中美规范混凝土预埋件设计对比分析

王 蔚，张广杰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

中美规范混凝土预埋件设计对比分析

王 蔚，张广杰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

本文基于越南某港口工程设计实例，采用《美国房屋建筑混凝土结构规范》ACI318-14对皮带机头架预埋件进行计算分析，总结了按ACI318-14进行预埋件设计的要点，并与《混凝土结构设计规范》GB50010-2010预埋件计算结果进行对比，为设计人员采用美标从事涉外项目设计提供借鉴。

预埋件；锚筋；强度；破坏模式

引 言

港口工程中大量采用皮带机栈桥进行煤炭、矿石等物料输送，通常工艺专业将皮带机的头尾架设置在转运站楼面上，通过预埋件将头尾架荷载传递给转运站结构体系。皮带机头尾架预埋件往往承受较大的上拔力和水平力，生产过程中一旦此类预埋件发生破坏，将会使生产中断，造成重大经济损失，甚至可能造成人员伤亡等严重后果。鉴于预埋件对于建筑结构及工业生产的重要性，中美规范都对预埋件设计方法作出了详细的规定，但两国规范在设计理论和计算方法上存在较大的差异。本文通过越南某项目码头转运站皮带机头架预埋件设计的工程实例，总结了ACI318-14《美国房屋建筑混凝土结构规范》（下文简称为“美国规范”）预埋件设计方法，并与GB50010-2010《混凝土结构设计规范》（下文简称为“中国规范”）预埋件计算结果进行对比分析，以揭示中美规范预埋件设计方法的差异，供设计人员参考。

1 中国规范预埋件设计方法

中国规范根据预埋件的受力情况给出锚筋最小总截面面积的计算公式，由锚板和对称配置的直锚筋所组成的受力预埋件，其锚筋的总截面面积As计算公式如下：

当有剪力、法向拉力和弯矩共同作用时，应按下列两个公式计算，并取其中的较大值：

当有剪力、法向压力和弯矩共同作用时，应按下列两个公式计算，并取其中的较大值：

上述计算公式中的符号意义及相关取值规定详见中国规范第9.7.2条，本文不再赘述。

2 美国规范预埋件设计方法

美国规范根据预埋件的受力状态，分别给出受拉力作用、受剪力作用和受拉力、剪力共同作用的预埋件设计方法。规范涉及的锚栓（筋）形式有栓钉、带端锚头锚栓（筋）、L型锚栓（筋）、膨胀型锚栓和粘结型锚栓等，本文仅讨论皮带机头尾架预埋件设计中常用的L型锚筋。

2.1 受拉力作用预埋件计算

受拉力作用时，预埋件的抗拉承载力取以下4项计算指标的最小值：受拉锚筋的钢材强度、混凝土抗崩裂强度、锚筋的抗拔出强度及混凝土抗侧面爆裂强度，分别对应受拉力作用时预埋件的4种潜在破坏模式（图1）。

图1 受拉力作用预埋件破坏模式

2.1.1 受拉锚筋的钢材强度

预埋件中群锚的钢材抗拉强度：

式（5）中：Ase，N为单个锚筋的有效截面面积；futa为锚筋钢材的抗拉强度，且不大于 1.9fya和862 MPa中的较小值；n为群锚中受拉锚筋数量。

2.1.2 受拉锚筋的混凝土抗崩裂强度

预埋件中群锚的抗崩裂强度：

式（6）中：ANco为到构件边缘的距离大于或等于1.5hef的单个锚筋的混凝土投影破坏面积；假定锚筋受拉崩裂破坏锥体的倾斜角为35°，ANc为一组群锚的混凝土投影破坏面积（图2）；Nb为单个锚筋受拉时混凝土基本抗崩裂强度；ψec，N为受偏心拉力的群锚调节系数；ψed，N为反映锚筋的边缘效应的调节系数；当混凝土在使用荷载作用下将开裂时，调节系数ψc，N、ψcp，N可取为1.0。

图2 ANco、ANc的计算

2.1.3 受拉锚筋的抗拔出强度

预埋件中群锚的抗拔出强度为：

式（7）中：Np为单个L型锚筋的抗拔出强度；当构件在使用荷载下不开裂时，ψcp取 1.4，在使用荷载下开裂时，ψcp应取1.0。

2.1.4 受拉锚筋的混凝土抗侧面爆裂强度

美国规范仅对带端锚头锚栓，规定当锚栓距混凝土边缘距离ca1＜0.4hef时，应计算混凝土抗侧面爆裂强度。对于L型锚筋，因混凝土侧面爆裂强度通常不起控制作用因而不需验算此项。

