姚金滿

(浙江中南建設集團有限公司,浙江 杭州 310052)

0 引言

建(構)筑物鋼結構框架柱的地腳錨栓設計應按結構構件考慮,錨栓鋼材應滿足具體要求的斷后伸長率,以保證基礎與結構柱之間變形協(xié)調連續(xù)。錨栓的強度設計值應以鋼材的屈服強度換算得出,不應采用極限抗拉強度。

研究地腳錨栓的材質要求、強度設計值、預埋深度、力傳遞概念及其他不利因素,有利于保證框架結構的整體可靠性。鋼結構構件之間的局部連接常用普通螺栓連接、焊縫連接、高強度螺栓連接、銷軸連接、后置螺栓(植筋)連接等。鋼結構柱與基礎之間的外露式連接常用地腳錨栓(或地腳螺栓,錨栓)連接、銷軸連接、直接焊接連接、基礎杯口插入式連接等。

鋼結構框架柱與混凝土基礎之間的栓接連接名稱,采用柱腳錨栓[1](baseplate bolts)還是地腳螺栓[2](embedded bolts),工程應用過程中經?；煜?。螺栓與錨栓的共同點是均采用極限抗拉強度標準值fu換算[1]其強度設計值,沒有與柱協(xié)調一致的斷后伸長率要求,屬于普通C級螺栓概念,使錨栓處于整體連接的最薄弱環(huán)節(jié)。

柱腳錨栓(錨栓)是GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第12.7的名稱,屬于普通C級螺栓概念,沒有材質的延性要求。錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力,此水平反力由底板與混凝土基礎間的摩擦力(摩擦系數(shù)取0.4)或設置抗剪鍵承受。非受力錨栓宜采用Q235B鋼,端部彎鉤的預埋長度≥20d,端部錨板的預埋長度≥12d(d為錨栓直徑)。

地腳螺栓是GB 50191—2012《構筑物抗震設計規(guī)范》[2]第16.3.5的名稱,也屬于普通C級螺栓概念,沒有材質的延性要求。地腳螺栓應設置端部彎鉤或錨板,不得承受地震剪力,柱底地震剪力應由底板與基礎間的摩擦力或抗剪鍵承受。采用Q235鋼時,預埋深度不得小于20d;采用Q345鋼時,預埋深度不得小于25d。

地腳錨栓(anchor bolts)是本文的名稱,鋼結構框架柱腳由地腳錨栓錨固于基礎,并具有良好的抗地震、抗風振等錨固協(xié)調作用時,埋入端錨固構造措施應采用加勁T形地腳錨栓(見圖1),應有與柱協(xié)調一致的斷后伸長率,強度設計值應按鋼材的屈服強度除以錨栓的抗力分項系數(shù)換算得出,不應采用極限抗拉強度。

圖1 加勁T形地腳錨栓Fig.1 Stiffened T-shaped anchor bolts

框架整體地腳錨栓材質的斷后伸長率A應≥20%,局部高強鋼材的錨栓A可按≥17%選用[3],以滿足結構整體的協(xié)調工作。構造要求的地腳錨栓可選用Q235B鋼,按承載能力計算確定的地腳錨栓材質應選用不低于Q345B的鋼材,并優(yōu)先滿足斷后伸長率要求。

選用高強鋼材的地腳錨栓時,應按斷后伸長率≥17%,屈強比≤0.75的原則選用,以保證鋼結構框架柱腳的延性和耐疲勞性能,不因鋼材的強度高而忽視地腳錨栓的延性要求。

預埋于基礎內的地腳錨栓,埋入端須設置可靠的錨固措施,如圖2所示,混凝土錨固邊距按≥5d考慮。

圖2 普通錨固措施的地腳錨栓Fig.2 Anchor bolts for ordinary anchoring measures

1)J形地腳錨栓 埋入端設置180°彎鉤錨固,內圓弧半徑為2.5d,適宜直徑較小的普通錨固,錨栓公稱直徑適用范圍為M24～M42,如圖2a所示。

2)普通T形地腳錨栓 埋入端設置焊接錨板或螺栓錨板,板寬為4d,適宜直徑較大的普通螺桿錨固,錨栓公稱直徑適用范圍為M30～M64,如圖2b,2c所示。

3)加勁T形地腳錨栓 埋入端設置焊接加勁錨板,錨固性能最好,較大受拉的錨栓應優(yōu)先采用,混凝土錨固邊距不應小于6d,錨栓公稱直徑適用范圍為M36～M100,如圖3所示。

