03钢柱脚单个螺栓的承载力计算

"+ # $%.0&/
（&）
"#
式 中 ：%102"$*3／00#，$ 是 锚 栓 数 量 。 （$）国 外 研 究 的 结 论 文［##］等对栓钉（锚固不足）和锚栓（锚 固 足）的 抗
剪公式做了 总 结。 在 剪 力 作 用 下，破 坏 可 能 发 生 在 锚
栓中（锚栓剪坏），也可能发生在混凝土 中，锚 栓 受 剪 承
（)）圆 锥 形 混 凝 土 达 到 抗 拉 承 载 极 限（ 图 $）。 拉 应力沿破坏锥 体 面 的 分 布 是 变 化 的，在 埋 设 的 最 底 端
最大，在混凝土表面为 %，取 破 坏 面 上 混 凝 土 平 均 抗 拉 应力为（$／)）#2，并 视 整 个 破 坏 面 的 应 力 相 同（ 这 个 假 设得到了试验证实）。采用水平投影面 进 行 计 算，混 凝
转 换 为 设 计 公 式 时 要 改 为 抗 拉 强 度 设 计 值 #21。 （$）基 础 混 凝 土 与 锚 杆 的 粘 结 破 坏 。
!.$ " "%3&#2
（$）
式中 & 为锚栓 杆 直 径，%3 为 锚 固 长 度，#2 为 混 凝 土 抗 拉强度。
此决定受拉锚 栓 附 近 应 该 具 有 的 配 筋 量，而 锚 栓 的 埋 入 深 度 理 论 上 可 以 有 所 减 小 ，实 际 则 不 减 。
有锚栓屈服的第"种破坏形式才是合理的破坏模式， 其它六种破坏 模 式，应 在 基 础 设 计 中 使 之 有 足 够 的 尺
寸 ，或 配 足 够 的 加 强 筋 ，保 证 这 些 破 坏 形 式 不 出 现 。
图’ 柱底板和基础相对位置
%) 锚 栓 抗 剪 的 计 算 方 法 对一个柱脚来说，其抗剪能力可分 为 两 个 部 分，一
试验研究表 明，下 部 混 凝 土 弹 性 模 量 小 且 可 能 压
土抗拉力计算简化为：
!.) "%’66#2"（%3(&%／$）%3
（)1）
式中 &% 为锚栓钉头直径。
位于混凝土柱边缘的锚栓只能产生部分锥形混凝
土破坏面，受拉抗力也会减少。当为锚 栓 群 时，应 考 虑
各 锚 栓 破 坏 锥 体 相 互 重 叠 的 情 况 ，取
!.) " %’66#2$70
（)8）
抗 力 分 项 系 数 取 "／*)7。
当锚固长度 足 够，锚 栓 周 围 混 凝 土 局 部 压 坏 的 承
载 力 与 边 距 有 关（ 配 合 抗 力 分 项 系 数 取 "／*)’&）：
"+8 # #"(#/%8*’&
（Hale Waihona Puke ）式中：(/ 为 锚 栓 中 心 到 混 凝 土 基 础 边 缘 的 距 离（9:），
土内预埋件受剪时的受力情况与 锚 栓 受 剪 时 基 本 相
同。不同之处在 于 钢 柱 底 板 锚 栓 孔 径 较 大，可 能 会 影
响抗剪能力，锚 栓 抗 剪 承 载 力 估 计 是 在 上 式 基 础 上 乘
以适当的折减系数。
（&）英 国 的 方 法 英国完全将锚栓看作普通螺栓。设计指标取与普
通螺栓相同，但 是 在 柱 脚 抗 剪 计 算 时 完 全 忽 略 摩 擦 力
混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键承担。在排列方面 规范没有规定，对锚栓的埋设仅提出了 埋 深 要 求，对 防
的。文［!#］建 议 取 最 小 边 距 为 +& 和 !%%99 的 较 大 值，以防止侧面的劈裂破坏，在基础内配 置 竖 向 钢 筋 和
止下部基础混 凝 土 的 破 坏，提 出 验 算 基 础 的 压 力 不 要 箍筋也能够避免这种破坏。
