地腳螺栓在游樂設施柱腳抗剪校核中的應用*

周世軍，趙九峰，2

(1.河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000； 2.航空經濟發展河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046)

0 引 言

地腳螺栓在游樂設施領域應用廣泛，固定式游樂設施柱腳的固定都離不開地腳螺栓[1]。 地腳螺栓是埋設在基礎里面，用來固定具有振動和沖擊設備的零部件。 游樂設施運行過程中，柱腳承受著較大的重力載荷和震動載荷，在非工作工況下能夠承受極限風載荷和地震載荷[2]，柱腳一旦失效，設備不能正常運行，甚至會發生坍塌和傾覆，給乘客的生命安全造成危害。

國內對地腳螺栓做了大量的研究。 文獻[3]主要講述鋼結構柱地腳螺栓預埋過程中普遍存在的質量通病，并對預埋精度控制方法進行了研究；文獻[4]從設計和施工兩個角度進行分析，通過改進施工工藝和設計來保證鋼筋砼梁上地腳螺栓的施工質量；文獻[5]開展不同錨固長度、錨固型式地腳螺栓抗拔承載力試驗，并將試驗結果與理論結果進行了對比分析；文獻[6]分析了螺栓斷裂性質及斷裂失效原因，分別對法蘭螺栓受力狀態進行解析計算和數值分析。上述文獻雖然對地腳螺栓的安裝工藝、斷裂失效等進行了分析，但沒有涉及柱腳抗剪設計以及柱腳抗剪與地腳螺栓之間的關系，因而在柱腳抗剪設計計算方面存在不足。

地腳螺栓是保障游樂設施運行安全的關鍵部件，在游樂設施的設計文件鑒定中，柱腳抗剪校核計算是一個重要計算環節[7]。 一些工程師把柱腳抗剪與地腳螺栓抗剪混為一談，在設計計算中概念模糊。 針對以上問題，筆者介紹了游樂設施常用地腳螺栓在柱腳抗剪校核中的作用，給出了柱腳抗剪校核的計算方法，為游樂設施設計計算提供了參考。

1 地腳螺栓介紹

1.1 地腳螺栓的作用

地腳螺栓預埋在混凝土中，在外形上和普通螺栓的主要差別是長度較長，在長度上分為兩部分:埋入混凝土部分和露出地面部分[3]。 露出地面部分的長度要滿足安裝需求，螺母擰緊后露出2 到5 扣；而埋入混凝土部分的長度需滿足基礎承載力的要求，當不能確定承載力的大小時，埋入長度一般設置為直徑的25 倍[4]。

地腳螺栓的表面不做任何防腐處理，因為預埋在地下大部分不接觸空氣。 圖1 為游樂設施海盜船的地腳螺栓安裝示意圖。

游樂設施運行過程中的各種載荷、設備自重以及風載荷和地震載荷通過設備的鋼結構傳遞到柱腳，再由柱腳傳遞給基礎[8]。 地腳螺栓作為連接上部結構和混凝土基礎的連接件，主要起到兩個方面的作用:①設備安裝時，用于柱腳定位和安裝；②設備運行時，固定底板傳遞載荷，各種載荷通過底板傳遞到基礎上[9]。

1.2 型式與等級

為了保證地腳螺栓固定在基礎上，除了深埋措施外，地腳螺栓的尾部做成彎鉤狀，不僅增大了與混凝土基礎的摩擦力，同時地腳螺栓能夠通過彎鉤直接和地籠連接，保證地腳螺栓不會出現拔出破壞[5]。

根據地腳螺栓尾部彎鉤的型式分為A 型、B 型和C 型[10]，地腳螺栓的型式如圖2 所示。

圖2 地腳螺栓的型式

游樂設施用地腳螺栓參考標準GB/T 799-2020《地腳螺栓》，采用未經冷加工的Q235B 材質，產品性能等級由3.6 級改為4.6 和5.6，與之匹配的螺母性能等級為5.0、6.0[10]；按照硬度指標評價性能等級，與地腳螺栓配合的平墊圈的性能等級為100 HV[11]。

地腳螺栓與螺母、平墊圈的性能等級配合表如表1 所列。

表1 地腳螺栓與螺母、平墊圈的性能等級配合表[11]

標記示例:螺紋規格M24、公稱長度400 mm、性能等級為4.6 級、型式為A 型、不經表面處理的地腳螺栓的標記:地腳螺栓GB/T 799 M24×400-A[9]。

2 柱腳抗剪校核計算

地腳螺栓主要承受兩種類型的載荷:拉力和剪力，游樂設施通常自重較大，地腳螺栓承受拉力較小或不承受拉力，拉力校核一般均能滿足設計要求[6]。而設備的水平載荷由設備傳給柱腳再傳給基礎，故柱腳處通常有很大的水平剪力，而我國的設計規范規定地腳螺栓不能承受水平剪力。

