机械锚栓系统在设备基础安装上的应用

严 勇

（湖北省电力勘测设计院，武汉 430040）

近年来我国的经济迅速发展，大型工业机械设备越来越频繁地应用于工程实践中，这些设备的单机重量大，台数越来越多，设备基础所承担的荷载无论是动载还是静载都比以前有较大的提高，因此设备基础的快速准确安装至关重要。机械设备整个安装项目较多，同时安装精度较高、过程繁杂，只有认真的工作态度和严格规范的操作才能获得优良的安装质量，这就要求各个安装环节中的施工人员、管理人员都要有端正的态度，专业技术扎实。

设备基础设计是服务于各种各样工业与民用设备的附属设计，小型设备可直接以地面或楼面做基础，大型设备及精密设备的基础必须独立做成框架式、墙式或大块式。设备基础已成为工业建筑的关键组成部分，设备基础的安装精度与准确定位将直接影响后序设备安装和使用效果、产品质量，特别是对于振动的大型机械与对振动限位要求较高的机械安装，严重时还会对相应工作人员的生命财产安全构成一定的威胁。因此，设备基础精确安装才能保证后续安装工序正常有序地进行。常见的设备基础的安装方法有地脚螺栓预留孔二次灌浆法、二次预埋精调垫铁法、预埋地脚螺栓法、无垫铁安装法、机械锚栓法等方法。

1 机械锚栓的定义、分类、用途

1.1 定义

锚栓是锚固在某基材内，不仅可以与基材共同受力，同时也是起到连接作用的机械零件。机械锚栓是指靠膨胀挤压、摩擦、机械咬合、键锁等锚固机械原理设计的锚栓。

1.2 分类

根据材质不同可以分为金属锚栓与非金属锚栓。一般混凝土、石材采用的是金属锚栓，而砌块常采用非金属材料的锚栓。可按锚固原理与控制方式进行划分，其中按扭矩控制的锚栓有膨胀型、预扩孔型、自扩孔型，按位移控制的锚栓同样有膨胀型、预扩孔型、自扩孔型这三种形式。

1.3 用途

由于它能在混凝土凝固达到一定强度发挥其后锚固作用并为工程上准确安装的锚件带来诸多好处，进而逐渐取代了预埋件。在核电站、桥梁支座安装、厂房建筑的结构及设备安装等方面，获得了显著的效益，在大型的机械设备中得到广泛的应用。

2 机械锚栓锚固机理及与预埋地脚螺栓的比较

2.1 锚固机理

一般的设备基础采用混凝土结构，常用膨胀型、扩孔型锚栓，所以下文将主要针对这类型锚栓的锚固机理进行介绍。膨胀锚栓通过预紧膨胀件对孔壁膨胀形成垂直于孔壁挤压力及平行于孔壁的摩擦力。挤压力与摩擦力的合力将在混凝土孔壁形成反作用力，当锚栓所承担的拉力逐渐增大时其作用半径也不断扩大并逐渐向上伸展，当超过混凝土抗拉强度时混凝土就将形成裂缝开裂，迅速发展并产生倒锥体状的失效破坏模式。根据锚栓抗拉、抗剪实验发现主要有混凝土劈裂与锥体破坏、锚栓自身强度不足引起的破坏、锚栓整体锚固长度不够被拔出失效破坏、部分零件穿出失效等破坏形式，在实际的工作中应避免锚栓自身被拉坏与剪切破坏。7

在实际的工程结构中，若锚栓承受一定频率的动荷载，易在锚栓、锚栓与混凝土结合部位发生疲劳破坏，若锚栓同时受剪力作用时其疲劳强度将进一步降低，疲劳寿命也将随之降低。此时锚栓的承载能力不能按照承受静载来考虑，大量工程试验经验表明，起主导作用的是疲劳破坏，因此锚栓疲劳在工程中受重复的荷载作用时必须加以考虑，方能保证设备机械正常运营使用。