圖3 加勁T形地腳錨栓構造Fig.3 Stiffened T-shaped anchor bolts

4)后錨固連接采用GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》規(guī)定的后錨固倒錐形化學錨栓或螺桿植筋,前者為普通C級螺栓,屈強比均為0.8,斷后伸長率≤14%,錨固深度不足9d,不應作為主要構件的錨固連接;主要受力構件的后錨固可采用全螺紋的螺桿植筋錨固,如圖4所示。

圖4 倒錐形螺栓及螺桿植筋Fig.4 Inverted conical bolts and screw reinforcements

1 地腳錨栓強度設計值換算關系

地腳錨栓的強度設計值換算應采用屈服強度的概念,應與鋼結構構件一致。普通C級螺栓僅驗算受拉應力和受剪應力,接觸擠壓應力僅對連接板進行驗算,不驗算螺栓的承壓應力,這是不合理的,因為螺桿與連接板之間的正接觸擠壓應力是相互作用的。《鋼結構設計標準》規(guī)定的柱腳錨栓屬于連接節(jié)點,附加延性要求的地腳錨栓屬于連接構件,受力共同點是抗剪能力微弱。承受較大拉力的地腳錨栓(柱腳錨栓、地腳螺栓),應優(yōu)先采用低合金結構鋼[4]和鋼拉桿(GLG)[5]。

1.1 地腳螺栓的等效承載系數(shù)K值

表1 地腳螺栓的鋼材等效承載力系數(shù)K值Table 1 K value of the steel equivalent bearing coefficient of anchor bolts

(1)

(2)

(3)

1.2 地腳錨栓的抗力分項系數(shù)KR

地腳錨栓的強度設計值采用鋼材的屈服強度換算得出,鋼材的抗力分項系數(shù)[1]如表2所示。強度高于Q460鋼材的抗力分項系數(shù)取1.094[3],此值偏小。鋼拉桿[5]屬于熱處理低合金高強鋼,用于錨栓時,抗力分項系數(shù)應取與Q460鋼相同,即1.180。

表2 錨栓鋼材的抗力分項系數(shù)γRTable 2 Resistance termination coefficient of anchor steel γR

地腳錨栓對于結構整體協(xié)調性非常重要,實際受力(受拉、受剪、受彎等)過程中的不確定性因素較多,比純拉桿構件的受力更復雜,因安裝差異使錨栓抗剪能力差異很大。JGJ 257—2012《索結構技術規(guī)程》規(guī)定,索(鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩)產品的抗力分項系數(shù)為2.0,鋼拉桿的抗力分項系數(shù)[6]為1.7;地腳錨栓與鋼拉桿同為以受拉為主的構件,首次提出,將鋼拉桿的抗力分項系數(shù)乘以鋼材的抗力分項系數(shù)γR,得出地腳錨栓的抗力分項系數(shù)KR,如表3所示。由表3可知,地腳錨栓的抗力分項系數(shù)KR值與地腳螺栓的承載系數(shù)K值一致,但地腳錨栓的工程應用概念更清晰,性能更可靠。

表3 基于KR的地腳錨栓強度設計值Table 3 Design value of anchor bolts strength based on KR

地腳錨栓的抗拉強度設計值計算如下:

(4)

KR=1.70γR

(5)

2 地腳錨栓的材質要求及強度設計值

當構造設置錨栓或拉力較小時,錨栓鋼材宜采用Q235級鋼,錨栓公稱直徑不應小于M30;鋼結構框架柱的錨栓群受力較大,空間受力較復雜,錨栓鋼材應整體采用Q345或Q390鋼制作,局部錨栓可采用更高強度的鋼拉桿鋼材(GLG550)制作。

