化学锚栓设计

1、化 学 锚 栓 设 计中国石化集团上海工程公司 (200120) 严峰摘要 化学锚栓 、植筋的施工技术应用日益广泛 ,它们的设计有着其自身的特点 。设计方法与传统的预埋件锚筋有着较大的区别 ,本文着重介绍化学锚栓的设计概念 ,并与混凝土预埋件的异同作了分析和比较 。关键词 化学锚栓 植筋 预埋件化学锚栓与植筋技术在最近几年有着长足的发展其应用范围也越来越广泛 ,植筋通常用于结构加 固改造以及混凝土新增结构构件连接等方面 ,化学锚栓更多用于钢结构与混凝土构件以及设备底座与混凝土基础的连接节点等部位 。近年笔者接触的不 少涉外项目的外方业主提出土建施工现场不许焊接 ,不得使用预埋件 ,这时化学锚栓

2、和植筋的设计就 成为结构设计的重要内容之一 。国内现行混凝土规范没有涉及化学锚栓的内 容 ,仅见个别公司的设计规定要求化学锚栓等安全 系数不小于 4 . 0 。连接节点是涉及结构安全的重要 构造 ,如果缺乏对化学锚栓特点的深入了解 ,笼统采取安全系数法较易造成设计失误 。本文结合近年的工程实践以及国外专业厂商提供的资料 ,对化学锚 栓的设计概念作简单介绍并与钢筋混凝土预埋件的 异同逐一比较 。由于植筋的设计方法与化学锚栓基 本相同 ,本文中对此不作严格区分 。1 构造要求钢筋混凝土结构中的预埋件锚筋的承载力主要 受锚筋强度和锚板变形控制 ,计算采用半经验半理论公式 ,规范给出的承载力公式与锚筋

3、间距 、锚筋边 距没有直接相关 。化学锚栓 (包括植筋) 是在结构施工完成并达到强度再后期钻孔 ,利用化学粘结剂与混凝土连接 。化学锚栓的埋设深度 ( 一般钻孔深度 略大于锚栓植入长度) 即锚固长度与混凝土预埋件锚筋相比其长度较小 ,约为 10d 3 ( d 为钢筋 、锚栓直 径 ,下同) ,而混凝土规范规定的受压 、受剪混凝土的锚筋长度不小于 15d 及 250mm ,受拉锚筋锚固长度 更长 。混凝土规范第 9 . 3 . 1 条对钢筋锚固做了很详细 的规定 ,但其中没有涉及钢筋间距和边距问题 。美aci 规定 ,钢筋净距小于等于 2d 或者保护层厚度小于钢筋直径时的锚固长度修正系数取 2

4、. 0 。又规定 当梁柱钢筋锚固区域满足横向最小箍筋的要求且净距不小于 3d 且满足最小保护层厚度时不需做锚固长度修正 ;保护层厚度不小于 2d 且净距不小于 3d的任何钢筋也不作锚固长度修正 ; 其他情况长度修 正系数 1 . 4 ,可见混凝土结构中钢筋间距边距是不容被忽视的重要构造之一 。化学锚栓的破坏包含锚栓本体破坏和混凝土破坏两大类 ,设计中以后者破 坏控制的情况居多 ,因此锚栓 、植筋的中心距和边距 是决定其承载力的关键因素 ,这是其有别于混凝土预埋件锚筋的特点 。化学锚栓节点的锚板厚度应按混凝土规范相关 规定执行 ,特别当锚栓间距较大时更应较规范要求采取增加板厚或者增加加劲板等附加

5、构造措施 。预 埋件锚筋与锚栓 、植筋的最小边距和中心距比较见 下表 :3 按文献 2 说明2承载力计算2. 1化学锚栓 、植筋的在单一荷载作用下的破坏模 式主要有下列四种情况 :(1) 在较大的边距和中距情况下的锚栓周围混 凝土锥体破坏类型受拉 、受弯受剪钢筋混凝土预 埋件锚筋中心距和边 距均不小于3d 和 45mm中心距6d 和 70 且不 大于 300mm竖向边距 c6d 和 70最小 4d 3横向边距 c3d 和 45最小 2d 3化学锚栓 、植筋4 . 5d5d(4) 在较小的边距情况下锚栓周围混凝土劈裂破坏 ,该情况下的承载力均小于上述三种情况 ,因此 设计化学锚栓时应避免采用太小

