预埋件设计理论

预埋件在各种工业与民用建筑，特别是在工业建筑中应用十分普遍，由于其应用范围很广，加之各种新材料、新施工机具的应用，使预埋件应用的灵活性亦大为增加，应用的程度也有不断增加的趋势。在减轻设计与施工工作量的同时，针对预埋件构造类型多，受力状态较复杂的特点，如何安全、合理的设计预埋件也就变的愈发重要了。

现代意义上的预埋件应不仅仅局限于传统意义上的预埋件，即按施工图的要求事先加工好锚板及锚筋并焊接，安置于需要的位置，支好模板，再浇筑混凝土，而且应包括先钻孔通过膨胀螺栓将钢板固定于构件表面的后施工预埋件，而且后一种预埋件更具有生命力；从受力状态分，规范(GBJ10－89)将其分为受剪、弯、轴向力(拉或压)及复合力构件；从锚杆的材料分为钢筋与角钢(规范GBJ10－89中给出了锚杆为钢筋时的计算及构造要求)。分述如下：

一、以钢筋为锚筋的预埋件

对以钢筋为锚筋的预埋件，混凝土结构设计规范GBJ10－89已给出相应的计算公式及构造要求，而且现在也有一些标准图可供选用，因此在本文中只简单论述它的受力性能，破坏特征、强度影响因素。

(一)受剪预埋件

1.受剪预埋件的受力性能：配置直锚筋的受剪预埋件工作状态分为三个阶段：①弹性阶段：60％极限荷载以内，外剪力主要由锚板底边下混凝土承压强度与混凝土之间的粘结力承担。②弹塑性阶段：60％极限荷载以外，锚板底边下混凝土出现裂缝，粘结力消失，外剪力逐步由锚筋下的混凝土承压和锚板与混凝土之间的摩擦力承担。③破坏阶段：超过80％极限荷载后，锚筋根部下混凝土达到极限强度，出现应力重分布，其最大承压逐渐向里移动，荷载继续增加时，锚筋下一定长度内混凝土达到极限强度，随后钢筋达到抗拉强度，并出塑性铰，变形迅速增大，锚筋下混凝土发生局压破坏，将混凝土劈开，预埋件丧失承载力。因此影响预埋件承载力的主要因素除焊接外，主要是锚筋及混凝土的强度。

2.受剪预埋件的变形：其特点为60％极限荷载以内，为弹性变形；荷载继续增加时，逐渐变为非弹性变形，无明显的台阶及突变，延性较好。锚板既有滑移又有转动。

3.影响预埋件抗剪强度的因素：通过以上介绍，可知配置直锚筋的预埋件的抗剪能力由锚筋下的局部承压度V和锚筋拉力N产生的摩擦力F承担。根据混凝土局压强度套箍理论，其置于锚筋边矩C和直径D的比值以及构件的配筋情况有关。锚筋的内力分布又与锚筋的锚固长度和混凝土的强度有关。

另外，当预埋件设置在素混凝土构件上时，其周围必须配置适当的构造钢筋，在预埋件

根部配置套箍是一种有效的构造措施。

(二)受拉预埋件

1.受拉预埋件的受力性能：其受力性能与锚板的构造有关。如锚板的刚度很大，锚板在拉力作用下不会发生弯曲变形，锚筋处于中心受拉状态。如锚板的刚度较小，锚板则会发生弯曲变形，锚筋除受拉外，在锚筋根部尚会发生剪切变形，使锚筋承受内剪力，混凝土受到锚筋的局部挤压。剪切变形的大小与锚板的弯曲程度有关，而且钢筋在受拉端的应力最大，离受拉端的距离越大，应力越小。

2.影响受拉预埋件抗拉强度的主要因素：①锚固长度：锚固作用主要取决于粘结力，粘结力的来源为胶结力、摩阻力和咬和力。因此，直锚筋的锚固长度与混凝土的强度等级、钢筋的外形和表面状态密切相关。当锚固长度不足时发生锚固失效，即粘结滑移过大或粘结应力超过粘结强度，在工程设计中必须满足这两项要求。实际结构中，当预埋件锚筋的埋置深度满足不了规范的要求，可在端部采取附加锚固措施。

②预埋件受力情况对抗拉强度的影响：多数预埋件处于静力受拉状态，对于地震区，预埋件在地震力作用下处于周期反复受力状态，对于有吊车厂房的厂房柱与吊车梁上翼缘连接的预埋件，在吊车横向制动力的作用下处于重复受力状态，此类预埋件还应考虑周期反复作用引起的疲劳影响。我国现行规范仅明确规定了在地震荷载作用下的要求，在其它动力荷载作用下没有做出明确规定，在这种情况下，应当可以按地震时要求考虑或对抗强度进行一定的折减并采用变形钢筋。

