中美規(guī)范混凝土預(yù)埋件設(shè)計對比分析

王 蔚，張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

中美規(guī)范混凝土預(yù)埋件設(shè)計對比分析

王 蔚，張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文基于越南某港口工程設(shè)計實例，采用《美國房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》ACI318-14對皮帶機頭架預(yù)埋件進行計算分析，總結(jié)了按ACI318-14進行預(yù)埋件設(shè)計的要點，并與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010預(yù)埋件計算結(jié)果進行對比，為設(shè)計人員采用美標(biāo)從事涉外項目設(shè)計提供借鑒。

預(yù)埋件；錨筋；強度；破壞模式

引 言

港口工程中大量采用皮帶機棧橋進行煤炭、礦石等物料輸送，通常工藝專業(yè)將皮帶機的頭尾架設(shè)置在轉(zhuǎn)運站樓面上，通過預(yù)埋件將頭尾架荷載傳遞給轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)體系。皮帶機頭尾架預(yù)埋件往往承受較大的上拔力和水平力，生產(chǎn)過程中一旦此類預(yù)埋件發(fā)生破壞，將會使生產(chǎn)中斷，造成重大經(jīng)濟損失，甚至可能造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。鑒于預(yù)埋件對于建筑結(jié)構(gòu)及工業(yè)生產(chǎn)的重要性，中美規(guī)范都對預(yù)埋件設(shè)計方法作出了詳細(xì)的規(guī)定，但兩國規(guī)范在設(shè)計理論和計算方法上存在較大的差異。本文通過越南某項目碼頭轉(zhuǎn)運站皮帶機頭架預(yù)埋件設(shè)計的工程實例，總結(jié)了ACI318-14《美國房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》（下文簡稱為“美國規(guī)范”）預(yù)埋件設(shè)計方法，并與GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（下文簡稱為“中國規(guī)范”）預(yù)埋件計算結(jié)果進行對比分析，以揭示中美規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計方法的差異，供設(shè)計人員參考。

1 中國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計方法

中國規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的受力情況給出錨筋最小總截面面積的計算公式，由錨板和對稱配置的直錨筋所組成的受力預(yù)埋件，其錨筋的總截面面積As計算公式如下：

當(dāng)有剪力、法向拉力和彎矩共同作用時，應(yīng)按下列兩個公式計算，并取其中的較大值：

當(dāng)有剪力、法向壓力和彎矩共同作用時，應(yīng)按下列兩個公式計算，并取其中的較大值：

上述計算公式中的符號意義及相關(guān)取值規(guī)定詳見中國規(guī)范第9.7.2條，本文不再贅述。

2 美國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計方法

美國規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的受力狀態(tài)，分別給出受拉力作用、受剪力作用和受拉力、剪力共同作用的預(yù)埋件設(shè)計方法。規(guī)范涉及的錨栓（筋）形式有栓釘、帶端錨頭錨栓（筋）、L型錨栓（筋）、膨脹型錨栓和粘結(jié)型錨栓等，本文僅討論皮帶機頭尾架預(yù)埋件設(shè)計中常用的L型錨筋。

2.1 受拉力作用預(yù)埋件計算

受拉力作用時，預(yù)埋件的抗拉承載力取以下4項計算指標(biāo)的最小值：受拉錨筋的鋼材強度、混凝土抗崩裂強度、錨筋的抗拔出強度及混凝土抗側(cè)面爆裂強度，分別對應(yīng)受拉力作用時預(yù)埋件的4種潛在破壞模式（圖1）。

圖1 受拉力作用預(yù)埋件破壞模式

2.1.1 受拉錨筋的鋼材強度

預(yù)埋件中群錨的鋼材抗拉強度：

式（5）中：Ase，N為單個錨筋的有效截面面積；futa為錨筋鋼材的抗拉強度，且不大于 1.9fya和862 MPa中的較小值；n為群錨中受拉錨筋數(shù)量。

2.1.2 受拉錨筋的混凝土抗崩裂強度

預(yù)埋件中群錨的抗崩裂強度：

式（6）中：ANco為到構(gòu)件邊緣的距離大于或等于1.5hef的單個錨筋的混凝土投影破壞面積；假定錨筋受拉崩裂破壞錐體的傾斜角為35°，ANc為一組群錨的混凝土投影破壞面積（圖2）；Nb為單個錨筋受拉時混凝土基本抗崩裂強度；ψec，N為受偏心拉力的群錨調(diào)節(jié)系數(shù)；ψed，N為反映錨筋的邊緣效應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)；當(dāng)混凝土在使用荷載作用下將開裂時，調(diào)節(jié)系數(shù)ψc，N、ψcp，N可取為1.0。

