試議鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件錨板厚度

姜忠國(guó)，張順宇

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

1 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定

錨板厚度應(yīng)根據(jù)受力情況計(jì)算確定，且不宜小于鋼筋直徑的60%；受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度宜大于b/8（b為錨筋間距）。

以受拉預(yù)埋件為例，其承載力計(jì)算公式為：

式（1）、式（2）中，N為法向拉力設(shè)計(jì)值；αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù)；fy為錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為錨筋的總截面面積；t為錨板厚度；d為錨筋直徑。

2 《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（舊版本）相關(guān)規(guī)定

錨板的厚度應(yīng)大于錨筋直徑的0.6 倍；受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度尚應(yīng)大于b/12（b為錨筋間距），且錨板厚度應(yīng)不小于8mm。

3 《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》（16G362）標(biāo)準(zhǔn)圖集相關(guān)規(guī)定

軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值Nu計(jì)算公式：式（3）、式（4）中，Nu為軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值；K1為承載力折減系數(shù)；αb為錨板彎曲變形折減系數(shù)（當(dāng)bs/t≤8 時(shí)，取bs/t=8；當(dāng)采取措施防止錨板彎曲變形時(shí)，可取αb=1）；bs為錨板彎曲變形折減寬度[錨筋為雙排時(shí)，bs=b；錨筋為3 排時(shí)，bs=（1.2～1.5b）]。

一般情況下，宜控制bs≤16t（當(dāng)錨筋為2 排時(shí)，取bs≤12t），且應(yīng)使t≥0.6d。如受拉時(shí)錨板不產(chǎn)生彎曲變形，例如，連接上承式鋼牛腿時(shí)，則αb=1【1】。

4 標(biāo)準(zhǔn)圖集與混凝土規(guī)范的不同點(diǎn)

比較式（1）和式（3），標(biāo)準(zhǔn)圖集中增加了承載力折減系數(shù)K1，主要考慮抗震及疲勞因素。

式（2）和式（4）有差別，式（4）是對(duì)規(guī)范中的計(jì)算公式的修正，當(dāng)bs/t=8 時(shí)，式（4）即變?yōu)槭剑?），與規(guī)范一致。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）的規(guī)定，受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度宜大于b/8。考慮到混凝土規(guī)范中要求為宜而不是應(yīng)，以及《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定預(yù)埋件的錨板厚度應(yīng)大于b/12，通過(guò)總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)圖集為擴(kuò)大使用范圍，在設(shè)計(jì)中考慮了b/t大于8 的情況，及錨筋為3 排時(shí)的折減寬度bs，對(duì)錨板的彎曲變形折減系數(shù)αb進(jìn)行了修正（注：該修正是在對(duì)包頭鋼鐵設(shè)計(jì)院做的18 組50 個(gè)試驗(yàn)，分別取b/t=8～8.5 和b/t=12～15 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得出的）。

下面以圖集中的M1-101 為例，分別采用規(guī)范中的計(jì)算公式及圖集中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，比較兩者的差異。錨板尺寸為120mm×120mm，錨筋4 根φ10mm，b=60mm，當(dāng)錨板厚度分別為6mm 與8mm 時(shí)，其承載力如表1 所示。

表1 不同板厚及b/t 情況下彎曲變形折減系數(shù)及拉力值

從表1 可以看出，當(dāng)b/t＞8 時(shí)，可以采用圖集公式得到小于規(guī)范公式的承載力結(jié)果，符合規(guī)范對(duì)錨板厚度的建議。

5 預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)圖集的對(duì)比

為了說(shuō)明問題，現(xiàn)將華北電力設(shè)計(jì)院于1971 年3 月做的2 組受拉預(yù)埋件和2 組拉彎剪預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)、同濟(jì)大學(xué)1997 年12 月現(xiàn)場(chǎng)做的1 組幕墻預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及中國(guó)建筑科學(xué)研究院于2015 年5 月做的6 組預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)與按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》標(biāo)準(zhǔn)圖集計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 華北院試件

各試件試驗(yàn)結(jié)果與按圖集公式計(jì)算的比較見表2

表2 各試件試驗(yàn)結(jié)果與按圖集公式計(jì)算的比較

5.2 同濟(jì)大學(xué)試件

上海嘉里商務(wù)中心幕墻預(yù)埋件現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隨機(jī)抽取6 只埋件，錨板-250mm×200mm×10mm，錨筋4 根φ10mm 螺紋鋼，b/t=12，t/d=1.0，錨入長(zhǎng)度250mm，混凝土C30。施加荷載（N=49.44kN，V=5.914kN）時(shí)，錨板變形-0.05～0.18mm，施加1.5 倍荷載時(shí)，錨板變形0.04～0.46mm。