(三)弯剪型预埋件

弯剪型预埋件广泛用于钢筋混凝土结构上支承钢牛腿，其受力状态随着作用在预埋件上弯矩与剪力比值M/N而变化。破坏特征不尽相同。当力臂比e/z<0.3时，预埋件都是混凝土先被压坏，具有一般受剪预埋件的破坏特征。当力臂比e/z>0.6时，预埋件都是受拉锚筋被拉断而破坏。当力臂比e/z=0.3－0.6时，预埋件有的是受拉锚筋被断而破坏，有的是混凝土被压坏而破坏。根据上述破坏特征，我们在工程设计中可根据力臂比值e/z(一般情况下e及z可调节范围很小)。判断其可能的破坏特征，对不同的破坏类型采取不同的预防措施。例如：当e/z>0.6时，可适当用强度高的钢筋作锚筋，以防止因钢筋拉断而破坏。

二、以角钢锚筋的预埋件

当外荷载较大时，配置直锚筋往往就不能满足需要，这时就需要用角钢来做锚筋以提高承载力。但现行规范中未见此部分内容，先讨论如下：

(一)配置角钢锚筋的受剪预埋件：

1.配置角钢锚筋的受剪预埋件的受力状态可分为三个阶段即：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。由于角钢的非对称截面的特点，角钢呈扭曲、弯曲和撕裂的破坏形态。它的受力情况为：在靠近锚板处，角钢承受正弯矩，在一定距离处转为负弯矩。试验表明：在最大正弯矩和最大负弯矩截面角钢水平肢和垂直肢均能达到屈服强度。角钢承受的弯矩和拉力随着外剪力的增大而增大。锚板对角钢端部产生嵌固作用。对锚板而言，它的锚固长度c对预埋件抗剪强度的提高有重要作用。c值过小，就不能有效的约束角钢端部的转动以及混凝土的侧向变形，将导致预埋件抗剪强度明显降低。将锚板视为受到弯矩和压力作用的弹性地基梁分析，可得锚板的有效嵌固长度C=3.5t。锚板厚度t在适当值时，可以约束混凝土的侧向变形，提高混凝土的承压强度和延性，并协调各角钢的共同工作。如果锚板过宽，也将不能充分发挥作用。将锚板视作受到压力作用的弹性地基梁分析，得到锚板的有效宽度B=b＋0.6t。锚板应有一定的厚度t才能具有足够的刚度约束角钢端部的转动而达到最大正弯矩，通过配置等肢角钢锚筋预埋件的试验可得t=(Wmin/b)0.5，式中Wmin为角钢对X－X轴的最小截面抵抗矩。当锚板厚度t满足上式要求时，已有足够的刚度和强度约束角钢端部的转动及角钢下混凝土的侧向变形，使角钢和混凝土都能充分发挥其强度。根据理论分析及试验结果，其强度计算公式为Vu=3n(Wminbfyfc)0.5 ，式中n为角钢排数，b为板宽，fy为角钢的抗拉设计强度，fc为混凝土的抗压强度设计值。

2.影响抗剪强度的因素主要为：沿剪力方向角钢排数对预埋件强度的影响，当角钢排数较多时，会造成底排角钢下混凝土的压力重叠而增大，使角钢端部的正弯矩增大，同时由于顶排角钢水平位移较大，锚板对顶排角钢的约束有所减小，故应对不同排数的预埋件进行强度折减：周期反复荷载作用下亦会对强度造成影响，主要表现为破坏时裂缝严重，都是角钢下混凝土压碎。构造上应特别注意，对于肢宽不小于80的角钢锚筋，锚固长度不应小于6b，当锚固长度不够时，强度予以折减。

(二)配置角钢锚筋的受拉预埋件

1.配置角钢锚筋的受拉预埋件的受力性能与其破坏形态有关。预埋件的主要破坏形态分为两类：一是混凝土发生锥体破坏，试验表明在60％的极限拉力时，首先在预埋件顶面锚板附近出现裂缝，随着拉力的增加，侧面斜向开裂，形成锥体。二是角钢锚筋破坏，破坏特征与角钢的拉伸试验相似，即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。预埋件破坏时延性较好。

2.配置角钢的预埋件，角钢拉断时的抗拉强度计算方法与配置直钢筋锚筋的受拉预埋件相似。对于混凝土发生锥体破坏的预埋件其抗拉强度主要取决于混凝土锥体侧面的抗拉强度和角钢锚筋端部锚上的局部抗压强度。锥体侧面的倾角α越小，锥体侧面积越大，混凝土锥