圖2 ANco、ANc的計算

2.1.3 受拉錨筋的抗拔出強度

預(yù)埋件中群錨的抗拔出強度為：

式（7）中：Np為單個L型錨筋的抗拔出強度；當(dāng)構(gòu)件在使用荷載下不開裂時，ψcp取 1.4，在使用荷載下開裂時，ψcp應(yīng)取1.0。

2.1.4 受拉錨筋的混凝土抗側(cè)面爆裂強度

美國規(guī)范僅對帶端錨頭錨栓，規(guī)定當(dāng)錨栓距混凝土邊緣距離ca1＜0.4hef時，應(yīng)計算混凝土抗側(cè)面爆裂強度。對于L型錨筋，因混凝土側(cè)面爆裂強度通常不起控制作用因而不需驗算此項。

2.2 受剪力作用預(yù)埋件計算

受剪力作用時，預(yù)埋件的抗剪承載力取以下3項計算指標(biāo)的最小值：受剪錨筋的鋼材強度、受剪錨筋的混凝土抗崩裂強度和混凝土抗剪撬強度，分別對應(yīng)受剪力作用時預(yù)埋件的3種潛在破壞模式（圖3）。

圖3 受剪力作用預(yù)埋件破壞模式

2.2.1 受剪錨筋的鋼材強度

預(yù)埋件中群錨的鋼材抗剪強度：

式（8）中：Ase，V是受剪錨筋的有效截面面積。

2.2.2 受剪錨筋的混凝土抗崩裂強度

對于垂直于構(gòu)件邊緣作用在一組群錨上的剪力，群錨受剪時的混凝土抗崩裂強度為：

式（9）中：AVco為到構(gòu)件邊緣的距離大于或等于1.5hef的單個錨筋的混凝土投影破壞面積；假定錨筋受剪崩裂破壞錐體的傾斜角為35°，AVc為一組群錨在混凝土構(gòu)件邊緣處破壞面的投影面積，基于半椎體的投影來計算（圖4）。單個錨筋受剪時混凝土的基本抗崩裂強度Vb、受剪力偏心作用的群錨的調(diào)節(jié)系數(shù)ψec，V、群錨考慮邊緣效應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)ψed，V等可按規(guī)范相關(guān)規(guī)定計算。對于平行于構(gòu)件邊緣作用于預(yù)埋件的剪力，Vcbg取式（9）確定的混凝土抗崩裂強度的2倍。

圖4 AVco、 AVc的計算

2.2.3 受剪錨筋的混凝土抗剪撬強度

受剪錨筋的混凝土抗剪撬強度為：

預(yù)埋件受剪力作用時，混凝土抗剪橇強度即抗沖切強度的計算建立在混凝土抗拉強度的基礎(chǔ)上，式（10）中：kcp是考慮錨筋有效埋深的修正系數(shù)。

2.3 受拉力、剪力共同作用預(yù)埋件計算

預(yù)埋件在同時受拉力和剪力作用時，不僅需要分別驗算抗拉承載力和抗剪承載力，還要考慮兩者的相關(guān)性，按（11）式的拉力-剪力相關(guān)方程進行驗算。若起控制作用的受剪強度Vua/ΦVn≤0.2，則應(yīng)允許取用全部受拉強度：ΦNn≥Nua；若起控制作用的受拉強度Nua/ΦNn≤0.2，則應(yīng)允許取用全部受剪強度：ΦVn≥Vua；若起控制作用的受剪強度Vua/ΦVn＞0.2且起控制作用的受拉強度Nua/ΦNn＞0.2，則應(yīng)符合下式要求：

3 中美規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計對比

中國規(guī)范與美國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計方法存在較大的差異，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

3.1 設(shè)計原理

中國規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的荷載條件，按公式（1）～（4）計算所需錨筋最小總截面面積，據(jù)此確定錨筋的直徑和數(shù)量，同時滿足規(guī)范在錨筋間距、錨固深度、錨板厚度等方面的構(gòu)造規(guī)定，整個設(shè)計過程簡單明了。中國規(guī)范預(yù)埋件計算公式通過相關(guān)系數(shù)考慮了錨筋分布、錨板彎曲變形、混凝土強度等級等對預(yù)埋件承載力的影響，但未能反映錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及荷載的傳遞機理，也未進行預(yù)埋件的破壞模式分析，是基于試驗基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗半理論公式。

