三种典型地脚螺栓锚固能力探讨

三种典型地脚螺栓锚固能力探讨

李挺

上海核工程研究设计院

摘要：本文对三种典型地脚螺栓端头形式的抗拉承载力进行了计算，重点考虑了不同端头形式与埋置深度的关系；并在埋置深度一定时，计算抗拉承载力大小；在抗拉承载力一定的情况下，计算埋置深度的大小。分析了端头形式对抗拉承载力的影响，认为对于锚板式地脚螺栓，在相同的抗拉承载力作用下，其埋置深度要小于其余两种形式的地脚螺栓，并通过实际算例，证明了锚板式地脚螺栓布置更加灵活，对地脚螺栓的设计与施工有一定的指导意义。

关键词：地脚螺栓；端部形式；抗拉强度；埋置深度

1.概述

地脚螺栓的作用是将设备牢固地连接起来，防止设备工作时发生移动或倾覆，并使设备在运行时所产生的不平衡力和振动传递到基础上去，保证设备的正常运转。

在美国核安全相关混凝土结构规范即ACI349-06中对于锚板式地脚螺栓，参考附录D混凝土锚固中的计算方法和过程，可以设计出符合要求的锚板式地脚螺栓。对于弯钩式地脚螺栓和直勾式地脚螺栓，大多依靠设计经验或者直接从相应的国标GB799《地脚螺栓》中选取。在核电站的应用过程中，仅依靠设计经验等方式选择的以上两种地脚螺栓过于保守，地脚螺栓需要埋入混凝土中的部分深度很深；而现在核电站的设计需要考虑其建造的经济性，往往设备的布置空间紧凑，设备的混凝土基础的深度可能无法满足地脚螺栓所需埋深，需要在计算地脚螺栓实际所需埋置深度的基础上适当调整便于布置。本文采用GB50696-2011《钢铁企业冶金设备基础设计规范》中对地脚螺栓锚固设计的方法，应用到弯钩式地脚螺栓、直钩式地脚螺栓和锚板式地脚螺栓计算当中，对三种地脚螺栓的抗拉承载力、埋置深度进行对比分析；根据GB50010中相关的条文说明，对三种地脚螺栓端头形式的锚固能力进行了理论分析，得出结论。

三种典型的埋置式地脚螺栓示意图见图1。

图1

2.地脚螺栓抗拉承载力计算公式

在GB50696-2011附录DD.0.3，地脚螺栓抗拉承载力设计值，应取按螺栓本身受拉破坏、混凝土锥体破坏及螺栓与混凝土粘结破坏三种破坏模式计算得出的承载力设计值中的最小值。根据GB50696-2011附录DD.0.6的条文说明，当地脚螺栓为非直杆螺栓时，则不考虑螺杆与混凝土之间的粘结力的作用。

针对本文中三种形式的地脚螺栓，假设三种地脚螺栓表面光滑，即混凝土对螺栓没有粘结力作用。则地脚螺栓抗拉承载力设计值，应取按螺栓本身受拉破坏、混凝土锥体破坏得出的抗拉承载力设计值中的最小值。

2.1地脚螺栓受拉破坏承载力设计值计算公式

地脚螺栓本身受拉承载力设计值计算公式：

——单个地脚螺栓抗拉承载力设计值，；

——地脚螺栓的抗拉强度设计值，；

——地脚螺栓的公称直径，。

对于钢材材质一定，地脚螺栓公称直径一定的条件下，对应地脚螺栓的受拉承载力设计值是确定的，故不作展开分析。

2.2地脚螺栓锥体破坏抗拉承载力设计值计算公式

为了计算混凝土锥体破坏时地脚螺栓抗拉承载力，先做以下假设：

地脚螺栓锥体范围内无钢筋配置；

地脚螺栓受拉而引起混凝土破坏时，破坏模式为沿地脚螺栓破坏端头底面外沿向上45°方向扩展；

针对单个地脚螺栓进行分析。

根据以上的假设，计算混凝土锥体破坏时地脚螺栓抗拉承载力设计值的公式如下：

——混凝土锥体破坏时地脚螺栓抗拉承载力设计值，；

——地脚螺栓端部有效直径，；

——混凝土轴心抗拉强度设计值，；

——地脚螺栓有效锚固长度，；

——混凝土锥体实际投影面积，；

——混凝土锥体理想完整投影面积，。

对某一种核电站来说，混凝土的等级不小于C35，这里保守认为是C35，则混凝土的轴心抗拉强度设计值=1.57。

根据GB50696-2011附录DD.0.5的条文说明，对于地脚螺栓端部有效直径的取值，当地脚螺栓为弯钩式或直勾式时，可取为地脚螺栓的直径；当地脚螺栓为锚板式时，可取为锚板的直径或边长。