GB 8408-2018《游樂設施安全規范》7.8.10 節:地腳螺栓不宜用于承受底部的水平剪力，此剪力由底板與混凝土基礎間的摩擦力或設置抗剪結構承受[12]。 《鋼結構設計標準》對地腳螺栓明確規定:柱腳地腳螺栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力，水平剪力可由底板與混凝土基礎間的摩擦力或設置抗剪鍵承受[13]。

在游樂設施自重和地腳螺栓預緊力的作用下，柱腳對混凝土基礎產生正壓力。 柱腳底板與基礎產生摩擦力來抵抗柱腳水平剪力，《鋼結構設計標準》11.4.2 節規定，在地腳螺栓連接中，底板與混凝土基礎間的最大靜摩擦力為[13]:

式中:μ為摩擦面的抗滑移系數，鋼板與混凝土之間取0.4；N為柱腳的總壓力，kN。

柱腳基礎的抗剪條件為[13]:

式中:Nv為設備柱腳的水平剪力，kN。

游樂設施的設計計算時，需考慮各種工況，如滿載運行、偏載運行、風載荷和地震載荷[14]，提取各種工況下游樂設施柱腳部位的水平載荷，通過對比取最大值，用最大值對柱腳基礎進行抗剪校核計算。 當水平剪力小于等于最大靜摩擦力時，柱腳基礎滿足抗剪條件；當水平剪力大于最大靜摩擦力時，柱腳基礎不滿足抗剪條件，此時應設置抗剪鍵。

按照規定，對于承受較大水平剪力的設備，柱腳須設置抗剪鍵。 抗剪鍵焊接在柱腳底板上，一般采用鋼板或型鋼，常用的抗剪鍵有兩種型式:鋼板和角鋼[15]。 如圖3 所示。

圖3 抗剪鍵的型式

抗剪鍵承擔的是減去摩擦力之后的柱腳水平剪力部分，抗剪鍵的剛度較大，為了簡化計算，假定抗剪鍵全部承載柱腳的水平剪力。

由于設備的自重很大且存在預緊力，底板的最大靜摩擦力通常也很大，游樂設施的設計和安裝過程中很少設置抗剪鍵，也沒有因此發生過事故。 另外設置抗剪鍵會給施工帶來諸多不便，多數情況下無需另外設置抗剪鍵等抗剪結構。

3 地腳螺栓預緊與防松

3.1 地腳螺栓預緊力

為了防止運行工況下游樂設施柱腳底板出現縫隙或相對滑移，同時保證連接的可靠性和緊密性，地腳螺栓在設備安裝過程中必須擰緊，這個預先擰緊的力是預緊力。 因此，游樂設施的設計時，必須對預緊力的大小進行規范設計。

游樂設施地腳螺栓擰緊后的預緊應力不得大于其材料的屈服極限σs的80%[16]。 地腳螺栓最大允許預緊力為:

式中:σs為摩螺栓材料的屈服極限，MPa；A螺栓公稱應力截面積，mm2。

游樂設施地腳螺栓的預緊力按照4.6 級或5.6 級普通螺栓要求進行預緊即可，過大則擠掉地腳螺栓的強度余量，在工作載荷作用下，螺栓容易拉斷；過小則不能產生足夠的摩擦力，柱腳底板出現晃動甚至滑移。 為了便于游樂設施的設計和安裝，地腳螺栓預緊力推薦表如表2 所列[17]。

表2 地腳螺栓預緊力推薦表/kN

地腳螺栓的預緊力過大，波動載荷頻率較高會引起螺栓失效。 表2 中預緊力矩為最大值，實際工作時，建議預緊力按照表中數據的80%施加。

3.2 地腳螺栓防松

游樂設施地腳螺栓在設備運行時震動較大，彈簧墊圈容易發生脆斷，防松效果差[14]。 因此地腳螺栓多采用雙螺母防松加平墊圈的結構型式，如圖4 所示。

圖4 地腳螺栓雙螺母防松

游樂設施地腳螺栓的兩個螺帽是一厚一薄，厚螺母在上，作為主受力用，薄螺母在下，作為防松用。 通常情況下，游樂設施基礎地腳螺栓數量較多，為了設計施工方便，建議采用相同規格的兩個厚螺母。

4 結 語

按照我國的標準規范，地腳螺栓不宜承受水平剪力，實際設計中水平剪力不是由地腳螺栓承載的，而是由底板與基礎的摩擦力承載。 文中重點闡述了游樂設施常用地腳螺栓的結構型式、性能等級和防松措施，通過對比我國現行的規范和設計方法，給出了游樂設施柱腳的抗剪校核計算公式和抗剪校核條件，分析了地腳螺栓在柱腳抗剪校核中的作用，并給出了地腳螺栓預緊力的推薦值。 研究結果為游樂設施柱腳抗剪校核計算提供了參考，對游樂設施的設計、安裝、維護和檢驗具有一定的指導意義。