锚栓的锚固长度及相关设计问题

第七届全 国现代结构工程学术研讨会 锚栓的锚固长度及相关设计问题 邹剑强刘静付桂宏 (中国航空工业规划设计研究院 . 北京1 000 11 ) 滴要 : 分析对比了锚栓与钢筋锚固的异同 , 指出了常规锚栓锚固长度存在的问题 。 参照现行规范对钢筋锚固的公式 , 计算 了锚栓的锚固长度 , 并对锚栓材料替换 、 最小直径 、 锚固构造等问题提出合理建议 , 供设计者参考 。 关性词 : 锚栓 , 锚固长度 , 钢结构 一 、 引言 钢结构设计中 , 柱脚是上部钢结构与混凝土基础连接的节点 , 是整个结构设 计中一个非常关键的部位 。 当柱脚采用锚栓连接时 , 如果锚栓的锚固长度太短 , 结构将极不安全 ; 甚至会造成很大安全事故 。 日本阪 神地震时 , 不少钢结构地脚螺栓被拔出致使房屋倒塌 , 造成很大经济损失 : 2006 年7月 , 上海一 大型门式 刚架厂房由于地脚螺栓直径过小 , 在施工安装时轰然倒塌 , 倒塌面积约 2万了 , 造成 1 死2伤的重大事故 。 反之 , 如果锚固太长 , 将使基础变得很厚 , 采用基础梁或承台时还可能使锚栓安装不下 , 不得不加大梁或 承台高度 , 造成浪费 。 文献(1 )钢结构设计手册是一本钢结构设计的重要参考手册 , 应用相当广泛 , 第 502、503页提供 了Q235和Q345钢锚栓的常见构造形式和锚固长度 , 锚固长度见表 1 、 3 . 文献(2)混凝土结构构造手册 是一本混凝土设计的重要参考手册 , 第440 、44 1 页提供了相似的表格 , 只不过将 “Q34 5 钢锚栓选用表 ” 改 成 了 “ 1 6Mn钢锚栓选用表 ”。 这二个选用表存在三方面 的问题 : 1) 、 没有提供混凝土强度等级)C2 5 的锚 固长度 , 而现在基础普遍采用C2 5或C3 0 , 设计者却无章可循 ; 2) 、 没有提供小直径锚栓的锚固长度 , 如 M1 6 、 M1 8 ; 3) 、 有的设计者认为该锚固长度没有考虑抗震 , 抗震设计时不能直接采用 , 而应该加长 。 文献(3 ) 第 458、459 页也提供了锚栓选用表 , 锚固长度见表 2 、 4 。 但该表要求的锚固长度比文献 (1 ) 大多T , 如Q235钢类型 1 1 的锚栓M42在C20中锚 固长度 , 表 l中为20d , 表2中为30d , 相差 10d ; Q3 4 5 钢类型IH的锚栓M4 2在C2 0中锚固长度 , 表3中为1 5 d , 表4中为 35 d , 相差 20 d 。 这两个表都没有注 明 使用条件 , 究竟该采用哪一个 , 使设计者很为难 。 文献 (4 ) 第 7 . 2 . 1 8 条规定 , “ 锚栓应采用Q235钢或Q345钢制作 。 锚栓的锚 固长度应符合现行国家 标准建筑地基基础设计规 范GB 5000 7的规定 , 锚栓端部应按规定设置弯钩或锚板 。 锚栓的直径不 宜小 于2 4咖 , 且宜采用双螺帽 。” 但文献 (6 ) 中没有锚栓锚固长度的规定 。 文献 (5 ) 第2 . 5 . 2一2 提出 , “ 锚栓的锚固长度应符合现行混凝土结构设计规范G B 50010 的规定 , 锚栓端部应按规定设置弯钩 。 锚栓长度不小 于锚栓直径的 2 5倍(不含弯钩) 。” 但文 献(7 ) 中只有钢筋锚 固长度的规定 , 而没有锚栓锚固长度的规定 。 巨互 4刘斗 ,斗 碗 寸 、 类型 工 类型 图1 类型m 类型I V 锚栓类型 工业建筑 2 007 增刊 1453 第七届全国现代结构工程学术研讨会 表 1 文献 (1 ) 中 023 5 钢锚栓锚固长度表3文献 (1 ) 中034 5钢锚栓锚固长度 锚锚栓直径 径 类型 l l l 类型H H H 类型 1 11 1 1 d d d(m m) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) C C C C C15 5 5 C20 0 0C15 5 5C20 0 0C15 5 5 eZo o o 2 2 2 0、39 9 925d d d20d d d d d d d d d d d 4 4 42 、10 0 0 0 0 0 0 0 25 d d d20d d d 15d d d12d d