試驗(yàn)報(bào)告主要結(jié)論：

1）由于錨筋實(shí)際位置存在偏差，在使用荷載作用下錨板中心有負(fù)變形；

2）埋件在設(shè)計(jì)荷載和最大荷載作用下的位移幾乎是沒有的，埋件平面外的變形是由于錨板的彎曲變形，數(shù)量極少；

3）被抽檢的6 只幕墻埋件全部滿足在設(shè)計(jì)荷載和最大荷載作用下的強(qiáng)度要求【2】。

按照?qǐng)D集公式計(jì)算，其結(jié)果為Nu=45.8kN，Vu=5.5kN，均小于實(shí)際施加的最大拉力和剪力。

5.3 建研院試件

中國(guó)建筑科學(xué)研究院于2015 年共做了6 組（12 個(gè)）預(yù)埋件試驗(yàn)，預(yù)埋件試件參數(shù)及變形情況見表3。

表3 試驗(yàn)試件規(guī)格及試驗(yàn)結(jié)果一覽表

試驗(yàn)報(bào)告主要結(jié)論如下：

變形量測(cè)結(jié)果表明，在荷載加至拉力預(yù)估值時(shí)，各試件的錨板變形很小，所有試件的錨板及錨筋的測(cè)點(diǎn)布置均沒有屈服，在極限荷載作用下，大部分試件的錨板的測(cè)點(diǎn)布置處均沒有屈服，錨筋中部均未出現(xiàn)屈服，錨筋根部均屈服。

實(shí)驗(yàn)中采用有限元對(duì)M4 預(yù)埋件錨板變形進(jìn)行分析，分析得到的變形結(jié)果和實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖1。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，錨板四周的撬力在錨板邊緣很小的范圍內(nèi)分布，撬力約為錨板相同變形條件下承載力的26.6%。

圖1 錨板變形有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過(guò)以上6 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，按圖集計(jì)算公式得出的結(jié)果均小于實(shí)際施加的拉力。

綜合以上各組試驗(yàn)結(jié)果，按照標(biāo)準(zhǔn)圖集中的計(jì)算公式得出的承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較一致，錨板厚度取值較合理，預(yù)埋件是偏于安全的。

6 預(yù)埋件錨板厚度的構(gòu)造要求以及如何建立計(jì)算模型

在標(biāo)準(zhǔn)圖集的使用過(guò)程中，有的設(shè)計(jì)人員或者專家提出，在拉、彎、大偏心的外力作用下板厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足GB 50011—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的強(qiáng)度要求，錨板厚度t不符合混凝土規(guī)范中b/8 的構(gòu)造要求。

實(shí)際工程中受拉預(yù)埋件的受力性能與錨板的構(gòu)造有關(guān)。如錨板的剛度很大，錨板在拉力作用下不會(huì)發(fā)生彎曲變形，錨筋處于中心受拉狀態(tài)。如錨板的剛度較小，錨板則會(huì)發(fā)生彎曲變形，錨筋除受拉外，在錨筋根部尚會(huì)發(fā)生剪切變形，使錨筋承受因錨板彎曲變形引起的內(nèi)剪力，混凝土受到錨筋的局部擠壓。剪切變形的大小與錨板的彎曲程度有關(guān)，而且鋼筋在受拉端的應(yīng)力最大，離受拉端的距離越大，應(yīng)力越小。

預(yù)埋件錨板不是簡(jiǎn)支的受彎構(gòu)件，而是四邊為彈性支承的拉彎構(gòu)件。這種拉彎構(gòu)件的變形與內(nèi)力的關(guān)系比較復(fù)雜，為復(fù)合受力狀態(tài)。關(guān)于預(yù)埋件的受力破壞情況，我國(guó)各大設(shè)計(jì)院及院校過(guò)去都做過(guò)大量的試驗(yàn)，提出并總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，不同的行業(yè)都編制了適用于各自行業(yè)的預(yù)埋件圖集。《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件》標(biāo)準(zhǔn)圖集的編制工作是在滿足我國(guó)規(guī)范、參考外國(guó)規(guī)范以及總結(jié)各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成的。從幾十年的工程實(shí)踐看，還沒有因錨板厚度不夠而發(fā)生工程事故的情況。