2.1 地腳錨栓的鋼材選用要求

JGJ/T 483—2020《高強鋼結構設計標準》規(guī)定鋼材的最低斷后伸長率A≥16%,當用于地腳錨栓時斷后伸長率按不小于17%選用;斷后伸長率A=17%與Α50=20%相當,保證鋼材具有足夠的塑性變形協(xié)調能力。普通C級螺栓的屈強比均為0.80,在滿足斷后伸長率的情況下也可用于較小偏心受壓柱的錨固。綜合鋼材的性能參數(shù)和彈塑性變形要求,建議地腳錨栓的材質要求如下。

1)鋼材的斷后伸長率應優(yōu)先采用A≥20%的鋼材,局部錨栓可采用更高強度的鋼拉桿鋼材,斷后伸長率不得小于17%。

2)鋼材屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不宜大于0.75,不應大于0.80。

3)錨栓的材質進行熱處理后,保持不降低桿材原有的斷后伸長率。

4)為了與混凝土的錨固作用相協(xié)調,鋼拉桿的強度等級宜不超過GLG550。

5)腳錨栓的埋入部分應符合構件的除銹設計要求,不宜鍍鋅,以保證與混凝土之間的黏結性。

2.2 地腳錨栓強度設計值表達式

表5 地腳錨栓與地腳螺栓的強度設計值Table 5 Strength design value of anchor bolts and embedded bolts

3 地腳錨栓的預埋深度與混凝土強度的對應關系

外露式鋼結構柱腳的地腳錨栓不應考慮承受地震(風振)水平剪力,柱底剪力應由底板與基礎之間的摩擦力或抗剪鍵承受。地腳錨栓常采用光滑圓桿,預埋深度的計算采用混凝土的抗拉鋼筋概念。柱腳安裝時禁止增設“調整螺母”,以避免地腳錨栓承受柱底壓力。

地腳錨栓埋入端須設置錨固措施,在滿足鋼材強度等級對應混凝土強度等級(見表6)的條件下,錨栓的預埋深度須保證不低于某個數(shù)值,以保證混凝土的有效錨固。①對于設置180°彎鉤或單錨板的抗拉最小預埋深度(見圖2),Q235B鋼取la≥20d, Q355鋼取la≥25d;②對于焊接加勁錨板的地腳錨栓(見圖3),Q235B鋼取la≥15d,Q355鋼取la≥20d; ③錨栓抗剪的最小預埋深度,Q235B鋼取lv≥12d,Q355鋼取lv≥15d。

表6 地腳錨栓的預埋深度對應混凝土強度等級Table 6 The embedded depth of the anchor bolt corresponds to the concrete strength grade

3.1 地腳錨栓的預埋深度按屈服強度計算

地腳錨栓在結構整體協(xié)同工作中屬于最關鍵的構件,不應看成是提高了安全系數(shù)的螺栓,強度設計值應以桿材的屈服強度為換算依據,采用抗力分項系數(shù)KR確定。地腳錨栓的預埋深度應按受拉鋼筋的錨固概念計算確定。①地腳錨栓的公稱直徑取不小于30mm,錨固長度增大系數(shù)取1.15;②施工過程中易擾動使錨栓錯位,取增大系數(shù)1.15;③地腳錨栓的最小錨固邊距應不小于5d,取修正系數(shù)0.70;④地腳錨栓圓桿的末端設置180°彎鉤或錨板, 錨固長度折減0.70倍。則影響受拉錨栓的預埋深度修正系數(shù)ζc=1.15×1.15×0.70×0.70=0.65。地腳錨栓受拉計算預埋深度la采用受拉鋼筋[7]的計算公式,圓桿外形系數(shù)取α=0.16:

(6)

當錨栓作為純受剪構件時,以式(6)替換強度設計值計算抗剪預埋深度lv:

(7)

(8)

式中:f為鋼材的抗拉強度設計值(MPa);ft為混凝土軸心抗拉強度設計值(MPa);fv為鋼材的抗剪強度設計值(MPa);d為地腳錨栓螺桿的公稱直徑(mm);lv為地腳錨栓的抗剪錨固深度(mm);la為地腳錨栓的抗拉錨固深度(mm)。

