美标钢结构地脚螺栓设计（抗拉）的技术总结.docxVIP

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KEY WORD：Anchorage to Concrete，Headed Bolt, 正文：背景概述：经历了若个个海外项目的设计管理及现场执行之后，作者逐渐发现国内设计院的结构计算中缺少对于钢结构地脚螺栓的详细设计计算，其中仅有对钢结构地脚螺栓的直径选用计算（锚栓受拉破环的极限状态），但无对锚固长度及布置设计的计算。国外电厂项目的业主工程师在审核钢结构图纸基本都会对地脚螺栓设计这一块提出疑问，即我们国内设计院设计的螺栓直径、长度及布置是怎么来的，怎么能够证明能够满足柱脚反力的要求，且不接受国内通常所谓设计手册的经验数值。此外目前国内电厂设计行业普遍存在错误的概念，即钢结构地脚螺栓的设计是钢结构设计的范围，和混凝土设计关系不大。以作者看来，对钢结构地脚螺栓的设计，国内缺少系统的设计规范和计算要求。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的材料强度，而且也取决于螺栓与混凝土之间的锚固强度，包括拔出、破碎和侧向劈裂等，目前国内设计普遍缺失的计算就是螺栓与混凝土的锚固强度计算。从这一点来看，设计院钢结构设计专业提供固定钢结构的地脚螺栓设计是值得商榷的，因为其仅仅考虑地脚螺栓的材料强度，也就是说其仅仅能计算出螺栓的材质和最大应力，进而确定螺栓的材质，但无法科学计算出其需要螺栓的准确的锚固长度，因为其不负责基础钢筋混凝土的设计，而正是这一块决定了锚栓的长度。从这一点来看，锚固在混凝土上的地脚螺栓设计应该由混凝土结构设计专业承担才更为科学和严谨，并以此类推，设备厂家提供的地脚螺栓设计应该由设计院对其锚固长度进行审核和确认，之后才能作为正式工程用的设计。美国的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在其附录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式，并基于大量试验的基础上针对每种破坏模式进行了深入阐述，提供了工程设计用的计算公式和要求，且通过ACI3553-11对计算及配筋设计进行了详细的举例说明，科学地解决了笔者上述的在国内地脚螺栓设计中存在的漏洞。在这里，作者仅仅对电厂项目上普遍采用的预埋式地脚螺栓进行针对性的介绍，定义为：预埋式cast-in type + 带六角头螺母及垫板的锚栓headed bolt+ 锚栓直径不大于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。另外需要说明的是，针对地脚螺栓的设计，国内一般只考虑其在弯矩作用下受拉力作用，不考虑其抗剪抗力，美国规范钢结构规范中也有类似的规定，剪力一般通过抗剪键来实现，但是美国ACI混凝土规范中是允许锚栓抗剪的，而且对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，即拉力破环和剪力破坏。拉力破坏又分为：钢件抗拉破坏Steel Strength Failure in Tension，混凝土锚固区崩裂破坏Breakout in Tension, 拔出破坏Pullout in Tension，边缘混凝土侧向劈裂破坏Side-face Blowout in Tension。剪力破坏则分为：钢件抗剪破坏Steel Strength Failure in Shear, 混凝土锚固区崩裂破坏Breakout in Shear，混凝土撬出破坏Pryout in Shear。计算原理介绍：3.1 锚栓受力的计算：轴力Pu（拉为正，压为负），弯矩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型柱的高H，翼缘宽W，常规中心布置，拉力计算假设：在设计柱底板厚底时，保守考虑可以看作整个柱底板为刚性(rigid body)，但这此理论对于锚栓拉力计算是偏于不安全的，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(Flexible),则与柱底板连接的柱边缘为作用点，对其取弯矩并不考虑混凝土受压，则锚栓总拉力Tu=M/(jd)+2*Pu/(N-H), 其中jd=(N/2-Bedge+H/2)。注意此处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。3.2 拉力极限状态承载力的计算：3.2.1 钢件抗拉承载力计算Steel Strength in Tension：Nsa=Ase,N*futa,其中futa=Min{1.9*fya,125,000psi}3.2.2 混凝土锚固区崩裂承载力Concrete Breakout Strength in Tension：单个锚栓：Ncb=(ANc/ANco)*Ψed,N*Ψc,N*Ψcp,N*Nb多个锚栓组：Ncb