（%）《 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 》（?@&**"*—#**#）预 埋件设计法
在我国 钢 筋 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 的 预 埋 件 设 计
中，配置直锚筋的预埋件采用的破坏形 式 为：锚 筋 弯 曲
达到塑性弯矩，锚筋底下的混凝土达到 局 部 承 压 强 度，
经推导及试验验证得到以下公式：
式 中 $70为 从 属 于 锚 栓 的 锥 体 水 平 投 影 面 积［$+］。
如果锚栓边 距 很 小，就 会 发 生 如 图 ) 所 示 的 劈 裂
破坏，它是由锚 栓 端 头 附 近 较 大 的 局 部 挤 压 应 力 引 起
$- 锚 栓 仅 受 剪 力 情 况 剪力由锚栓 通 过 承 压 传 给 周 围 混 凝 土，剪 力 使 锚 栓受弯，锚栓弯曲使混凝土压碎。试验 表 明，若 不 存 在 底板，高度约为 螺 栓 直 径 !／" 的 楔 形 混 凝 土 块 能 自 由 形成并完全破 碎，此 时 锚 栓 节 点 的 抗 剪 刚 度 急 剧 减 小 （见图"）。上部无约 束 楔 体 在 力 作 用 下，将 向 上 翻 转。 实际上，柱子底 板 或 基 础 顶 部 盖 板 能 限 制 混 凝 土 楔 体 移动，楔体 就 不 能 上 移，在 底 板 下 产 生 向 上 的 挤 进 压 力，增加了由底板施加的压力，在锚栓内 也 随 之 产 生 了 拉力。 因此，锚栓的 抗 剪 能 力 取 决 于 钢 材 强 度 和 剪 力 线 （剪力作用点）与 混 凝 土 表 面 的 间 距（ 指 锚 栓 有 足 够 锚 固深度，锚栓到混凝土基础边缘距离足 够 大，基 础 混 凝 土有较高强 度 的 情 况 下）。 若 锚 栓 群 组 通 过 一 块 底 板 承 受 剪 力 ，且 底 板 埋 置 在 混 凝 土 中（ 图 6（7）），荷 载 传 递 将更有效，此时底板下的混凝土受到更 大 的 约 束，而 且 底板边缘通过承压形成抗剪能力。剪力作用线靠近边 界时，抗剪能力受到边距有限的限制，破 坏 形 式 将 是 一
剪承载力的形式表示的。
（#）李 德 滋 建 议 的 方 法［"］ 建议同时考 虑 锚 栓 抗 拉 和 抗 剪，抗 剪 承 载 力 的 取
值与普通螺栓 相 同，假 定 柱 脚 底 板 与 混 凝 土 接 触 面 上
的摩擦系数 为 *)%，大 于 这 个 摩 擦 力 的 柱 脚 水 平 剪 力 由锚栓承受。锚栓提供的抗剪能力为：
部分是柱脚 与 基 础 间 的 摩 擦 力，其 大 小 一 般 可 取（*)$ !*)%）!，另一 部 分 是 锚 栓 与 混 凝 土 基 础 组 成 的 系 统 的抗剪能力 "+，这 里 所 说 的 就 是 "+ 的 计 算。 由 于 对 锚栓抗剪承载能力极限状态的认识不同而使人们在确
定 "+ 时有不同的结果。 （"）于 安 麟［’,-］等 建 议 的 方 法 文［’］认为：锚 栓 有 良 好 的 塑 性 变 形 能 力，设 计 时
应保证混凝土不破坏，使锚 栓,混 凝 土 系 统 的 破 坏 集 中 于锚栓。此时以锚栓剪切破坏为基础，"+ 为：
"+ # !$*%.&/／!$
（%）
式中：! 为修正 系 数，用 于 考 虑 锚 栓 受 力 不 均 匀 影 响，
低位锚栓可 以 取 *)’&，高 位 锚 栓 取 *)%；$* 为 参 与 抗
图$ 受拉锚栓的锥体拔出
图) 受拉锚栓边距不足时锥体侧鼓破坏
定得到保证，底板和整个柱脚的刚度都 较 大 时，柱 脚 的
!!
