地脚螺栓在游乐设施柱脚抗剪校核中的应用*

周世军，赵九峰，2

(1.河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000； 2.航空经济发展河南省协同创新中心，河南 郑州 450046)

0 引 言

地脚螺栓在游乐设施领域应用广泛，固定式游乐设施柱脚的固定都离不开地脚螺栓[1]。 地脚螺栓是埋设在基础里面，用来固定具有振动和冲击设备的零部件。 游乐设施运行过程中，柱脚承受着较大的重力载荷和震动载荷，在非工作工况下能够承受极限风载荷和地震载荷[2]，柱脚一旦失效，设备不能正常运行，甚至会发生坍塌和倾覆，给乘客的生命安全造成危害。

国内对地脚螺栓做了大量的研究。 文献[3]主要讲述钢结构柱地脚螺栓预埋过程中普遍存在的质量通病，并对预埋精度控制方法进行了研究；文献[4]从设计和施工两个角度进行分析，通过改进施工工艺和设计来保证钢筋砼梁上地脚螺栓的施工质量；文献[5]开展不同锚固长度、锚固型式地脚螺栓抗拔承载力试验，并将试验结果与理论结果进行了对比分析；文献[6]分析了螺栓断裂性质及断裂失效原因，分别对法兰螺栓受力状态进行解析计算和数值分析。上述文献虽然对地脚螺栓的安装工艺、断裂失效等进行了分析，但没有涉及柱脚抗剪设计以及柱脚抗剪与地脚螺栓之间的关系，因而在柱脚抗剪设计计算方面存在不足。

地脚螺栓是保障游乐设施运行安全的关键部件，在游乐设施的设计文件鉴定中，柱脚抗剪校核计算是一个重要计算环节[7]。 一些工程师把柱脚抗剪与地脚螺栓抗剪混为一谈，在设计计算中概念模糊。 针对以上问题，笔者介绍了游乐设施常用地脚螺栓在柱脚抗剪校核中的作用，给出了柱脚抗剪校核的计算方法，为游乐设施设计计算提供了参考。

1 地脚螺栓介绍

1.1 地脚螺栓的作用

地脚螺栓预埋在混凝土中，在外形上和普通螺栓的主要差别是长度较长，在长度上分为两部分:埋入混凝土部分和露出地面部分[3]。 露出地面部分的长度要满足安装需求，螺母拧紧后露出2 到5 扣；而埋入混凝土部分的长度需满足基础承载力的要求，当不能确定承载力的大小时，埋入长度一般设置为直径的25 倍[4]。

地脚螺栓的表面不做任何防腐处理，因为预埋在地下大部分不接触空气。 图1 为游乐设施海盗船的地脚螺栓安装示意图。

游乐设施运行过程中的各种载荷、设备自重以及风载荷和地震载荷通过设备的钢结构传递到柱脚，再由柱脚传递给基础[8]。 地脚螺栓作为连接上部结构和混凝土基础的连接件，主要起到两个方面的作用:①设备安装时，用于柱脚定位和安装；②设备运行时，固定底板传递载荷，各种载荷通过底板传递到基础上[9]。

1.2 型式与等级

为了保证地脚螺栓固定在基础上，除了深埋措施外，地脚螺栓的尾部做成弯钩状，不仅增大了与混凝土基础的摩擦力，同时地脚螺栓能够通过弯钩直接和地笼连接，保证地脚螺栓不会出现拔出破坏[5]。

根据地脚螺栓尾部弯钩的型式分为A 型、B 型和C 型[10]，地脚螺栓的型式如图2 所示。

图2 地脚螺栓的型式

游乐设施用地脚螺栓参考标准GB/T 799-2020《地脚螺栓》，采用未经冷加工的Q235B 材质，产品性能等级由3.6 级改为4.6 和5.6，与之匹配的螺母性能等级为5.0、6.0[10]；按照硬度指标评价性能等级，与地脚螺栓配合的平垫圈的性能等级为100 HV[11]。

地脚螺栓与螺母、平垫圈的性能等级配合表如表1 所列。

表1 地脚螺栓与螺母、平垫圈的性能等级配合表[11]

标记示例:螺纹规格M24、公称长度400 mm、性能等级为4.6 级、型式为A 型、不经表面处理的地脚螺栓的标记:地脚螺栓GB/T 799 M24×400-A[9]。

2 柱脚抗剪校核计算

地脚螺栓主要承受两种类型的载荷:拉力和剪力，游乐设施通常自重较大，地脚螺栓承受拉力较小或不承受拉力，拉力校核一般均能满足设计要求[6]。而设备的水平载荷由设备传给柱脚再传给基础，故柱脚处通常有很大的水平剪力，而我国的设计规范规定地脚螺栓不能承受水平剪力。