2.2 受剪力作用预埋件计算

受剪力作用时，预埋件的抗剪承载力取以下3项计算指标的最小值：受剪锚筋的钢材强度、受剪锚筋的混凝土抗崩裂强度和混凝土抗剪撬强度，分别对应受剪力作用时预埋件的3种潜在破坏模式（图3）。

图3 受剪力作用预埋件破坏模式

2.2.1 受剪锚筋的钢材强度

预埋件中群锚的钢材抗剪强度：

式（8）中：Ase，V是受剪锚筋的有效截面面积。

2.2.2 受剪锚筋的混凝土抗崩裂强度

对于垂直于构件边缘作用在一组群锚上的剪力，群锚受剪时的混凝土抗崩裂强度为：

式（9）中：AVco为到构件边缘的距离大于或等于1.5hef的单个锚筋的混凝土投影破坏面积；假定锚筋受剪崩裂破坏锥体的倾斜角为35°，AVc为一组群锚在混凝土构件边缘处破坏面的投影面积，基于半椎体的投影来计算（图4）。单个锚筋受剪时混凝土的基本抗崩裂强度Vb、受剪力偏心作用的群锚的调节系数ψec，V、群锚考虑边缘效应的调节系数ψed，V等可按规范相关规定计算。对于平行于构件边缘作用于预埋件的剪力，Vcbg取式（9）确定的混凝土抗崩裂强度的2倍。

图4 AVco、 AVc的计算

2.2.3 受剪锚筋的混凝土抗剪撬强度

受剪锚筋的混凝土抗剪撬强度为：

预埋件受剪力作用时，混凝土抗剪橇强度即抗冲切强度的计算建立在混凝土抗拉强度的基础上，式（10）中：kcp是考虑锚筋有效埋深的修正系数。

2.3 受拉力、剪力共同作用预埋件计算

预埋件在同时受拉力和剪力作用时，不仅需要分别验算抗拉承载力和抗剪承载力，还要考虑两者的相关性，按（11）式的拉力-剪力相关方程进行验算。若起控制作用的受剪强度Vua/ΦVn≤0.2，则应允许取用全部受拉强度：ΦNn≥Nua；若起控制作用的受拉强度Nua/ΦNn≤0.2，则应允许取用全部受剪强度：ΦVn≥Vua；若起控制作用的受剪强度Vua/ΦVn＞0.2且起控制作用的受拉强度Nua/ΦNn＞0.2，则应符合下式要求：

3 中美规范预埋件设计对比

中国规范与美国规范预埋件设计方法存在较大的差异，主要体现在以下3个方面。

3.1 设计原理

中国规范根据预埋件的荷载条件，按公式（1）～（4）计算所需锚筋最小总截面面积，据此确定锚筋的直径和数量，同时满足规范在锚筋间距、锚固深度、锚板厚度等方面的构造规定，整个设计过程简单明了。中国规范预埋件计算公式通过相关系数考虑了锚筋分布、锚板弯曲变形、混凝土强度等级等对预埋件承载力的影响，但未能反映锚筋和混凝土的受力状态及荷载的传递机理，也未进行预埋件的破坏模式分析，是基于试验基础上的半经验半理论公式。

美国规范预埋件设计建立在对锚筋和混凝土的受力状态及潜在破坏模式分析基础上，已得到试验的验证并结合试验资料对相关强度计算公式予以修正，使预埋件设计更加合理。对于特定的预埋件，通过计算其各种破坏模式对应的临界强度，可确定其抗拉承载力和抗剪承载力。当拉剪荷载共同作用时可基于两种受力模式的相关性进行承载力验算，整个设计过程理论充分、概念清晰。

3.2 构造规定

中国规范对预埋件锚筋间距、锚固长度、锚筋直径及锚板厚度等都作出了较为详细的规定，而美国规范的预埋件设计以强度计算为主，构造规定相对较少。如中国规范明确规定受拉直锚筋锚固长度不应小于该规范第8.3.1条规定的受拉钢筋锚固长度，而美国规范仅对膨胀型或扩孔型后置锚栓的埋置深度作出明确规定，对预埋锚筋则未作规定。对于受剪预埋件，中国规范规定预埋件锚筋至构件边缘的距离不应小于6d和70mm，美国规范锚筋与混凝土边缘的距离对于不受扭矩作用预埋件为不小于钢筋保护层厚度，一般为20～75mm，小于中国规范的规定，因为美国规范混凝土抗崩裂计算中已考虑锚筋与混凝土边缘距离的影响。