破坏形式可能有以下!种："）受拉侧 锚 栓 屈 服，柱 脚 在 有或没有微小滑移的情况下，刚体转动不 断 发 展；#）基 础外伸边缘尺 寸 过 小，致 使 在 底 板 压 力 作 用 下 的 混 凝
制 了 锚 栓 的 设 计 导 则［$%］。
!- 锚 栓 仅 受 拉 力 情 况 在 拉 力 荷 载 作 用 下 ，锚 栓 的 破 坏 形 式 有 三 种 ：
如果基础除 了 承 受 锚 栓 传 来 的 力 以 外，还 有 其 它 荷载作用，即锚固锚栓的混凝土可能额 外 受 拉 压 作 用， 对混凝土的抗拉力也有影响。如混凝土柱明显双向受 拉，采用"+;应力破坏角就偏于不安全。此时必 须 对 结 构设置加强 箍 筋 以 抵 消 受 拉 的 影 响。 相 反，混 凝 土 柱 双向受压时会增强锚栓的抗拉能力。
在埋入端端头设置螺母大小的六角头就可以防止
图" 锚栓受剪时混凝土的楔形破坏
图+ 边距不足锚栓受剪时基础的破坏
粘结 破 坏，这 种 措 施 节 省 用 钢 量 )%4 !"%4，因 此 美 欧等国家 都 采 用 有 钉 头 的 锚 栓，很 少 采 用 5型 锚 栓。 带锚板的锚栓因使基础混凝土削弱太多也很少使用。
"+ #（%)*’*-(）!%8／%.%.&4
（-）
其中：当（%A*)*-(）!%8／%.#*)! 时 取 *)!，( 为 锚 栓
直径。
式（-）主要是根 据 锚 筋 直 径 小 于 等 于 "#% 的 试 验 总结出来的，而 且 只 适 用 于 埋 板 顶 面 与 基 础 混 凝 土 面
平齐的情况。在 这 里 介 绍 这 个 公 式，主 要 考 虑 到 混 凝
载力取两者中的较小值。下面式（’）!（-）是 根 据 不 同 研究人员对埋在混凝土中的单个锚栓进行的大量试验
结 果 ，经 过 比 较 分 析 得 到 的 比 较 好 的 统 计 回 归 公 式 。
锚栓自身的极限抗剪承载力为
"+4 # "&（4 *’!&%56）
（’）
式中 &4 为 锚 栓 毛 面 积 ，%56为 锚 栓 抗 拉 极 限 强 度 ，配 合
土基础边缘外被压裂（劈裂）；$）混凝 土 抗 压 强 度 不 足， 在压力作用下基 础 发 生 局 部 承 压 破 坏；%）锚 栓 端 部 的 锚固力不足，整个锚栓呈锥体拔出；&）锚 栓 粘 结 力 不 足 被拔出；’）基础混凝土抗剪强度不足，使 锚 栓 周 围 的 混 凝土沿%&(斜线剪坏；!）锚 栓 受 剪 弯 曲 时，与 锚 栓 接 触 的混凝土产 生 永 久 变 形 而 破 坏。 上 述 破 坏 形 式 中，只
（!）锚栓 杆 达 到 抗 拉 承 载 力 极 限。 锚 栓 拉 断 承 载 力为：
如果混凝土 内 配 了 钢 筋，则 锥 体 破 坏 面 与 钢 筋 相 交，钢筋参与了 抗 拉，这 时 要 求 所 有 拉 力 传 给 钢 筋，由
!.! " #/$0
（!）
式中 $0 为锚栓有效抗拉 面 积，#/ 为 锚 栓 的 屈 服 强 度，
(/"%(，%8 为 混 凝 土 抗 压 设 计 强 度（;49），"+8量 纲 为
<=5:>4。 锚 栓 抗 剪 承 载 力 取 上 两 式 计 算 的 较 小 值 。
上述研究结 果 是 对 单 个 锚 栓 研 究 的 结 论，没 有 考
虑底板有一个厚度以及钢底板对混凝土有约束等有利
因 素 的 影 响 ，介 绍 这 些 主 要 是 为 了 使 读 者 有 一 个 对 比 。
超过混凝土的抗压强度。 国外的研究 则 更 加 关 注 单 个 锚 栓 的 承 载 力、破 坏
由 !.!:!.$和 !.!:!.)可 以 确 定 锥 体 破 坏 决 定 的埋入长度。
方式等，例如文［!"］!［!#］，对第二 方 面 的 研 究 却 很 少 （文［$%］）。 美 国《 核 能 结 构 规 范 》（&’()"*—#+）附 录 ,［!*，$%］对 锚 栓 的 计 算 和 设 置 有 详 细 的 要 求 ，还 专 门 编
剪的锚栓总数（当承受弯 矩 时，$* 为 受 压 区 锚 栓 数，受
拉 侧 锚 栓 不 参 与 抗 剪 ）。
上式表述的 破 坏 模 式 为 锚 栓 弯 剪 破 坏，考 虑 了 锚
栓受剪后附近混凝土承压破坏导致力臂增加和弯矩增
加使抗剪能力降低的因素。由于没有专门对单个锚栓
的抗剪承载力 进 行 研 究，给 出 的 式 子 是 以 柱 脚 整 体 抗
的作用。英国对柱底板上孔径的要求是：
(* # ( *& （当 ( $#*00 时） (* # ( *- （当 ( "#%00 时） 在满足构造要 求 的 情 况 下，锚 栓 承 载 力 不 由 混 凝 土 破
坏控制。
（!）美 国 核 工 业 结 构 预 埋 件 设 计 规 定（"#$%&’— ()）
个半锥体 被 劈 开（ 图 +），半 锥 体 的 顶 点 处 在 混 凝 土 表 面的锚栓承 压 面 处。 若 锚 栓 边 距 不 足，可 通 过 设 置 加
强箍筋来防止此类剪切破坏，如 < 形箍筋补强。 )- 锚 栓 既 受 拉 力 又 受 剪 力 情 况 对这种情况 的 研 究 很 少，当 柱 脚 各 板 件 强 度 和 稳