GB 8408-2018《游乐设施安全规范》7.8.10 节:地脚螺栓不宜用于承受底部的水平剪力，此剪力由底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪结构承受[12]。 《钢结构设计标准》对地脚螺栓明确规定:柱脚地脚螺栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承受[13]。

在游乐设施自重和地脚螺栓预紧力的作用下，柱脚对混凝土基础产生正压力。 柱脚底板与基础产生摩擦力来抵抗柱脚水平剪力，《钢结构设计标准》11.4.2 节规定，在地脚螺栓连接中，底板与混凝土基础间的最大静摩擦力为[13]:

式中:μ为摩擦面的抗滑移系数，钢板与混凝土之间取0.4；N为柱脚的总压力，kN。

柱脚基础的抗剪条件为[13]:

式中:Nv为设备柱脚的水平剪力，kN。

游乐设施的设计计算时，需考虑各种工况，如满载运行、偏载运行、风载荷和地震载荷[14]，提取各种工况下游乐设施柱脚部位的水平载荷，通过对比取最大值，用最大值对柱脚基础进行抗剪校核计算。 当水平剪力小于等于最大静摩擦力时，柱脚基础满足抗剪条件；当水平剪力大于最大静摩擦力时，柱脚基础不满足抗剪条件，此时应设置抗剪键。

按照规定，对于承受较大水平剪力的设备，柱脚须设置抗剪键。 抗剪键焊接在柱脚底板上，一般采用钢板或型钢，常用的抗剪键有两种型式:钢板和角钢[15]。 如图3 所示。

图3 抗剪键的型式

抗剪键承担的是减去摩擦力之后的柱脚水平剪力部分，抗剪键的刚度较大，为了简化计算，假定抗剪键全部承载柱脚的水平剪力。

由于设备的自重很大且存在预紧力，底板的最大静摩擦力通常也很大，游乐设施的设计和安装过程中很少设置抗剪键，也没有因此发生过事故。 另外设置抗剪键会给施工带来诸多不便，多数情况下无需另外设置抗剪键等抗剪结构。

3 地脚螺栓预紧与防松

3.1 地脚螺栓预紧力

为了防止运行工况下游乐设施柱脚底板出现缝隙或相对滑移，同时保证连接的可靠性和紧密性，地脚螺栓在设备安装过程中必须拧紧，这个预先拧紧的力是预紧力。 因此，游乐设施的设计时，必须对预紧力的大小进行规范设计。

游乐设施地脚螺栓拧紧后的预紧应力不得大于其材料的屈服极限σs的80%[16]。 地脚螺栓最大允许预紧力为:

式中:σs为摩螺栓材料的屈服极限，MPa；A螺栓公称应力截面积，mm2。

游乐设施地脚螺栓的预紧力按照4.6 级或5.6 级普通螺栓要求进行预紧即可，过大则挤掉地脚螺栓的强度余量，在工作载荷作用下，螺栓容易拉断；过小则不能产生足够的摩擦力，柱脚底板出现晃动甚至滑移。 为了便于游乐设施的设计和安装，地脚螺栓预紧力推荐表如表2 所列[17]。

表2 地脚螺栓预紧力推荐表/kN

地脚螺栓的预紧力过大，波动载荷频率较高会引起螺栓失效。 表2 中预紧力矩为最大值，实际工作时，建议预紧力按照表中数据的80%施加。

3.2 地脚螺栓防松

游乐设施地脚螺栓在设备运行时震动较大，弹簧垫圈容易发生脆断，防松效果差[14]。 因此地脚螺栓多采用双螺母防松加平垫圈的结构型式，如图4 所示。

图4 地脚螺栓双螺母防松

游乐设施地脚螺栓的两个螺帽是一厚一薄，厚螺母在上，作为主受力用，薄螺母在下，作为防松用。 通常情况下，游乐设施基础地脚螺栓数量较多，为了设计施工方便，建议采用相同规格的两个厚螺母。

4 结 语

按照我国的标准规范，地脚螺栓不宜承受水平剪力，实际设计中水平剪力不是由地脚螺栓承载的，而是由底板与基础的摩擦力承载。 文中重点阐述了游乐设施常用地脚螺栓的结构型式、性能等级和防松措施，通过对比我国现行的规范和设计方法，给出了游乐设施柱脚的抗剪校核计算公式和抗剪校核条件，分析了地脚螺栓在柱脚抗剪校核中的作用，并给出了地脚螺栓预紧力的推荐值。 研究结果为游乐设施柱脚抗剪校核计算提供了参考，对游乐设施的设计、安装、维护和检验具有一定的指导意义。