2.2 机械锚栓与预埋地脚螺栓的比较

机械锚栓依靠混凝土钻孔后的非粘结机械作用、机械摩擦、膨胀挤压、咬合，对施工安装精度有严格要求。其破坏模式主要是混凝土破坏与锚栓自身拔出、零件穿出及锚栓剪断、拉断。

地脚螺栓受力主要依靠与混凝土的粘结作用与咬合力、摩擦阻力，粘结作用的强弱直接影响地脚螺栓的锚固性能的发挥。其主要的破坏模式为强度不足引起的破坏、刚度不足引起的破坏、混凝土被劈裂。地脚螺栓的种类较多，其锚固机理与钢筋在基础中的锚固类似，常做成一定角度的弯钩以提高锚固的效果，施工过程中必须固定好预埋螺栓的位置，避免施工过程中被扰动、移位、变形。预埋地脚螺栓规格多、数量大且安装精度高，可将地脚螺栓划分为固定与活动地脚螺栓、胀锚与粘结地脚螺栓四大类。其中固定地脚螺栓主要用于有很大振动和冲击的设备基础安装中，而活动地脚螺栓则用于有强烈冲击与振动的基础安装中，同时活动地脚螺栓拆卸方便，主要是由于承受较大的重复荷载作用，易产生疲劳破坏。对于胀锚地脚螺栓用于锚固承受静载的简单设备的基础安装中。

3 机械锚栓与地脚螺栓

3.1 机械锚栓

机械锚栓由螺栓、环形张口、垫片、螺母、推力套管五大部分组成，其造价较预埋地脚螺栓高，但是机械锚栓具有较高的负荷能力，安全性也比较高。应用范围比地脚螺栓的广，可用于各种混凝土强度的设备基础的锚固，并且可适用各种设备基础的锚固，同时还具有耐高温、耐磨、抗腐蚀、抗拉拔力大、抗震动等优点。套管上有明显的锚深标志，检测起来更加方便，可提高安装精度与安装效率，缩短安装的工期。由于锚栓锚固机理、使用条件、产品设计制造安装要求的不同，影响锚固性能的因素比传统钢筋预埋件锚固性能要复杂得多。

对于化学锚栓耐高温性弱、不可焊接，耐老化性、抗冻融性目前大都是依赖于实验获得数据，实际的工程数据较少，且不适用于承受动荷载的情况，甚至有时禁止使用，而机械锚栓具有耐高温、可焊接的性能好，使得机械螺栓比化学螺栓具有更为广阔的应用前景。随着科学技术与工业水平的发展，机械设备承受动荷载与荷载均较以前大，即使是静载也比以前大，机械设备基础的锚固区易出现疲劳破坏，机械螺栓的应用范围较化学螺栓与预埋地脚螺栓要大，机械锚栓也可以根据实际情况来定制所需的类型。机械锚栓施工精度较高且为干施工，施工完成后设备即可投运，施工周期较预埋地脚螺栓短，从而缩短设备成本等费用的回收与盈利时间。

3.2 预埋地脚螺栓施工工艺

目前，预埋地脚螺栓逐渐被应用在了各种建筑基础设备中，其中包括了混凝土设备基础、钢结构独立混凝土基础等，这种一般是通过预埋地脚螺栓的安装设备或链接钢结构厂房为主体的，根据钢结构的施工要求，必须要把握好预埋地脚螺栓施工的精度控制。然而长期以来，这种控制一直困扰着工程技术人员，是不能解决的一大难题，在工程施工过程中，很难达到国家规定这种技术的偏差要求与规范。

预埋地脚螺栓锚固方案的基本流程：将根据设计图纸所制作的地脚螺栓验收并组织进场与定位模板制作→调整安装定位模板→利用定位测距仪、经纬仪，测量定位出所需安装的地脚螺栓的实际具体位置→支设具有足够刚度与稳定性的固定支架→按照设计方案的要求，安放预埋地脚螺栓→临时固定→利用经纬仪与水平仪认真复核地脚螺栓位置，满足设计要求后再进行地脚螺栓的永久性固定→设备基础的混凝土浇筑→定位模板拆除→设备基础锚固的验收交接。