6、的边距 。2. 2抗剪验算(1) 化学锚栓的抗剪主要是针对上述 (3 ) 、(4) 破 坏模式进行承载力验算 。v vrd其中 vrd为锚栓抗剪承载力 ,按下列公式取用 :vrd = min (vrd ,c ;vrd ,s) vrd ,s为锚栓的钢材抗剪承载力 ;vrd ,c 为混凝土边缘破裂时的抗剪承载力 ,其计 算公式如下 :规范明确受剪预埋件的锚固长度取 15d ,文献 2提出当锚固长度 1a 不足时可按下式折减 , 但最小 锚固长度不小于 5d 。当 5d l < 15d 时折减系数按下式计算 :l()3 = 1 - 0 . 027 15 -d由上述比较可知虽然规范预埋件设计公式

7、主要与混凝土和钢筋相关 ,但边距同样是影响其承载力 的重要因素之一 。无论是预埋件锚筋还是化学锚栓均应选取较大的边距和中距 ,以充分提高其承载力 。2. 3抗拉验算(1) 化 学 锚 栓 的 抗 拉 承 载 力 主 要 按 上 述 ( 1 ) 、(2) 、(3) 三种破坏模式进行验算 ,公式如下 :n nrdvrd ,c = v0 d ,cfb ,vfar ,vf,vr其中 ,v0 为混凝土边缘破裂承载力基本值 ;rd ,c其中 :n 为锚栓抗拉承载力 ,取三种破坏锚栓rdfb ,v为混凝土强度影响系数 ;far ,v为锚栓边距与中心距影响系数 ;f,v为剪力方位调整系数 ,剪力指向混凝土构件

8、 边缘时为 1 . 0 ;平行构件边缘时为 2 . 0 。可见抗剪承载力影响因素包括混凝土强度等级 、锚栓中心距和边距等 ,其中锚栓中心距 、边距通 常会起控制作用 。(2) 混凝土预埋件抗剪承载力按下列公式计算 :v as r vfy其中 , v 锚筋抗剪强度系数按下式计算 :承载力的最小值确定 ,即nrd = min (nrd ,c ;nrd ,p ;nrd ,s) nrd ,c混凝土锥体破坏承载力 ;nrd ,p锚栓粘结破坏承载力 ;n锚栓钢材抗拉承载力 。rd ,s混凝土锥体破坏 (break - out failure) 承载力计算公式为 :nrd ,c = n0 ff ffrd ,

9、c b ,n t a ,n r ,nn0rd ,c为混凝土锥体破坏承载力基本值 ;fa ,n为锚栓间距影响系数 ;f r ,n为锚栓边距影响系数 。混凝土粘结破坏 ( pull - away failure) 承载力计算f cv = (4 . 0 - 0 . 08d)fy0公式为 :nrd ,p = nrd ,pfb ,nf tr 锚筋层数的影响系数 ,锚筋等间距布置时 ,二层取 1 . 0 ;三层取 0 . 9 ; 四层取 0 . 85 。当边距不足时 混凝土规范没有说明该如何处理 ,对此情况文献 2 提供的折减公式如下 :0nrd ,p为锚栓粘结破坏承载力基本值 ;fb ,n为混凝土强度影

10、响系数 ;f t 为锚栓埋设深度影响系数 。上述公式表明 ,锚栓抗拉承载力变化规律类同 于锚栓抗剪承载力 ,间距 、边距是影响承载力的主要 因素之一 。另外 ,某些类型的锚栓不再仔细区分粘 结破坏和锥体破坏 ,而是统一归入混凝土破坏承载 力 ( concrete cone/ pull - out resistance) 。(2) 混凝土预埋件抗拉承载力计算公式为n as0 . 8abfy式中 ,(1) 当横向间距 c , 2 c 3 时按下列公式折d减 : c2 = 0 . 008 (3 -d )c1(2) 当竖向边距 c1 ,4 d 6 时 ,折减系数按以下情况取值 :c1d= 6 , 4

11、= 1 ;b = 0 . 6 + 0 . 25 t 锚板弯曲变形折减系数 ;dc1= 5 , 4 = 0 . 75 ;ladc1a =为抗拉锚筋长度线性折减系数 , 对于直la接承受动力荷载或地震荷载取 1 . 0 。规范的条文说明还规定锚筋最小长度不得小于 0 . 5 和 15 d 。 由于混凝土预埋件和化学锚栓的破坏模式不尽= 4 , 4 = 0 . 5 ;dc1d 为中间值时内插确定4 。相同 ,因此他们在同样情况下抗拉承载力存在较大差异 ,这在本文的实例比较中可以更为直观的了解 。3 组合荷载普通预埋件的应力组合根据试验结果按轴力 、 弯矩和剪力采取线性相关处理 ,化学锚栓节点中每个螺