d 锚锚栓 _直 径径类型 I I I 类型 1 1 1 1 类型111 1 1 d d d(n u n) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) C C C C C15 5 5C20 0 0C15 5 5C20 0 0C 15 5 5C20 0 0 2 2 20 、39 9 9 30d d d25 d d d d d d d d d d d 4 4 4 2、100 0 0 0 0 0 0 30d d d 2 5d d d18d d d15d d d 表 2 文献 韵 中 023 5 钢锚栓锚固长度 注 : 原表中类型I锚栓M3 3 在C2 0 中锚固长度625m m 有误 , 不足25d . 应为82 5m m 。 表4文献(3 ) 中Q345钢锚栓锚固长度 锚锚栓直径径类型 I I I 类型 H H H 类型 1 11 1 1 d d d( mm ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )C C C C C15 5 5C20 0 0C15 5 5C20 0 0C15 5 5C2 0 0 0 1 1 16、24 4 4 36d d d26d d d d d d d d d d d 2 2 24、76 6 6 6 6 6 6 35d d d30d d d d d d d 4 4 42、10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30d d d 25 d d d 锚锚栓直径径 类型 I I I 类型H H H类型111 1 1 d d d(m m) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) C C C C C15 5 5C20 0 0C15 5 5C20 0 0C 15 5 5C20 0 0 1 1 16 、24 4 4 46d d d35d d d d d d d d d d d 2 2 24 、76 6 6 6 6 6 6 45 d d d40d d d d d d d 4 4 42、100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 04 0d d d35d d d 二 、 钢筋锚固与锚栓锚固的异同 锚栓在混凝上 中的锚 固与钢筋在混凝土中的锚固有相似之处 , 都是靠混凝土与钢之 间的粘结力和机械 锚固力等将锚栓或钢筋锚固在混凝土中 , 但也还存在些差别 : (一) 、 锚固端部傲法不一样 当采用直锚时 , HPB235(Q2 3 5)钢筋在混凝土中平直段不小于3d的180 。 弯钩 (图2) , HR B3 35(20M n si) 钢筋在混凝上中不做弯钩 , 直接锚固 。 而Q235 、 Q345钢类型I锚栓均为平直段4 d的9 0 “ 弯钩 (图1 ) : d 粗 件 齐 乡 图2 0235 钢筋弯钩 图3 钢筋机械锚固的形式 及构造要求 当采用机械锚固时 , 钢筋端部有三种做法(图 3 ) , 但锚栓直径较大 , 按照做法( b ) 端板厚度d就太大 了 , 按照做法( c )焊接长 5 d也太长 , 于是就改为图1中锚栓类型J I l 。 但 它们之间能否完全等效 , 是值得商 榷的 。 (二) 、 外表面现状不一样 HR B3 35( 2OMns i)钢筋为热轧带肋钢筋 , 而Q345钢锚栓表面是光面的 , 锚 l k l 长度不能按热轧带肋钢筋 计算; (三) 、 施工方法不一样 锚栓有整体现浇和留洞后浇两种施 工方法 , 当采用 留洞后浇时 , 一般采用 强度等级提高一级的细石混 凝土或专用灌注料 。 钢筋的锚 固长度是按整体现浇确 定的 。 三 、 钢筋 的锚固长度 根据文献 (7)混凝土结构设计规范GB50010一2002 第9 . 3 . 1条 , 普通钢筋的锚固长度按下列公式计 la= a . fy/ft . d(9 . 3 . 1一1) 受拉钢筋 的锚 固长度(I n I n) ; fy : 普通钢筋抗 拉强度设计值(N /m m勺 ; 混凝上轴心抗拉强度设计值(N /I n l n Z): d : 钢筋的公称直径 (m I n) : 钢筋的外形系数 , 光面钢筋 Q = 0 . 