美國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計建立在對錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及潛在破壞模式分析基礎(chǔ)上，已得到試驗的驗證并結(jié)合試驗資料對相關(guān)強度計算公式予以修正，使預(yù)埋件設(shè)計更加合理。對于特定的預(yù)埋件，通過計算其各種破壞模式對應(yīng)的臨界強度，可確定其抗拉承載力和抗剪承載力。當(dāng)拉剪荷載共同作用時可基于兩種受力模式的相關(guān)性進行承載力驗算，整個設(shè)計過程理論充分、概念清晰。

3.2 構(gòu)造規(guī)定

中國規(guī)范對預(yù)埋件錨筋間距、錨固長度、錨筋直徑及錨板厚度等都作出了較為詳細(xì)的規(guī)定，而美國規(guī)范的預(yù)埋件設(shè)計以強度計算為主，構(gòu)造規(guī)定相對較少。如中國規(guī)范明確規(guī)定受拉直錨筋錨固長度不應(yīng)小于該規(guī)范第8.3.1條規(guī)定的受拉鋼筋錨固長度，而美國規(guī)范僅對膨脹型或擴孔型后置錨栓的埋置深度作出明確規(guī)定，對預(yù)埋錨筋則未作規(guī)定。對于受剪預(yù)埋件，中國規(guī)范規(guī)定預(yù)埋件錨筋至構(gòu)件邊緣的距離不應(yīng)小于6d和70mm，美國規(guī)范錨筋與混凝土邊緣的距離對于不受扭矩作用預(yù)埋件為不小于鋼筋保護層厚度，一般為20～75mm，小于中國規(guī)范的規(guī)定，因為美國規(guī)范混凝土抗崩裂計算中已考慮錨筋與混凝土邊緣距離的影響。

3.3 抗震措施

美國規(guī)范對于抗震設(shè)防類別為C、D、E、F類建筑規(guī)定應(yīng)考慮地震荷載對預(yù)埋件的影響，對于受拉力預(yù)埋件，當(dāng)錨筋因地震作用產(chǎn)生的拉力超過其總拉力的20 %時，除錨筋鋼材強度外，錨筋的混凝土抗崩裂強度、錨筋抗拔出強度、混凝土抗側(cè)面爆裂強度均應(yīng)乘以地震折減系數(shù)0.75；對于受剪預(yù)埋件，當(dāng)錨筋因地震作用產(chǎn)生的剪力超過其總剪力的20 %時，應(yīng)采取加大錨板厚度等措施使之能有效傳遞錨筋剪力。中國規(guī)范用于計算錨筋最小截面面積的荷載效應(yīng)中雖未包含地震作用，但規(guī)范對于考慮地震作用的預(yù)埋件提出構(gòu)造加強措施，如將錨筋截面面積在計算基礎(chǔ)上增大25 %、適當(dāng)增大錨板厚度、將錨筋的錨固長度增加10 %及在靠近錨板處設(shè)置封閉箍筋等。

4 工程實例計算分析

越南某項目轉(zhuǎn)運站為3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，長30 m，寬27 m，高22.3 m，建筑面積2 430 m2。按照工藝布置要求，轉(zhuǎn)運站樓面共布置有8條皮帶機的頭架或尾架設(shè)備。以下對其中兩塊受荷較大的頭架預(yù)埋件按美國規(guī)范和中國規(guī)范分別進行計算，并對兩者計算結(jié)果進行對比分析。預(yù)埋件M-1平面布置如圖5所示，預(yù)埋件M-1按美國規(guī)范設(shè)計大樣見圖6。

圖5 預(yù)埋件M-1布置

圖6 預(yù)埋件M-1詳

4.1 實例計算

預(yù)埋件錨筋采用ASTM A615 Grade 40級鋼筋，其最小抗拉強度為420 MPa，混凝土強度按美國規(guī)范取值為35 MPa，鑒于兩國規(guī)范混凝土與鋼筋強度取值方法及保證率不同，按中國規(guī)范計算時已對材料進行強度換算。轉(zhuǎn)運站抗震設(shè)防類別為B類，預(yù)埋件計算時不考慮地震作用。頭架預(yù)埋件按美國規(guī)范計算結(jié)果見表 1，按中國規(guī)范計算結(jié)果見表 2，表中荷載系數(shù)、強度折減系數(shù)等分別按相應(yīng)規(guī)范取值。