進行地腳錨栓的預埋深度計算前,應首先考慮鋼筋混凝土的強度等級,鋼材的強度等級與錨栓的預埋長度之間的對應關系如表6所示,方便錨栓工程設計者參考。計算地腳錨栓的預埋深度應按受拉鋼筋的錨固概念進行,通過對地腳錨栓的預埋長度的分析對比,混凝土強度等級不應超過C40。

錨栓的預埋深度并不是隨著混凝土的強度等級增加而減小,當錨栓采用Q235鋼時,對應的混凝土強度等級取值不低于C20,不高于C25;當?shù)啬_錨栓采用Q355和Q390時,對應的混凝土強度等級不應低于C25,不高于C30。

3.2 地腳錨栓群的埋置深度試驗依據

埋置于基礎內的地腳錨栓受拉達到極限強度破壞前,不應在基礎表面出現(xiàn)混凝土崩裂破壞現(xiàn)象,是地腳錨栓有足夠預埋深度的前提。臧祥生等[8]對4根焊接加勁T形錨板(見圖1)地腳錨栓(材質Q345)組成的錨栓群(間距3d,5d,7d)進行試驗得出,當錨固長度達到18d以上時,錨栓的抗拔承載力變?yōu)橹饕陕輻U的抗拉強度控制,出現(xiàn)螺桿屈服現(xiàn)象,螺桿并沒有拉斷。對于焊接加勁T形錨板式[9]單根地腳錨栓(M36,M45,M60,材質Q345)及180°彎鉤的J形[10]單根地腳錨栓(M36,材質Q345),當錨固長度達到15d時,拉伸試驗均出現(xiàn)單根螺桿拉斷的現(xiàn)象。說明錨栓群雖增強了抗拉承載力,但比單根錨栓更易使混凝土出現(xiàn)崩裂破壞現(xiàn)象,錨栓群的抗拉錨固長度取15d不利于混凝土基礎。由此可見,加勁錨板式地腳錨栓群的錨固長度取不小于20d可滿足一般工程需要;當考慮較大風振等疲勞荷載時,再加長1.25倍取不小于25d也是必要的,可使錨栓在彈塑性受力狀態(tài)正常工作。

4 按規(guī)范計算地腳螺栓的預埋深度

地腳螺栓是GB 50191—2012《構筑物抗震設計規(guī)范》用名詞,不得承受水平剪力,剪力應由底板與基礎之間的錨固摩擦力或抗剪鍵承受。地腳螺栓預埋深度按《構筑物抗震設計規(guī)范》第16.3.5的規(guī)定計算。

當?shù)啬_螺栓采用Q235級鋼時,預埋深度不得小于20d;當?shù)啬_螺栓采用Q345鋼時,預埋深度不得小于25d,混凝土的強度等級籠統(tǒng)要求不低于C20,沒有與混凝土強度的對應關系說明,概念不夠清晰,沒有反映出柱腳構件的延性變形協(xié)調性要求。

《鋼結構設計標準》規(guī)定的地腳螺栓強度設計值是按螺栓的概念確定的,以鋼材的極限抗拉強度為換算依據,采用普通C級螺栓的強度設計值乘以0.9得出:

fat=0.9×0.42fbu=0.38fu

(9)

(10)

As/A=(1-0.938 2p/d)2

(11)

式中:As為地腳螺栓公稱截面面積(mm2);A為地腳螺栓桿的截面面積(mm2);d為地腳螺栓的公稱直徑(mm2);lb為地腳螺栓的計算預埋深度(mm);ft為基礎混凝土軸心抗拉強度設計值(N/mm2);fat為地腳螺栓抗拉強度設計值(N/mm2);p為粗制螺絲的螺距(mm)。

