(shí)增設(shè)的“調(diào)整螺母”使錨栓轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)杠桿臂壓彎短柱,如圖6,7所示,改變了柱腳壓力的傳遞途徑,應(yīng)該明確禁止。

圖6 超長(zhǎng)杠桿臂錨栓群Fig.6 Ultra-long leverage arm anchor group

6.1 無(wú)杠桿臂的錨栓受剪承載力

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)柱底板與預(yù)埋錨板頂面平整接觸時(shí),地腳錨栓承受拉力的同時(shí),可通過(guò)底板摩擦力承受水平剪力;剪力較大時(shí)錨栓螺絲弧面局部參與受剪,是一種近似無(wú)杠桿臂受力狀態(tài),實(shí)際的情況是只有軸心受壓柱(或小偏心受壓柱)的柱底板才有可能密切接觸。

當(dāng)柱腳底板直接支承于平整的預(yù)埋錨板上時(shí),錨栓將以受拉狀態(tài)工作,錨栓抗剪可按接近無(wú)杠桿臂考慮,柱腳安裝就位后,錨栓承受豎向拉力Rz為主,保證不承受豎向壓力,如圖5所示。

(13)

(14)

式中:As為錨栓有效截面面積(mm2);fct為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);fcv為抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)。

6.2 有杠桿臂的地錨栓受剪承載能力

對(duì)于增設(shè)“調(diào)整螺母”、設(shè)置二次密實(shí)澆灌混凝土(實(shí)際上達(dá)不到設(shè)計(jì)要求)的柱腳安裝方式,地腳錨栓的受力狀態(tài)將出現(xiàn)拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等,如圖7所示,應(yīng)設(shè)置附加水平抗剪件傳遞較大的水平剪力。尤其增設(shè)“調(diào)整螺母”的情況,錨栓轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶鄣氖軌憾讨?底板下部支承很虛空,形成典型的長(zhǎng)杠桿臂,錨栓失去抗剪能力,并減弱錨栓的受拉承載力。

圖7 “調(diào)整螺母”加長(zhǎng)杠桿臂Fig.7 “Adjustment nut” extended lever arm

有杠桿臂預(yù)埋錨栓的抗剪承載力Nv可借用后置螺栓[11]的抗剪表達(dá)式:

(15)

由式(15)可知,錨栓的杠桿臂使錨栓變成抗彎剪構(gòu)件,抗剪能力很低。

當(dāng)柱腳所受拉拉力足夠小或僅傳遞柱底壓力時(shí),可取Nt≈0:

(16)

如圖7所示,柱腳安裝時(shí)由增設(shè)的螺母調(diào)整柱底標(biāo)高,安裝就位后的錨栓受力狀態(tài)變成懸臂受壓短柱。設(shè)豎向反力Rz,水平反力Rx,受杠桿臂及柱腳偏心受壓影響使得錨栓受彎,產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。地腳錨栓由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)化為偏心受壓短柱構(gòu)件,單根地腳錨栓的受剪承載能力應(yīng)按式(15)計(jì)算;單根錨栓的受壓應(yīng)力按下式計(jì)算:

σ1=N1/As

(17)

單根地腳錨栓的受彎曲應(yīng)力,My=R1xl0;

(18)

式中:N1為單根錨栓所受壓力最大值(kN);R1x為單根錨栓所受水平剪力值(kN)。

可見(jiàn),錨栓的計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)于彎曲應(yīng)力影響很大,如果錨栓的彎曲情況較復(fù)雜,可將彎矩放大1.25倍。地腳錨栓可能參與受剪并與柱底板孔少量接觸,考慮到抗剪能力很弱,正接觸擠壓應(yīng)力可不計(jì)算。

6.3 地腳錨栓抗拉與抗剪能力的關(guān)聯(lián)性

地腳錨栓的螺絲產(chǎn)品應(yīng)按普通C級(jí),同時(shí)承受拉力和剪力的單個(gè)錨栓,其承載能力應(yīng)符合式(19)的要求:

(19)

表9 不同約束對(duì)應(yīng)的杠桿臂l0Table 9 Lever arms corresponding to different constraints l0