在混凝土浇注前螺栓丝扣要用胶布缠好保护螺纹，混凝土浇注时需要监理人员看护，落灰口不准对准螺栓，在整个基础混凝土的浇筑过程中振动器不能碰到螺栓，以免影响预埋螺栓的水平位置与高程。浇注过程中必须控制好标高，将其误差控制在许可的范围内，等混凝土浇筑完成后需要对预埋地脚螺栓两侧的混凝土抹平，这样才能便于设备安装后期的灌浆施工以达到机械设备的基础安装锚固的要求。

采用该方案施工的主要优点是操作便捷，节约工期，具有可调节性与可拆卸性强，其缺点是对于偏差尺寸较大的地脚螺栓，对其偏差调整十分的困难，只有在施工精度要求较高时，才可以达到所需安装精度的要求。若采用地脚螺栓预留孔二次灌浆法进行安装时则预留孔的大小、灌浆质量都将严重影响地脚螺栓与设备基础的连接强度，同时灌浆是后期灌入的，新旧混凝土能否很好地结合在一起工作至关重要，在反复的荷载作用下易产生疲劳破坏与松动，进而影响设备的正常使用与安全。二次灌浆层混凝土凝固后，待混凝土达到一定强度后再把地脚螺栓拧紧，另一种为混凝土后期强度承压法。

3.3 预埋地脚螺栓安装施工的质量控制

螺栓预埋安装后，采用预先制作的螺栓安装模板对地脚螺栓的螺栓间距进行复核，对存在偏差的进行相应地调整。在设备基础安装过程中应做到边安装边根据设计位置尺寸校核安装位置，对于出现的误差做到及时的调整。在螺栓安装的过程中必须做到每个螺栓与螺母的配套使用以免出现乱扣等问题。控制好预埋螺栓标高，用水平仪测量安装的基准标高，在设备基础安装后再进行复核。控制好地脚螺栓的垂直度，应采用经纬仪校核垂直度，将其垂直度偏差控制在0.1%以内。在整个设备基础的安装过程中必须要做好设备基础的安装监理工作，这是设备基础安装满足要求的一种重要环节。

一些机械设备对某几项施工控制的精度值非常敏感。因此在施工安装过程中必须严格控制相关的项目，以满足后期机械设备的生产实际需求及生产人员的舒适度需求，因此必须控制好预埋地脚螺栓的标高、垂直度、机械设备基础的中心及机械设备的水平度等。

近年来有些项目中存在一定的进口设备如电力项目等，设备到货后才能预埋螺栓，这样将导致螺栓预埋的时间较长。同时，预埋螺栓后灌浆也容易对设备造成一定污染，设备运营需等灌浆达到一定强度，不然容易造成浆体开裂而达不到锚固设备的作用。

3.4 地脚螺栓的偏差处理方法

建筑施工过程中的精度要求远低于设备基础安装的精度，因此地脚螺栓常常出现平面布置偏差和标高偏差。平面位置偏差的处理方法主要是调整孔法、烘烤煨弯法、过度框架法、换埋法、钻孔更换法。地脚螺栓标高偏差的处理方法常常采用垫片法、接长法、套丝接长法。

4 结 语

在实际的工程中，应根据具体的项目要求选择何种锚固方式，即是采用机械锚栓还是预埋地脚螺栓等，应从安全可靠、施工简便、施工工期、造价成本、综合性能等方面进行综合分析后作出抉择。该文对机械锚栓的定义、分类、用途进行了简单的介绍，随之介绍了机械锚栓的组成、优点、与地脚螺栓的对比及地脚螺栓的施工与常见问题的处理，获得了一些有益的结论，希望对以后的大型机械设备基础安装有一定参考意义。

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