通過(guò)大量的工程實(shí)例以及預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與研究，預(yù)埋件與混凝土黏結(jié)成一個(gè)整體，成為組合構(gòu)件，在拉彎作用下，作為一個(gè)獨(dú)立的受力鋼構(gòu)件，其受力比較復(fù)雜。到目前為止，關(guān)于錨板計(jì)算的相關(guān)討論比較少，一般情況下按構(gòu)造要求確定錨板厚度。

有建議采用簡(jiǎn)支梁模式計(jì)算，但筆者認(rèn)為不妥。可以將錨板簡(jiǎn)化看作四邊為彈性支承的彈性矩形板（簡(jiǎn)稱彈性板），在外拉力作用下彈性板中間部分受拉，錨筋以外部分受混凝土的擠壓。

下面以華北院試件二及圖集M1-104 為例，按彈性板對(duì)錨板的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。預(yù)埋件受力及計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2，預(yù)埋件尺寸見圖3，拉力板厚8mm。

電力安全工器具的管理需要資金和人員的投入的，對(duì)安全工器具管理資金投入很少的時(shí)候，就會(huì)使得安全工器具的存放環(huán)境得不到保障，安全工器具管理室、有干燥功能的存放柜等存放設(shè)施等配置不到位；要對(duì)電力安全工器具的功能、特性等十分的了解，這樣才會(huì)更好的管理安全工器具，但是在人員的配置上不是很合理，其知識(shí)、能力有限，往往難以滿足電力安全工器具管理的要求。

圖2 錨板受力及計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 預(yù)埋件詳圖

例題1，華北院試件二，錨板-200mm×200mm×10mm，b/t=12，錨筋4 根φ12mm 螺紋鋼，N=78kN；

例題2，圖集M1-104，錨板-150mm×120mm×10，b/t=6，錨筋4 根φ12mm HRB400 級(jí)鋼，Nu=87.76kN；

表4～6 列舉了華北院試件、建研院試件、《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》（第四版）[例題14-1]等例子按上述計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算取不同錨筋直徑及錨板厚度，計(jì)算方法分別按彈性板和構(gòu)造手冊(cè)算法（簡(jiǎn)支梁）進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)顯示，按四邊支承的彈性板計(jì)算得到的試件錨板應(yīng)力大于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，有的甚至達(dá)到2倍多，但遠(yuǎn)小于按簡(jiǎn)支梁計(jì)算的結(jié)果。

對(duì)比試件的試驗(yàn)情況，錨板僅出現(xiàn)了變形，并沒有破壞或拉斷。計(jì)算結(jié)果偏大的原因是由于還有一些因素沒有考慮進(jìn)去，如預(yù)埋件與混凝土的相互作用等。另外，錨板產(chǎn)生一定的變形并不影響其使用，因此，有資料建議，可按塑性階段計(jì)算，即錨板的截面抵抗矩可按At2/4 考慮，這樣的話，彈性板計(jì)算模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，更貼合工程實(shí)踐。

表4 華北院試件不同加載階段錨板應(yīng)力分別按簡(jiǎn)支梁和彈性板模式計(jì)算對(duì)比

表5 建研院試件按簡(jiǎn)支梁及彈性板計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表6 構(gòu)造手冊(cè)[例題14-1]不同板厚及錨筋按簡(jiǎn)支梁和彈性板計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以上2 種計(jì)算方法得到的結(jié)果差別較大，按彈性板模式（可考慮塑性）計(jì)算更接近試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)踐。當(dāng)錨板厚度大于錨筋直徑，且滿足大于b/12 的情況下，錨板的變形及應(yīng)力均很小。

如果按照彈性板模式計(jì)算的話，《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》（第四版）[例題14-1] 錨板厚由12mm 改為8mm，錨筋8 根φ8mm 改為8 根φ12mm，[例題14-7]和[例題14-9]錨板厚由16mm 改為10mm，[例題14-8]和[例題14-10]錨板厚不變，鋼材均為Q235B 級(jí)鋼，就可滿足強(qiáng)度要求【3，4】。

通過(guò)比較，《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》（第四版）關(guān)于受拉及受彎預(yù)埋件錨板應(yīng)力按簡(jiǎn)支梁計(jì)算有待商榷，其計(jì)算結(jié)果與預(yù)埋件試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐差別較大。

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果及《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》舊版本，建議受拉和受彎預(yù)埋件的錨板厚度不宜小于錨筋直徑的70%或b/12（b為雙排錨筋的間距）。