预埋件的标准化设计

预埋件的标准化设计目前施工结构的预埋件大部分都是采用预埋钢板+锚固钢筋（或精轧螺纹钢爬锥拉杆）型式，由现场工程师设计计算，场内工人加工制造，预埋件与结构之间一般采用焊接型式连接。这样的方式带来了巨大的施工风险，设计人员的水平参差不齐，对撬力效应、锚栓合理间距等计算分析不足，预埋件的承载富裕度不足；同时现场焊接加工质量难以把控，特别是高空焊接作业基本上很难检查验收，出现连接失效是高概率高风险项；混凝土外露面的预埋板，在施工完成后需要进行防腐处理，避免形成锈蚀通道，影响主体结构的耐久性，混凝土外立面上众多的预埋板影响主体结构的外观。在武穴长江大桥前期的创优策划过程中，提出了创建品质工程目标，其中的一个子目标是混凝土外观紧实有光泽，线形平顺，外立面不允许有钢筋、预埋钢板和拉杆孔；项目组针对目标细化分解，根据施工需要将预埋件按照使用环境和荷载标准分类（5t~300t系列），编制了详细的预埋件手册，所有预埋件都采用工厂加工制造，现场安装预埋，使用完毕后可拆卸周转使用。以60t为界限，将周转型预埋件分成两类，抗拉和抗剪在60t以内（含60t）为小吨位预埋件，小吨位预埋件主要由精轧螺纹钢，爬锥螺栓、圆形承剪抗拉连接件，螺母、抗拉座、抗剪座六个基本部分组成，组合应用可以适应5t~60t抗拉和抗剪需求；抗拉和抗剪在60t以上为大吨位预埋件，主要组成部分由预埋螺杆、爬锥、螺栓、座体、连接销、连接耳板等部分组成。小吨位预埋件在施工中应用最多，可以适应房建、桥梁等大部分需求，主要用来做施工管线固定、工作平台附墙、小型托架连墙件、支架附墙连接件等；大吨位预埋件主要应用于箱梁零号块现浇、主塔横梁现浇等高空大吨位膺架的附着。下面以抗拉型预埋件和抗剪型预埋件为例，探讨一下可周转通用型预埋件的设计注意事项。4.1精轧螺纹钢在混凝土内的受力及变形(1)(2)(3)(4)(5)(6)下面以C40混凝土里面分别预埋15mm、18mm、25mm精轧螺纹钢来进行验算，螺纹钢预埋长度25d，钢材弹模E=200GPa，C40混凝土弹模Ec=32.5GPa,计算参数见下表。精轧螺纹钢直径（mm）K（N/m2）EI（Nm2）βL（mm）P（N）Δ（mm）线条样式151.81E10497.077.643754508015-------181.81E101030.664.704506468018-------251.81E103835.046.5862512544025-------15mm18mm25mm从图中可以看出，预埋在混凝土内的精轧螺纹钢受混凝土约束，变形最大的部分在靠近混凝土表面的20%范围内（约5倍精轧螺纹钢直径），占总变形量的90%以上，在此范围内设置爬锥可有效提高预埋精轧螺纹钢的抗剪能力，偏于保守估计，预埋爬锥后按照精轧螺纹钢设计抗拉强度的57.7%作为抗剪强度。4.2剪力键在混凝土内的受力及变形(1)(2)(3)(4)(5)(6)下面以C40混凝土里面预埋直径100mm剪力键来进行验算，剪力键预埋长度3d，钢材弹模E=200GPa，C40混凝土弹模Ec=32.5GPa,计算参数见下表。剪力键直径（mm）K（N/m2）EI（Nm2）βL（mm）P（N）Δ（mm）线条样式1001.81E109.82E511.653009.8E550-------C40混凝土内100mm剪力键变形（m）从图中可以看出，预埋在混凝土内的剪力键变形以转动变形为主，附加一部分弯曲变形，靠近混凝土面一倍直径范围，变形量约占占总量的65%以上，需要验算此部分的混凝土抗压强度，防止混凝土劈裂。以剪力销轴线为原点建立极坐标系，应变和应力随着极坐标增大而减小，建立方程反推R1处混凝土应变和应力。(1)(2)(3)(4)(5)根据圣维南原理，取R2=100R=5m，R1=R=0.05m，Ec=32.5GPa，求得直径100mm剪力键承受100t剪力作用下的混凝土的微应变和压应力。