1 6 , 带肋钢筋 Q = 0 . 1 4 。 中 a :t : 式 |f Q 文献(7 ) 第 9 . 3 .2 条 , “ 当HRB33 5 、 HRB4 00和RR B400级纵向受拉钢筋末端采用机械锚固措施时 , 包 14 54 工业建筑 2007 增刊 第七届全国现代结构工程学术研讨会 表7 0 2 3 5钢锚栓的计算锚固长度( 抗展) . 价 综合表6 、 7 , 并将锚固长度适当统一 , 见表8 : 表80 2 3 5 钢锚栓锚固长度 镌湘节幸塌 同理 , 对Q 34 5 钢锚栓 , 计算锚固长度见表9 、 1 0 : 子 工业建筑2 0 0 7 增刊1 4 5 7 第七届全国现代结构工程学术研讨会 表90 3 4 5 钢锚栓的计算锚固长度( 非抗展) 扭 根据工程习惯 , 续M2 7时常采用类型I锚栓 , 妻M3 0 类型H 、 H l 锚栓 。 为便于比较 , 将文献【1 、 文献【3 及本文计算的锚栓锚固长度统一在一个表格中 , 见表1 2 、 1 3 。 需要说明的是 , 本表锚栓长度是按受拉计算的 。 当仅仅是构造要求而不考虑受拉时 , 类型工 、 H 可以采用1 5 d , 类型H l 可以采用1 2 d o从表1 2 、 1 3看出 , 按文献7 计算 , 文献【l 提供的锚固长度确实不够 , 尤其是Q 3 4 5钢锚栓或者考虑 抗震设计时长度太短 , 这一点应引起设计者注意 。 文献【3 提供的锚固长度除类型I 、 H 与本文计算接近 , 但类型I H 偏长 : 没有提供C 2 5 、 C3 0 的锚固长度 , 设计者难以采用 。 表1 0 03 4 5 钢锚栓的计算锚固长度( 抗姚) 半 案市1 4 5 8 . 1 业建筑2 0 07 增刊 第七届全国现代结构工程学术研讨会 昌华 综合表9 、 1 0 , 并将锚固长度适当统一 , 见表1 1 : 表1 1 0 34 5 钢锚栓锚固长度 片象奇淤保幸 表1 20 2 3 5 钢锚栓锚固长度 暴 压立 工业建筑2 0 0 7 增刊1 4 5 9 第七届全国现代结构工程学术研讨会 l本文计算值,111 l 22 . 5 2 0 . 0 1 7 . 5 1 5 . 0 l( 抗震)I I 1d J d!二- d 表1 30 3 4 5 钢锚栓锚固长度 华价五 、 材料替换文献( 1 0 )第3 . 3 . 8条规定 , “ 锚栓可采用现行国家标准碳素结构钢G B / T7 0 0 中规定的Q2 3 5 钢 或低合金高强度结构钢G B / T I 5 9 1中规定的Q 3 4 5 钢制成 。 ” 文献(4 ) 第7 . 2 . 1 8 条规定 , “ 锚栓应采用Q 2 3 5 钢或Q 3 4 5钢制作 。 ” 对于Q2 3 5 钢 , 材料采购一般没问题 ; 如果受力较大 , 采用Q3 4 5 钢有时材料难以采购 。 锚栓能采用别的钢材进行替代吗? 作为地脚螺栓 , 材料首先应该有良好的延性 , 文献( 9 ) 3 . 9 . 2 要求钢材 , “ l )钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1 . 2 ; 2 )钢材应有明显的屈服台阶 , 且伸长率应大子20 % : 3 ) 钢材应有 良好的可焊性和合格的冲击韧性 。 ” G B / T7 0 0 中Q 2 3 5 钢 、 G B / T 1 5 91 中Q 3 4 5钢 、 及( (优质碳素结构钢) )G B / T 6 99 一 1 9 9 9 中U 2 0 1 5 2( 1 5 号钢) 、 U 2 02 0 2 ( 2 0号钢) 、 U2 0 3 0 2 ( 30 号钢) 、 U 2 0 3 5 2( 3 5 号钢) 、 U 2 0 4 52 ( 4 5 号钢) 的化学成分及力学性能 , 见表1 4 : 优质碳素结构钢与碳素结构钢相比 , 最主要的差别是钢铁中杂质硫S 、 磷P 的相对含量较低 。 当采用1 5 号 、 20 号钢时 , 含碳量均在0 . 2 0 %左右 , 可焊性比较好 , 力学性能不低于Q 2 3 5 , 因此替代Q 2 3 5应该是 没有问题的 。 