6.4 輕鋼廠房地腳錨栓的抗剪能力

7 帶“調(diào)整螺母”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定地腳錨栓不宜用以承受柱底部的水平剪力,此水平反力由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0.4)或設(shè)置抗剪鍵承受?？紤]到錨栓杠桿臂的不利影響,可將《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的“不宜”改為“不應(yīng)”或“不得”,特別是設(shè)有靴梁的地腳錨栓更不得考慮承受水平剪力。外露式柱腳受壓底板側(cè)的錨栓不應(yīng)考慮抗剪,因?yàn)楦軛U臂使錨栓進(jìn)入彎剪工作模式,降低抗拉承載力。

輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房柱安裝時(shí)習(xí)慣增設(shè)“調(diào)整螺母”調(diào)整標(biāo)高,已經(jīng)在全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集16G519《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》所示的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)柱腳安裝也采用了“調(diào)整螺母”的安裝方式,如圖8所示。雖方便了短暫的施工安裝,但將地腳錨栓由僅承受拉力的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶凼軌憾讨惺苤_的所有反力。圖集中無(wú)論是柱腳反力較小還是較大,其做法均帶有“調(diào)整螺母”,徹底改變了地腳錨栓的設(shè)計(jì)功能,明顯降低了地腳錨栓的安全儲(chǔ)備,應(yīng)明確施工時(shí)禁止增設(shè);建議《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》修改鋼柱腳的安裝示意圖。

圖8 鋼柱腳增設(shè)“調(diào)整螺母”安裝Fig.8 Installation of “adjustment nut” to steel column feet

圖8所示的“調(diào)整螺母”安裝做法,地腳錨栓首先進(jìn)入受壓狀態(tài),屬于典型的有杠桿臂受壓,在實(shí)際工程中處于有時(shí)受拉、有時(shí)受壓的狀態(tài),可能導(dǎo)致錨栓疲勞破壞。

8 結(jié)語(yǔ)

外露式柱腳的地腳錨栓是保證結(jié)構(gòu)整體正常工作的最主要連接構(gòu)件,尤其在設(shè)有重級(jí)工作制吊車(chē)的鋼結(jié)構(gòu)廠房柱中應(yīng)用更廣泛,受拉錨固概念明確,安裝方便。有斷后伸長(zhǎng)率保證的地腳錨栓受拉達(dá)到屈服強(qiáng)度后可進(jìn)入彈塑性工作階段,直至被拉斷前應(yīng)有足夠的變形協(xié)調(diào)能力。

1)預(yù)埋地腳錨栓應(yīng)視為柱腳構(gòu)件,保證鋼材的斷后伸長(zhǎng)率滿足設(shè)計(jì)要求,錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)采用屈服強(qiáng)度換算得出,受力較大的錨栓可優(yōu)先采用強(qiáng)度等級(jí)不低于Q355級(jí)的鋼材制作。

2)對(duì)地腳錨栓的材質(zhì)提出斷后伸長(zhǎng)率(≥17%)和屈強(qiáng)比(≤0.75)的具體參數(shù)要求,以保證錨栓的彈塑性滿足與框架柱的變形協(xié)調(diào)性。重要的受拉錨栓的材質(zhì)可采用鋼拉桿(GLG)鋼材,強(qiáng)度等級(jí)不高于GLG550。

3)地腳錨栓的預(yù)埋深度應(yīng)采用光面受拉鋼筋的錨固概念,由鋼材的屈服強(qiáng)度計(jì)算確定;不同場(chǎng)地條件應(yīng)采用不同的錨固長(zhǎng)度修正系數(shù),比《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的計(jì)算方法概念更清晰、更實(shí)用。

4)當(dāng)?shù)啬_錨栓計(jì)算預(yù)埋深度小于25d時(shí),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)再提高;預(yù)埋深度計(jì)算的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C40。

5)借用后錨固螺栓的杠桿臂抗剪概念,得出地腳錨栓的抗剪能力受柱腳安裝條件的影響很大,抗剪能力很弱。建議柱腳錨栓設(shè)計(jì)時(shí)不考慮抗剪,安裝時(shí)禁止增設(shè)“調(diào)整螺母”。

6)柱腳安裝時(shí)增設(shè)的“調(diào)整螺母”,使得地腳錨栓變成了受壓短柱,改變了柱腳的傳力途徑,破壞了錨栓的受力狀態(tài),建議《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》作出柱腳安裝示意的相應(yīng)修改。