3.三种典型的地脚螺栓抗拉承载力的计算

3.1地脚螺栓埋置深度为定值，计算抗拉承载力

根据第2节所述，这里用混凝土锥体破坏模式的公式来计算三种典型地脚螺栓的抗拉承载力。对于单个地脚螺栓来讲，混凝土锥体实际投影面积与混凝土锥体理想完整投影是相等的，故两者的比值为1；其余设计参数见下表：

对于直勾式和弯钩式两种地脚螺栓，这里忽略了端头形式对抗拉承载力的贡献，相对保守；三种地脚螺栓计算抗拉承载力计算结果如下：

从上面表格中的计算结果来看，锚板式的地脚螺栓在相同埋入深度的情况下，其地脚螺栓的抗拉承载力最大，有一定的优势。

3.2地脚螺栓的抗拉承载力为定值，计算埋置深度

在实际地脚螺栓设计过程中，往往要获知设备对地脚螺栓的支反力，故在抗拉承载力一定的时候，对比三种地脚螺栓的埋入深度。

根据3.1节计算的结果，这里假定=500kN，则原埋置深度为400mm的三种地脚螺栓的抗拉承载力均为满足要求，如果在抗拉承载力一定的情况下，计算三种地脚螺栓的埋置深度并进行对比，公式中其余参数维持不变。

三种地脚螺栓的埋置深度计算结果如下：

对比埋置深度的大小可知，显然锚板式地脚螺栓所需的埋置深度值最小，有利于设备的布置。

3.3地脚螺栓抗拉承载力计算值与试验的对比

文献《带锚固板钢筋机械锚固强度的拉拔试验研究》中，通过115个试件的拉拔试验，研究了带锚固板钢筋的机械锚固强度，并与传统的带90°弯折钢筋的锚固性能试验进行了比较。在埋置深度一定的情况下，试验结果表明锚板锚固比弯折锚固能力强；同样的，在锚固能力相同的情况下，试验结果表明锚板锚固对应的埋置深度要小于弯折锚固的埋置深度，这与根据3.1、3.2节公式的计算结果所得出的结论相吻合。

4.端头形式对抗拉承载力影响分析

在计算椎体破坏地脚螺栓抗拉承载力的时候，计算公式中为地脚螺栓端部有效直径，并且对于锚板式地脚螺栓，并不等于地脚螺栓的公称直径，而取为锚板端部的边长或直径；而对于另外两种形式的地脚螺栓，取值为螺栓的公称直径。本文不考虑地脚螺栓端头部分受剪力的作用。

根据D.0.5中所述的试验结果，地脚螺栓混凝土椎体破坏的抗拉承载力设计值可按现行国家标准GB50010《混凝土结构设计规范》中所受冲切承载力的计算方法进行简化，以冲切承载力代替锥体破坏抗拉承载力。

GB50010中6.5节描述了受冲切承载力的计算公式，如下：

——截面高度影响系数；

——计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值；不考虑预应力对受冲切承载力的有利影响，故=0

——计算截面周长；

——截面有效高度；

——影响系数；这里=1。

为了更好的对比分析三种地脚螺栓端头形式的作用，对于公式中的各项常数进行简化合并，得到如下公式：

式中——计算常数。

由上式分析可以得知，抗拉承载力与，相关；且与成反比关系；根据本文第2小节假设b，等于地脚螺栓的埋置深度。在一定的情况下，埋置深度越浅，端头锚板对应的周长越大，也就是说端头锚板越大；反之，若埋置深度越深，端头锚板越小。

若在埋置深度相同的情况下，可以认为地脚螺栓端头锚板的越大，对应的也就越大。

接下来，对于三种不同形式的地脚螺栓，分析其的大小；的取值为距离局部载荷或集中反力作用面积周边处板垂直截面的最不利周长。

对于锚板式地脚螺栓，其计算截面周长。取端头锚板为正方形，边长为b，锚栓公称直径为d，故为：

对于弯钩式地脚螺栓，在弯钩的内径部分，通常增加一个圆形钢棒，这里认为钢棒的长度为L，钢棒的直径为D。在计算弯钩式地脚螺栓的时候，其端部的局部载荷作用面积认为是一个矩形，根据GB50010条文说明中6.5.1第3款，矩形的长边与短边尺寸的比值不宜大于2，即这里取L=2D。故弯钩式地脚螺栓，其计算截面周长：