优质碳素结构钢与低合金钢相比 , 优质碳素结构钢的强度随着含碳量的提高 , 强度越高 , 可焊性和塑性越差 ; 低合金钢由于加入了微量合金元素 , 虽然含碳量不高 , 但强度很高 , _ 且仍保持着较好的可焊性和 塑性 。 3 0号钢力学性能与Q 3 4 5 钢很接近 , 4 5号钢强度高于Q3 4 5 钢 , 但延性较差 。 如果必须替代时 , 应优先采用3 0 号钢 , 锚栓型式最好采用类型I v , 以避免焊接 。 施工时应特别注意 , 3 0 号钢 、 4 5 号钢制作时如果需要焊接端板 , 应在工厂焊接并需预热保温 , 来取专门焊接工艺 ; 严禁现场焊接 , 否则将造成质量事 故 ; 文献( 1 2 ) 中表7 . 2 . 1 一 2 提供了3 5 号优质碳素钢锚栓( 直径) 1 6 ) , 抗拉强度为1 9 0 N /l l u n Z 。 这说明优质碳素钢是可以做锚栓的 。 但设计中仍然应尽量采用Q2 3 5 和Q3 4 5 钢做锚栓 。 1 4 6 0 . 工业建筑2 0 0 7增刊 第七届全国现代结构工程学术研讨会 表1 4钢材化学成分及力学性能对比 告尸 . 六 、 柱脚锚栓的最小直径 文献( 5 ) 第2 . 5 . 2 一 2提出 , “ 计算锚栓直径时 , 设计内力宜乘以不小于1 . 3 的系数 。 ” 文献( 9 )第9 . 2 . 1 3条规定 , “ 柱脚螺栓的组合弯矩设计值应乘以最大系数1 . 2 。 ” 可见对于地脚螺栓 , 都给予了高度重视 。 但是 , 当柱底内力比较小时 , 虽然考虑了增大系数 , 内力仍然很小 , 计算所得的螺栓太小 。 笔者曾遇到一个 六层的钢框架 , 7 “ 抗震设防 , 底层钢柱DS O O x l 6 , 计算地脚螺栓仅4 M2 4 就可以了 , 从构造看显然太小了 。 文献( 4 )第7 . 2 . 2 条规定 , “ 端板连接应按所受最大内力设计 。 当内力较小时 , 端板连接应按能够承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计 。 ” 在结构设计中这是一个极为重要的设计原则 。 对于刚接柱 脚 , 本文认为也应该参照这一原则设计 , 使锚栓形成的截面抵抗矩不小于钢柱截面抵抗矩的一半 。 对于铰接柱脚 , 应按文献( 11 ) 要求设置 : “ 一般当刚架跨度小于等于1 枷时 , 采用2 M2 4 ; 小于等于2 7 m 时 , 采用4M2 4 ; 小J , . 等于3 0 m时 , 采用4 M3 0 。 ” 七 、 独立基础中锚栓的构造问题根据文献( 1 3 ) , 钢筋的锚固长度是在混凝七保护层为最小厚度受力钢筋直径以及构造要求的最 低限度配箍的情况下确定的 。 当采用机械锚固时 , 由于锚固挤压力较多地集中在锚头附近 , 锚1 8 1区的混凝土容易破碎 , 故应加以约束 。 文献( 7 ) 第9 . 3 . 2 条规定 : “ 采用机械锚固措施时 , 锚固长度截圃内的箍筋不应少T . 3 个 , 其直径不应小于纵向钢筋直径的0 . 2 5倍 , 其间距不应大于纵向钢筋直径的5 倍 。 当纵向钢 筋的混凝干, . 保护层厚度不小于钢筋公称直径的5 倍时 , 可不配置上述箍筋 。 ” 独立基础常常按照文献 2 的构造要求进行设计 , 如图4 。 当锚栓直径较小目 . 基础上部台阶较高时 , 锚栓伸入卜部台阶的长度很短 , 造成不安全 。 另外 , 锚栓中心距基础边只有4 d , 保护层厚度只有3 . 5 d , 因此 既不符合不设箍筋的要求 , 也不符合最低限度要求箍筋的要求 , 也是不安全的 。 对于这样的基础 , 建议锚栓增设箍筋 , 这样也方便施工时锚栓定位 : 同时将锚栓伸入卜部台阶巧d 以下 , 或者直接伸到基础底部( 如图5 ) 。 工业建筑2 0 0 7增刊1 4 6 1 第七届全 国现代结构工程学术研讨会 、 i i i ”l l l 匕匕被毛 扮声袄下挑扫 扫 _ _ _ . . . . . . 一 一 -. 一 一一 150 及4d 付 二次 浇 灌层 、rL一自 曰甘 护 l 1万一几”U 1 . 、产 锚栓 彩毛捆械 箍筋 基础 召 一八 图4 独立葵础锚栓 图5改进后独 立基础锚栓 J、 、 结语 (l ) 钢结构设计中 , 锚栓是一个非常关键的部位 。 由于 目前