剪力键接触部位混凝土微应变（με）剪力键接触部位混凝土应力（Pa）C40混凝土的单轴极限压应变1790με，剪力键接触部位的极限压应变未超标，高应力部分主要靠近混凝土表面1/3深度，建议在此范围内适当配筋约束混凝土，防止混凝土崩边。4.2小吨位预埋件设计123456小吨位预埋件示意图小吨位预埋件一览表1、单件组合受力编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号抗拉抗剪连接件直径（mm）抗拉(t)抗剪(t)115PZ15-30M30608.04.6218PZ18-36M367211.56.6325PZ25-52M5210022.112.82、抗拉组合编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号螺纹钢数量（根）抗拉(t)组合抗拉(t)115PZ15-30M3048.031.8218PZ18-36M36411.545.8325PZ25-52M52422.188.43、抗剪组合编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号螺纹钢数量（根）抗剪(t)组合抗剪(t)115PZ15-30M3044.618.4218PZ18-36M3646.626.4325PZ25-52M52412.851.0备注：组合1由单元件1、2、3组成；组合2由单元件1、2、4、5组成；组合3由单元件1、2、4、5组成。小吨位预埋件使用注意事项：单个预埋件要么受拉，要么受剪，或者受压剪，尽量避免受弯剪、弯拉和弯拉剪组合，尽量减小预埋件所受弯曲应力；当结构需要受拉、受剪两个边界约束的时候，拉、剪两种预埋件可以分离设置；充分利用三角托架上弦杆受拉，斜撑传递压剪的受力特性，将荷载通过受拉和压剪两个分力传递至混凝土内；精轧螺纹钢采用定型产品，爬锥螺母和拉剪连接件采用45#钢加工调质，不低于8.8级螺栓标准，螺母采用8.8~10.9级国标件，焊接结构工厂加工，进行探伤检查，部分成品做荷载检测试验；精轧螺纹钢做抗拉预埋时，螺纹钢预埋长度35d，做抗剪预埋时螺纹钢预埋长度25d，当采用尾部锚固预埋板时，抗拉和抗剪预埋长度可以缩短5d；外露的结构件镀锌或涂装处理，避免锈蚀造成混凝土表面污染。4.3大吨位预埋件设计大吨位预埋件示意图抗拉型预埋件抗剪型预埋件大吨位预埋件一般用在高空重型支架的附墙上，预埋件空间比小吨位预埋件宽松，在设计时采取统一外部尺寸，通过调整预埋螺杆数量和剪力键数量来达到不同的受力要求。大吨位预埋件一览表1、100~300t抗拉预埋件编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号精轧螺纹钢数量（根）抗拉(t)抗剪(t)125PZ25-42M4246034.6225PZ25-42M42612069.2325PZ25-42M429180103.82、100~300t抗拉预埋件编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号螺纹钢数量（根）抗拉(t)组合抗拉(t)132PZ32-56M56410057.7232PZ32-56M566200115.4332PZ32-56M569300173.13、100~200t抗剪预埋件编号精轧螺纹钢直径（mm）爬锥型号螺母型号精轧螺纹钢数量（根）剪力键数量（个）抗剪(t)125PZ25-42M4251100225PZ25-42M4252200大吨位预埋件使用注意事项：单个预埋件要么受拉，要么受剪，或者受压剪，尽量避免受弯剪、弯拉和弯拉剪组合，尽量减小预埋件所受弯曲应力；当结构需要受拉、受剪两个边界约束的时候，拉、剪两种预埋件可以分离设置；充分利用三角托架上弦杆受拉，斜撑传递压剪的受力特性，将荷载通过受拉和压剪两个分力传递至混凝土内；精轧螺纹钢和高强螺栓采用定型产品，爬锥螺母采用45#钢加工调质，不低于8.8级螺栓标准，螺母采用8.8~10.9级国标件；预埋座焊接结构工厂加工