表1 美國規(guī)范預(yù)埋件計算

表2 中國規(guī)范預(yù)埋件計算

對于受拉力和剪力共同作用的預(yù)埋件，美國規(guī)范以簡化的三折線相關(guān)曲線反映拉力與剪力的相關(guān)性，預(yù)埋件M-1的Nn～Vn相關(guān)曲線見圖7。按中國規(guī)范設(shè)計的M-1的N～V曲線見圖8（根據(jù)皮帶機頭架支腿受力特點，僅考慮預(yù)埋件外側(cè)兩排錨筋承受拉力作用），可通過曲線與N、V所確定的坐標(biāo)點的位置關(guān)系來判斷承載力是否滿足要求。

圖7 M-1的Nn～Vn曲線

圖8 M-1的N～V曲線

4.2 計算結(jié)果分析

由表1可知，按美國規(guī)范計算預(yù)埋件錨筋的混凝土抗崩裂強度較小，這是緣于美國規(guī)范的預(yù)埋件設(shè)計是基于素混凝土條件。本實例預(yù)埋件均設(shè)置在鋼筋混凝土梁上，所受剪力平行于梁邊，由于梁寬一般較小，導(dǎo)致預(yù)埋件錨筋的邊緣效應(yīng)十分顯著，其混凝土破裂面投影面積較小，因而按素混凝土假定計算的混凝土抗崩裂強度較小。美國規(guī)范第 17.3.2.1條規(guī)定：當(dāng)按規(guī)范相關(guān)要求配置附加鋼筋有效約束混凝土崩裂破壞面時無需計算混凝土抗崩裂強度。鋼筋混凝土梁均配置有縱向鋼筋和箍筋并形成鋼筋骨架，對混凝土崩裂面形成有效約束，因此本實例可不考慮混凝土抗崩裂強度。

按美國規(guī)范計算的兩個預(yù)埋件均以錨筋的抗拔出強度作為抗拉承載力，以受剪錨筋的混凝土抗剪撬強度作為抗剪承載力；中國規(guī)范錨筋截面面積計算公式雖然考慮了混凝土強度等級、錨板變形等因素，但總體上以錨筋強度設(shè)計值為主要控制指標(biāo)。對比圖7和圖8可知，按中國規(guī)范計算的抗拉和抗剪承載力分別是美國規(guī)范相應(yīng)計算值的1.25和1.42倍，但這并不說明前者預(yù)埋件設(shè)計安全度高于后者，由于中國規(guī)范未全面驗算與混凝土潛在破壞模式相應(yīng)的各項強度，僅以錨筋的鋼材抗拉或抗剪強度來衡量預(yù)埋件設(shè)計的安全度是不全面的。

5 結(jié) 語

本文對美國規(guī)范與中國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計進行分析比較，得出主要結(jié)論如下：

1）美國規(guī)范根據(jù)錨筋與混凝土之間的荷載傳遞機理及潛在破壞模式進行各項強度計算以確定預(yù)埋件承載力，當(dāng)拉剪荷載共同作用時通過拉力-剪力相關(guān)方程進行承載力驗算；中國規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計計算與構(gòu)造并重，未反映錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及荷載的傳遞機理，是一種半理論半經(jīng)驗設(shè)計方法。

2）美國規(guī)范預(yù)埋件計算包含地震作用參與的荷載組合，中國規(guī)范預(yù)埋件計算未考慮地震作用，僅從構(gòu)造措施上予以加強。

3）不管依據(jù)中國規(guī)范還是美國規(guī)范，均建議在錨筋配置滿足計算要求的基礎(chǔ)上加強構(gòu)造措施，如加大錨筋距混凝土邊緣距離、設(shè)置抗剪角鋼、配置附加鋼筋等，以提高預(yù)埋件設(shè)計的安全度。

［1］GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］ACI318-14 Building Code Requirements for Structural Concrete［S］.ACI Committee 318，2014.

Comparative Analysis of Designs of Concrete Embedded Parts Based on
Chinese and American Standards

Wang Wei，Zhang Guangjie
（CCCC Second Harbor Consultants Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

Based on one port engineering instance in Vietnam，the embedded parts of belt conveyor headstock have been calculated and analyzed according to Building Code Requirements for Structural Concrete （ACI 318-14），key points have been summarized for the design of embedded parts as per ACI318-14.The above analysis results are compared with Code for Design of Concrete Structures （GB50010-2010），which will provide a reference for the design of overseas projects by using American standards.

embedded part； anchored bar； intensity； destructive pattern

TU37

A

1004-9592（2016）05-0046-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160512

2016-05-18

王蔚（1961-），男，高級工程師，主要從事港口工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計管理工作。