地腳螺栓的預埋深度按規(guī)范公式計算值,如表7所示。由表7可知,當混凝土強度等級為C20時,材質Q235級的地腳螺栓預埋深度基本滿足20d;材質Q355級及Q390級地腳螺栓的預埋深度滿足25d時,混凝土強度等級應為C25及以上。當?shù)啬_螺栓采用Q345鋼與混凝土強度等級C30組合時,預埋深度約為20d,與本文中第3.2節(jié)的試驗數(shù)據基本一致。由此可得出,按式(8)計算得出的預埋深度, 均應設置加勁錨板,以保證混凝土基礎不會出現(xiàn)崩裂破壞現(xiàn)象。

表7 地腳螺栓的預埋深度按規(guī)范公式計算值Table 7 The embedded depth of the anchor bolt is calculated according to the standard formula

5 地腳錨栓(螺栓)的預埋深度修正系數(shù)

在抗震作用和風振作用下承受較大拉力的地腳錨栓(螺栓),或框架結構周邊的地腳錨栓,受力狀態(tài)較復雜,應按承受動力荷載考慮,錨栓末端均應設置T形加勁錨板。為防止錨栓受力范圍內的混凝土劈裂, 加強握裹作用防止失錨[6],混凝土的錨固邊距不應小于5d,加勁T形錨栓的錨固邊距不應小于6d;受力錨栓的錨固周邊應合理配置受力鋼筋或設置型鋼,以保證錨栓的可靠錨固性。

設地腳錨栓的設計預埋深度為ha,按式(6)計算計算預埋深度la,結果取整數(shù)。工程設計時?？紤]地震作用,而忽視風振荷載的不利作用。對于脈動風荷載(風振或者陣風)來說,節(jié)點加強遠比構件加強重要的多,對于風振荷載地面粗糙度A類,預埋深度修正系數(shù)的建議值如表8所示,保證結構在設計壽命工作期間的錨固安全,供鋼結構工程設計者概念性參考取值,同時也可用于長懸臂構件的錨固端節(jié)點連接加強。深度修正系數(shù)取各種情況的較大值,不可連乘?！爸匾燃墶钡母拍?屬于有一定實施經驗的鋼結構設計者,考慮諸如施工質量因素、荷載作用敏感因素、長懸臂積雪荷載、小變形要求等各種不利因素的修正系數(shù),鋼結構設計概念不僅滿足相關條文的要求,更重要的是保證結構安全。

表8 錨固深度修正系數(shù)Table 8 Anchor depth correction coefficient

ha=φala

(12)

式中:ha為地腳錨栓的設計預埋深度;la為地腳錨栓的計算預埋深度;φa為地腳錨栓的預埋深度修正系數(shù)。

6 地腳錨栓的杠桿臂抗剪能力分析

《混凝土結構加固設計規(guī)范》規(guī)定的后錨固特殊倒錐形螺栓或全絲螺桿植筋,是將其受剪狀態(tài)區(qū)分為無杠桿臂和有杠桿臂[11]兩種情況,抗剪承載能力差距很大。地腳錨栓與后置螺栓的受力狀態(tài)是一致的,只是錨固方式不同,將后置螺栓的杠桿臂抗剪分析方法應用于地腳錨栓的抗剪承載能力分析也是恰當?shù)摹?/p>

地腳錨栓的抗剪原理與后置螺栓的抗剪原理相同,但受力情況更復雜。構造做法是地腳錨栓附加預埋錨板(見圖5),柱腳端板全接觸支承于平整的錨板,不增加較厚的鋼板調整墊塊,抗剪設計可按接近無杠桿臂考慮。當柱腳安裝就位后,柱底板與錨板之間密切接觸,構造保證錨栓根部不出現(xiàn)局部彎曲,在柱底板四周可焊接一些厚鋼板塊,并與柱底板側面頂緊,阻止柱底板的水平位移,保護地腳錨栓的正常的受拉狀態(tài)。

