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

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ACI 349-06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GB 799《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GB 50696-2011《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GB 50010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GB 50696-2011附录D D.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GB 50696-2011附录D D.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GB 50696-2011 附录D D.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