12、栓的边界条件各不相同 ,承载力也不尽相同 ,因 此无法作类似处理 。文献 3 对拉剪作用下的化学锚 栓节点采用锚栓群承载力验算方法 ,但尚未有涉及 拉弯剪荷载共同作用下的节点设计 。对于含有弯矩 复杂受力状态的化学锚栓节点设计 ,可以借鉴钢结构规范中按螺栓最不利位置的验算方法 。3. 1 受拉力与弯矩共同作用时 ,按下列公式验算 ,简图见图 1 :其中 ,nmax按 (3 . 1 . 1) (3 . 1 . 2) 两公式验算 。vs = v vrdn组合应力验算公式为 : frd n2+ v2max s其中 ,文献 3 给出的锚栓组合承载力公式如下 :- 21 . 5sim 1 . 5cos3

13、frd =+nrdvrdvs式中 , 为荷载夹角 , = arctan4算例比较nmax计算受拉 、弯 、剪共同作用的某钢梁与混凝土柱的连接节点 。(1) 采用化学锚栓布置如图 2 ; 8m24 锚栓 ,混凝 土强度等级 c45 ,锚板厚度 14mm , 标准锚栓埋设长 度 。图 1my1 0 时 ,n -1)nny2i my1 nmax = n +n(3 . 1 . 1)n y2irdn图 2my1n -轴向拉力 n = 15 . 5 kn ;弯矩 m = 29 . 4 ;剪力 v =40 . 9kn2)0 时 ,ny2ni my1 nmax = n +1 锚栓内力计算 :)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 为所验算的锚栓到锚栓群形心的竖向距离 ;y1 为所验算的锚栓到最外排受压锚栓的竖向距离 ;y1 为所任一锚栓到最外排受压锚栓的竖向距离 ;e 为轴力到最外排受压锚栓到竖向距离 。3. 2受拉力 、剪力和弯矩共同作用时 ,验算公式如 下 :vs = 40 . 9 = 5 . 1kn8= arctg 5 . 1 = 9 . 6°30 . 22) 锚栓设计基本参数 ,按文献

15、3 提供的资料为 :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 。锚栓抗拉间距修正 ,锚栓间距 150mm 时为n ;nfa ,n = 0 . 68 ;锚栓边距 150mm 时为 f r ,n = 0 . 79 。3) 每个锚栓的抗拉承载力 ,因其边界情况以及 相邻间距不同承载力各不相同 ,分别计算如下 :锚栓 1 , 需考虑边距以及与锚栓 2 、4 的中距折 减

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锚栓 2 ,仅需考虑与锚栓 1 、3 的中距折减 ,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 ,在同等荷载作用下预埋件锚筋4) 锚栓抗剪承载

18、力承载力 ,需要考虑边距及中距修 正 , 以 锚 栓 1 为 例 , 锚 栓 边 距 和 中 心 距 均 为150mm 且剪力方向与柱边平行 ,较化学锚栓的钢材用量上有较大的节省 ,两者无法直接对应套用 。造成承载力差距较大的主要原因在 于较小边距和中距的情况下两者破坏模式不同 ,预 埋件坏损更多的表现为锚筋失效 ,而化学锚栓表现 为混凝土先行破坏 ,锚栓强度并未充分发挥 。五 结语化学锚栓和植筋的构造要求与混凝土预埋件相 比有更高的要求 ,而承载力通常会较同等配筋的预 埋件小 。由于化学锚栓和植筋通常作为结构设计施 工中拾遗补缺的手段 ,设计人员必须注意其适用性 。致谢 :本公司高工周炳桐先

19、生对全文进行了 审阅并提出宝贵意见 , hilti 中国有限公司朱国栋先生在设计施工中给以了大量的技术支持 ,在此表示感谢 。参考文献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) 锚栓组合承载力计算如下 :- 21 . 51 . 5cos9 . 6sin9 . 63fm rd =+33 . 139 . 2= 32 . 4 30 . 22 + 5 . 12 = 30 . 6 kn(2) 当采用预埋件方案时 ,设锚筋仍为 3 层 ,每 层直锚筋 314 ,为 hrb335 钢筋 ,其他条件不变 。fy= 300n/ mm2 ,fc = 21