圖5 預埋錨板抗剪Fig.5 Anti-shear of embedded anchor plate

假定預埋錨板或混凝土基礎頂面以下處于密實狀態(tài),柱腳安裝時采取有效的傳統(tǒng)措施,可使地腳錨栓始終接近無杠桿的受力狀態(tài)。鋼結構柱腳安裝就位后大致有5種傳力狀況:①柱腳底板支承于平整的預埋錨板傳遞柱腳壓力,接觸面無滑移傳遞較小剪力;②柱腳底板與錨板之間的接觸出現(xiàn)滑動趨勢,水平剪力由底板的摩擦力傳遞,摩擦系數(shù)[4]取0.40;③當柱腳水平剪力較大時,壓力應由錨板傳遞,剪力由柱底板摩擦力與螺桿共同承受,螺桿側面承受局部正接觸擠壓應力,可視為無杠桿臂抗剪;④當柱腳底板以下設置了不小于50mm的后澆筑空間時,可視為有杠桿臂抗剪,此時的錨栓抗剪能力可忽略;⑤當柱腳安裝就位受力后,柱腳底板下的微沉降使柱腳的受力呈復雜的有杠桿臂的情況;⑥柱腳安裝時增設的“調整螺母”使錨栓轉變?yōu)殚L杠桿臂壓彎短柱,如圖6,7所示,改變了柱腳壓力的傳遞途徑,應該明確禁止。

圖6 超長杠桿臂錨栓群Fig.6 Ultra-long leverage arm anchor group

6.1 無杠桿臂的錨栓受剪承載力

當鋼結構柱底板與預埋錨板頂面平整接觸時,地腳錨栓承受拉力的同時,可通過底板摩擦力承受水平剪力;剪力較大時錨栓螺絲弧面局部參與受剪,是一種近似無杠桿臂受力狀態(tài),實際的情況是只有軸心受壓柱(或小偏心受壓柱)的柱底板才有可能密切接觸。

當柱腳底板直接支承于平整的預埋錨板上時,錨栓將以受拉狀態(tài)工作,錨栓抗剪可按接近無杠桿臂考慮,柱腳安裝就位后,錨栓承受豎向拉力Rz為主,保證不承受豎向壓力,如圖5所示。

(13)

(14)

式中:As為錨栓有效截面面積(mm2);fct為抗拉強度設計值(N/mm2);fcv為抗剪強度設計值(N/mm2)。

6.2 有杠桿臂的地錨栓受剪承載能力

對于增設“調整螺母”、設置二次密實澆灌混凝土(實際上達不到設計要求)的柱腳安裝方式,地腳錨栓的受力狀態(tài)將出現(xiàn)拉應力、剪應力、擠壓應力、彎曲應力等,如圖7所示,應設置附加水平抗剪件傳遞較大的水平剪力。尤其增設“調整螺母”的情況,錨栓轉變?yōu)閼冶鄣氖軌憾讨?底板下部支承很虛空,形成典型的長杠桿臂,錨栓失去抗剪能力,并減弱錨栓的受拉承載力。

圖7 “調整螺母”加長杠桿臂Fig.7 “Adjustment nut” extended lever arm

有杠桿臂預埋錨栓的抗剪承載力Nv可借用后置螺栓[11]的抗剪表達式:

(15)

由式(15)可知,錨栓的杠桿臂使錨栓變成抗彎剪構件,抗剪能力很低。

當柱腳所受拉拉力足夠小或僅傳遞柱底壓力時,可取Nt≈0:

(16)

如圖7所示,柱腳安裝時由增設的螺母調整柱底標高,安裝就位后的錨栓受力狀態(tài)變成懸臂受壓短柱。設豎向反力Rz,水平反力Rx,受杠桿臂及柱腳偏心受壓影響使得錨栓受彎,產生彎曲應力。地腳錨栓由受拉狀態(tài)轉化為偏心受壓短柱構件,單根地腳錨栓的受剪承載能力應按式(15)計算;單根錨栓的受壓應力按下式計算:

σ1=N1/As

(17)

單根地腳錨栓的受彎曲應力,My=R1xl0;

(18)

式中:N1為單根錨栓所受壓力最大值(kN);R1x為單根錨栓所受水平剪力值(kN)。

可見,錨栓的計算長度對于彎曲應力影響很大,如果錨栓的彎曲情況較復雜,可將彎矩放大1.25倍。地腳錨栓可能參與受剪并與柱底板孔少量接觸,考慮到抗剪能力很弱,正接觸擠壓應力可不計算。