3.3 抗震措施

美国规范对于抗震设防类别为C、D、E、F类建筑规定应考虑地震荷载对预埋件的影响，对于受拉力预埋件，当锚筋因地震作用产生的拉力超过其总拉力的20 %时，除锚筋钢材强度外，锚筋的混凝土抗崩裂强度、锚筋抗拔出强度、混凝土抗侧面爆裂强度均应乘以地震折减系数0.75；对于受剪预埋件，当锚筋因地震作用产生的剪力超过其总剪力的20 %时，应采取加大锚板厚度等措施使之能有效传递锚筋剪力。中国规范用于计算锚筋最小截面面积的荷载效应中虽未包含地震作用，但规范对于考虑地震作用的预埋件提出构造加强措施，如将锚筋截面面积在计算基础上增大25 %、适当增大锚板厚度、将锚筋的锚固长度增加10 %及在靠近锚板处设置封闭箍筋等。

4 工程实例计算分析

越南某项目转运站为3层钢筋混凝土框架结构，长30 m，宽27 m，高22.3 m，建筑面积2 430 m2。按照工艺布置要求，转运站楼面共布置有8条皮带机的头架或尾架设备。以下对其中两块受荷较大的头架预埋件按美国规范和中国规范分别进行计算，并对两者计算结果进行对比分析。预埋件M-1平面布置如图5所示，预埋件M-1按美国规范设计大样见图6。

图5 预埋件M-1布置

图6 预埋件M-1详

4.1 实例计算

预埋件锚筋采用ASTM A615 Grade 40级钢筋，其最小抗拉强度为420 MPa，混凝土强度按美国规范取值为35 MPa，鉴于两国规范混凝土与钢筋强度取值方法及保证率不同，按中国规范计算时已对材料进行强度换算。转运站抗震设防类别为B类，预埋件计算时不考虑地震作用。头架预埋件按美国规范计算结果见表 1，按中国规范计算结果见表 2，表中荷载系数、强度折减系数等分别按相应规范取值。

表1 美国规范预埋件计算

表2 中国规范预埋件计算

对于受拉力和剪力共同作用的预埋件，美国规范以简化的三折线相关曲线反映拉力与剪力的相关性，预埋件M-1的Nn～Vn相关曲线见图7。按中国规范设计的M-1的N～V曲线见图8（根据皮带机头架支腿受力特点，仅考虑预埋件外侧两排锚筋承受拉力作用），可通过曲线与N、V所确定的坐标点的位置关系来判断承载力是否满足要求。

图7 M-1的Nn～Vn曲线

图8 M-1的N～V曲线

4.2 计算结果分析

由表1可知，按美国规范计算预埋件锚筋的混凝土抗崩裂强度较小，这是缘于美国规范的预埋件设计是基于素混凝土条件。本实例预埋件均设置在钢筋混凝土梁上，所受剪力平行于梁边，由于梁宽一般较小，导致预埋件锚筋的边缘效应十分显著，其混凝土破裂面投影面积较小，因而按素混凝土假定计算的混凝土抗崩裂强度较小。美国规范第 17.3.2.1条规定：当按规范相关要求配置附加钢筋有效约束混凝土崩裂破坏面时无需计算混凝土抗崩裂强度。钢筋混凝土梁均配置有纵向钢筋和箍筋并形成钢筋骨架，对混凝土崩裂面形成有效约束，因此本实例可不考虑混凝土抗崩裂强度。

按美国规范计算的两个预埋件均以锚筋的抗拔出强度作为抗拉承载力，以受剪锚筋的混凝土抗剪撬强度作为抗剪承载力；中国规范锚筋截面面积计算公式虽然考虑了混凝土强度等级、锚板变形等因素，但总体上以锚筋强度设计值为主要控制指标。对比图7和图8可知，按中国规范计算的抗拉和抗剪承载力分别是美国规范相应计算值的1.25和1.42倍，但这并不说明前者预埋件设计安全度高于后者，由于中国规范未全面验算与混凝土潜在破坏模式相应的各项强度，仅以锚筋的钢材抗拉或抗剪强度来衡量预埋件设计的安全度是不全面的。

5 结 语

本文对美国规范与中国规范预埋件设计进行分析比较，得出主要结论如下：

1）美国规范根据锚筋与混凝土之间的荷载传递机理及潜在破坏模式进行各项强度计算以确定预埋件承载力，当拉剪荷载共同作用时通过拉力-剪力相关方程进行承载力验算；中国规范预埋件设计计算与构造并重，未反映锚筋和混凝土的受力状态及荷载的传递机理，是一种半理论半经验设计方法。

2）美国规范预埋件计算包含地震作用参与的荷载组合，中国规范预埋件计算未考虑地震作用，仅从构造措施上予以加强。

3）不管依据中国规范还是美国规范，均建议在锚筋配置满足计算要求的基础上加强构造措施，如加大锚筋距混凝土边缘距离、设置抗剪角钢、配置附加钢筋等，以提高预埋件设计的安全度。

［1］GB50010-2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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，高级工程师，主要从事港口工程建筑结构设计管理工作。