美标钢结构地脚螺栓设计(抗拉)的技术总结

钢结构用地脚螺栓设计的总结葛前进摘要：简述美国标准ACI的混凝土锚固的普通预埋式地脚螺栓的计算关键词：预埋式地脚螺栓，钢筋混凝土KEYWORD：AnchoragetoConcrete，HeadedBolt,正文：一.背景概述：（锚栓受拉破环的极限状态但无对锚固长度及布置设二.技术分析：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ACI3553-11对计算及配筋设计进行了详细的举cast-intypeheadedbolt+锚栓直径不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。ACI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SteelStrengthFailureinTension，混凝土BreakoutinTension,PulloutinTension，边缘混凝土侧Side-faceBlowoutinTensionSteelStrengthFailureinShear,BreakoutinShear，混凝土撬出PryoutinShear。三.计算原理介绍：Pu（拉为正，压为负），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H，W，虑可以看作整个柱底板为刚性(rigid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压，则锚栓总拉力Tu=M/(jd)+2*Pu/(N-H),其中jd=(N/2-B +H/2)。注意此处edge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。拉力极限状态承载力的计算：SteelStrengthinTension：N=A

*f,其中f

<=Min{1.9*f

,125,000psi}sa se,N

uta

uta yaConcreteBreakoutStrengthinTension：单个锚栓：N=(A/A

)*Ψ *Ψ*Ψ*Ncb多个锚栓组：N

Nc=(A

Nco ed,N/A

c,N*Ψ

cp,N b*Ψ*Ψ *Ncbg

Nc

ec,N

ed,N

c,N

cp,N b其中：Ψ

为拉力偏心修正系数=1/[1+2*e’/(3*h)]<=1ec,NΨ

N ef为边界效应修正系数={ifC >=1.5*h,Ψ

=1.0;Otherwiseed,NΨ=0.7+0.3*C /(1.5*h

a,min

ef ed,Ned,N a,min efΨc,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}A=9*h235Nco efA为在四个方向上每个螺栓最大延伸1.5*hNc 面积

得出的螺栓组锚固区总N=k*√f’*h

1.5*λ

k=24headedstudb c c ef a cheadedbolt

<=25-inN=16*√f

5/3*λef b c ef ah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ef1.5*hC>S/3(hef a,max efPulloutStrengthinTensionN=Ψ*N对headedstud和headedbolt，N=8*A*f’pn c,p p p brg cSide-faceBlowoutinTension如果C

<h/2.5,

=1600*C

*√

*λ*f’a1 ef

sb a1

beg a c1<=C/C<=3.0,应乘以修正系数（1+C/C

）/4；a2 a1 a2 a1

<h/2.5

=[1+S/(6*C）]*Na1 ef

a1

a1 sbS-沿边缘的锚栓间距剪力极限状态承载力的计算：SteelStrengthinShear：V=A

*f,其中f

<=Min{1.9*f

,125,000psi}—适用于cast-inHeadedsaStud；

se,V

uta yaV=0.6*A

*f,其中f

<=Min{1.9*f

,125,000psi}—适用于cast-insa se,V

uta

uta yaHeadedBolt,如果有灌浆层则改为0.8系数；ConcreteBreakoutStrengthinShear单个锚栓：V=(A/A

)*Ψ *Ψ*Ψ*Vcb多个锚栓组：V

Vc=(A

Vco ed,V/A

c,V*Ψ

h,V b*Ψ*Ψ*Vcbg

Vc

ec,V

ed,V

c,V

h,V b其中：Ψ

为剪力偏心修正系数=1/[1+2*e’/(3*C)]<=1ec,VΨ

v a1为边界效应修正系数={ifC>=1.5*C

=1.0;OtherwiseΨed,V

a2 a1

ed,N=0.7+0.3*C/(1.5*C)}ed,N

a2Ψc,V

a1为裂缝效应修正系数={在长期荷载下ServiceLoad下开裂的钢1.0,No.41.2,4in1.41.40}Ψ为埋深修正系数，若C

<h/1.5,1.0；否则取

/h)h,V

a1 a

a1 aA=4.5*C235Vco a1A为在四个方向上每个螺栓最大延伸1.5*hVc 面积

得出的螺栓组锚固区总V=Min{7*(l/d)0.2*√d*√f’*λ

1.5,9*√f

1.5*λ}b e a

a c a

c a1 aC为与剪力方向垂直的边缘距螺栓中心距离，若 C和h<=1.5*C,则a1C=max{C/1.5,h/1.5,S/3}

a2 a a1a1 a2 aS为垂直于剪力方向的螺栓排间距ConcretePryoutStrengthinShear单个锚栓：V=k*N,N=Ncp cp cp cp cb锚栓组：V

=k*N

,N=Ncpg

cp

cpg

cbgh<2.5-in,k=1.0;h>=2.5-in,k

=2.0ef cp ef cp拉力和剪力组合状态下极限承载力的计算 InteractionofandShearForces3.4.1V<=0.2*Ψ*VΨ*N>=Nua n n ua3.4.2N<=0.2*Ψ*NΨ*V>=Vua n n ua3.4.3V>0.2*Ψ*V

>0.2*Ψ*N,则uaN/(Ψ*N)+V/(Ψ*V

n ua nua n ua nSupplementaryReinforcementSet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，主要布置示意图如下：小值。四.计算分析：（剪力键抗剪C35（fc将国外常用的不同直径的单个锚栓(ASTMF1554Grade36)别计算，提出了各种直径锚栓的最小深度要求（未考虑栓组效应）。BearingMinimumBearingMinimumAnchorEffectiveAreaAreaofAnchorMaterial EffectiveDiameterofAnchorHeavyHexStrength&Code Depth(d0)(in.)(Ase)(in.2)Heads(Lb)(hef)(in.)(Abrg)(in2)0.2500.032ASTMF15540.1672.01044Grade360.3750.078ASTMF15540.2993.02544Grade360.5000.142ASTMF15540.4674.04632Grade360.6250.226ASTMF15540.6715.07373Grade360.7500.334ASTMF15540.9116.010896Grade360.8750.462ASTMF15541.1888.015072(d0)(in.)(Ase)(in.2)Heads(hef)(in.)(Lb)(Abrg)(in2)Grade361.0000.606ASTMF15541.5019.019770Grade361.1250.763ASTMF15541.8511024892Grade361.2500.969ASTMF15542.2371231613Grade361.3751.160ASTMF15542.6591437845Grade361.5001.410ASTMF15543.1181546000Grade361.7501.900ASTMF15544.1441961987Grade362.0002.500ASTMF15545.3162281562Grade36BearingMinimumBearingMinimumAnchorEffectiveAreaAreaofAnchorMaterial EffectiveDiameterofAnchorHeavyHexStrength&Code Depth通过上述表格我们可以发现在板式结构（在锚栓周围无竖向附加钢筋）中，当预埋螺栓的间距满足4.2表格中最后一列距离要求时（3.0*hef），按照单锚栓承载力考虑，可以根据表格4.1直接估算单个锚栓的抗拔承载力。表4.2AnchorDiameter(d0)(in.)MinimumEffectiveDepth(hef)(in.)3.0*hef0.2502.06.00.3753.09.00.5004.012.00.6255.015.00.7506.018.00.8758.024.01.0009.027.0考虑栓群组效应，按照规范最小螺栓间距为4*d，在设计时建议保证两个方0向上螺栓边缘