将L=2D带入得到：

对于直钩式地脚螺栓，认为其弯折部分的长度为L，直径为d，其计算截面周长：

对比弯钩式和直钩式地脚螺栓其端部计算截面周长可知，若依照GB799《地脚螺栓》中给出的弯钩式地脚螺栓D的取值，则D>d，故弯钩式地脚螺栓计算截面周长大于直钩式地脚螺栓计算截面周长。

而对于锚板式地脚螺栓，b值可根据地脚螺栓实际所受抗拉承载力和埋置深度的限制来进行设计计算，调整更加灵活；通常来讲，锚板式地脚螺栓的边长b要远大于弯钩式地脚螺栓的D值，故锚板式地脚螺栓计算截面周长的数值往往更大。

5实际算例

典型的三代非能动核电堆型中，乏燃料池冷却系统热交换器位于厂房地板上，该设备有7个地脚螺栓，本节应用2.2节所述计算公式进行验算。

5.1设计参数

设备基础在混凝土地板上，标号C35。混凝土轴心抗拉强度设计值为1.57。

设备基础图如图2所示。地脚螺栓开孔为200mmX200mm的方孔，螺栓间距为590mm；地脚螺栓的直径为M24，共7个。锚固式地脚螺栓的锚固板尺寸为100mmX100mm。因该设备为非核级设备，故地脚螺栓材料取为商品级8.8级，对应材料的抗拉强度为800Mpa。

单个螺栓在工况I类和工况II类下最大的拉力值为200kN。

图2

5.2抗拉承载力验算

根据2.2节混凝土锥体破坏时地脚螺栓抗拉承载力计算公式，暂定埋置深度为410mm（包括设备基础高度110mm）时，锚板式地脚螺栓抗拉承载力计算如下：

=651kN

弯钩式地脚螺栓拉承载力计算如下（取D=24mm）：

=606kN

直勾式地脚螺栓拉承载力计算如下：

=606kN

三种地脚螺栓的抗拉承载力均大于单个地脚螺栓在工况I类和工况II类下最大的拉力值200kN，满足要求。

在实际应用过程中，若不考虑地脚螺栓埋置深度中包含设备基础高度110mm的情况下，地脚螺栓实际可用的埋置深度仅为300mm，那么需要由单个螺栓最大的拉力值来计算三种地脚螺栓所需的埋置深度；考虑到结构的因素，实际取拉力值为400kN进行验算。

三种地脚螺栓埋置深度计算结果如下：

从上式的计算结果可以看出，三种地脚螺栓的埋置深度都大于300mm；所以，这里改变锚板式地脚螺栓锚固板的尺寸，由边长100mm改为边长200mm；计算结果显示修改后锚板式地脚螺栓的埋置深度缩短为295mm<300mm，满足布置要求。

6结语

通过对三种不同端头形式地脚螺栓的计算与分析，我们可以得知：

当D=d时，

弯钩式和直钩式地脚螺栓的抗拉承载力与两者的端头形式无关，只与地脚螺栓公称直径和埋置深度有关。故两种形式地脚螺栓的抗拉承载力是一样的。

当D>d时，

在埋置深度一定的情况下，三种地脚螺栓抗拉承载力由大到小依次为锚板式、弯钩式和直钩式地脚螺栓。

在地脚螺栓抗拉承载力一定的情况下，三种地脚螺栓埋置深度由深到浅依次为直钩式、弯钩式和锚板式地脚螺栓。

根据第5节的计算结果可以得知，当埋置深度不满足要求时，锚板式地脚螺栓可以通过调整锚固板的尺寸来满足；而其余两种地脚螺栓只能通过增大螺栓直径来进行调整，适应能力相对较弱。在具体设计地脚螺栓的时候，需要对地脚螺栓周围的布置进行核实，根据实际情况再进行地脚螺栓的选用。

需要指出的是，本文考虑的是地脚螺栓的抗拉承载力，如果地脚螺栓有剪力，则仍需要进行混凝土的受剪验算。同时，本文对埋置深度的计算结果仅为地脚螺栓应在混凝土结构内的长度，实际在设计地脚螺栓的时候，仍需要根据地脚螺栓的布置位置，考虑影响地脚螺栓长度的因素，譬如将设备底板厚度，混凝土基础高度等，将其计入地脚螺栓的总长度当中，并留有一定的欲量。