6.3 地腳錨栓抗拉與抗剪能力的關聯(lián)性

地腳錨栓的螺絲產品應按普通C級,同時承受拉力和剪力的單個錨栓,其承載能力應符合式(19)的要求:

(19)

表9 不同約束對應的杠桿臂l0Table 9 Lever arms corresponding to different constraints l0

6.4 輕鋼廠房地腳錨栓的抗剪能力

7 帶“調整螺母”的國家標準圖集

《鋼結構設計標準》規(guī)定地腳錨栓不宜用以承受柱底部的水平剪力,此水平反力由底板與混凝土基礎間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0.4)或設置抗剪鍵承受。考慮到錨栓杠桿臂的不利影響,可將《鋼結構設計標準》中的“不宜”改為“不應”或“不得”,特別是設有靴梁的地腳錨栓更不得考慮承受水平剪力。外露式柱腳受壓底板側的錨栓不應考慮抗剪,因為杠桿臂使錨栓進入彎剪工作模式,降低抗拉承載力。

輕型鋼結構廠房柱安裝時習慣增設“調整螺母”調整標高,已經在全國鋼結構施工現(xiàn)場廣泛使用,國家標準設計圖集16G519《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》所示的高層建筑鋼結構柱腳安裝也采用了“調整螺母”的安裝方式,如圖8所示。雖方便了短暫的施工安裝,但將地腳錨栓由僅承受拉力的受力狀態(tài)轉變?yōu)閼冶凼軌憾讨惺苤_的所有反力。圖集中無論是柱腳反力較小還是較大,其做法均帶有“調整螺母”,徹底改變了地腳錨栓的設計功能,明顯降低了地腳錨栓的安全儲備,應明確施工時禁止增設;建議《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》修改鋼柱腳的安裝示意圖。

圖8 鋼柱腳增設“調整螺母”安裝Fig.8 Installation of “adjustment nut” to steel column feet

圖8所示的“調整螺母”安裝做法,地腳錨栓首先進入受壓狀態(tài),屬于典型的有杠桿臂受壓,在實際工程中處于有時受拉、有時受壓的狀態(tài),可能導致錨栓疲勞破壞。

8 結語

外露式柱腳的地腳錨栓是保證結構整體正常工作的最主要連接構件,尤其在設有重級工作制吊車的鋼結構廠房柱中應用更廣泛,受拉錨固概念明確,安裝方便。有斷后伸長率保證的地腳錨栓受拉達到屈服強度后可進入彈塑性工作階段,直至被拉斷前應有足夠的變形協(xié)調能力。

1)預埋地腳錨栓應視為柱腳構件,保證鋼材的斷后伸長率滿足設計要求,錨栓的強度設計值應采用屈服強度換算得出,受力較大的錨栓可優(yōu)先采用強度等級不低于Q355級的鋼材制作。

2)對地腳錨栓的材質提出斷后伸長率(≥17%)和屈強比(≤0.75)的具體參數(shù)要求,以保證錨栓的彈塑性滿足與框架柱的變形協(xié)調性。重要的受拉錨栓的材質可采用鋼拉桿(GLG)鋼材,強度等級不高于GLG550。

3)地腳錨栓的預埋深度應采用光面受拉鋼筋的錨固概念,由鋼材的屈服強度計算確定;不同場地條件應采用不同的錨固長度修正系數(shù),比《構筑物抗震設計規(guī)范》給出的計算方法概念更清晰、更實用。

4)當?shù)啬_錨栓計算預埋深度小于25d時,混凝土強度等級不應再提高;預埋深度計算的混凝土強度等級不超過C40。

5)借用后錨固螺栓的杠桿臂抗剪概念,得出地腳錨栓的抗剪能力受柱腳安裝條件的影響很大,抗剪能力很弱。建議柱腳錨栓設計時不考慮抗剪,安裝時禁止增設“調整螺母”。

6)柱腳安裝時增設的“調整螺母”,使得地腳錨栓變成了受壓短柱,改變了柱腳的傳力途徑,破壞了錨栓的受力狀態(tài),建議《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》作出柱腳安裝示意的相應修改。