中美規范混凝土預埋件設計對比分析

王 蔚，張廣杰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

中美規范混凝土預埋件設計對比分析

王 蔚，張廣杰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文基于越南某港口工程設計實例，采用《美國房屋建筑混凝土結構規范》ACI318-14對皮帶機頭架預埋件進行計算分析，總結了按ACI318-14進行預埋件設計的要點，并與《混凝土結構設計規范》GB50010-2010預埋件計算結果進行對比，為設計人員采用美標從事涉外項目設計提供借鑒。

預埋件；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，通常工藝專業將皮帶機的頭尾架設置在轉運站樓面上，通過預埋件將頭尾架荷載傳遞給轉運站結構體系。皮帶機頭尾架預埋件往往承受較大的上拔力和水平力，生產過程中一旦此類預埋件發生破壞，將會使生產中斷，造成重大經濟損失，甚至可能造成人員傷亡等嚴重后果。鑒于預埋件對于建筑結構及工業生產的重要性，中美規范都對預埋件設計方法作出了詳細的規定，但兩國規范在設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運站皮帶機頭架預埋件設計的工程實例，總結了ACI318-14《美國房屋建筑混凝土結構規范》（下文簡稱為“美國規范”）預埋件設計方法，并與GB50010-2010《混凝土結構設計規范》（下文簡稱為“中國規范”）預埋件計算結果進行對比分析，以揭示中美規范預埋件設計方法的差異，供設計人員參考。

1 中國規范預埋件設計方法

中國規范根據預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埋件，其錨筋的總截面面積As計算公式如下：

當有剪力、法向拉力和彎矩共同作用時，應按下列兩個公式計算，并取其中的較大值：

當有剪力、法向壓力和彎矩共同作用時，應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取值規定詳見中國規范第9.7.2條，本文不再贅述。

2 美國規范預埋件設計方法

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

2.1 受拉力作用預埋件計算

受拉力作用時，預埋件的抗拉承載力取以下4項計算指標的最小值：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面爆裂強度，分別對應受拉力作用時預埋件的4種潛在破壞模式（圖1）。

圖1 受拉力作用預埋件破壞模式

2.1.1 受拉錨筋的鋼材強度

預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量。

2.1.2 受拉錨筋的混凝土抗崩裂強度

預埋件中群錨的抗崩裂強度：

式（6）中：ANco為到構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節系數；ψed，N為反映錨筋的邊緣效應的調節系數；當混凝土在使用荷載作用下將開裂時，調節系數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；當構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應取1.0。

2.1.4 受拉錨筋的混凝土抗側面爆裂強度

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

2.2 受剪力作用預埋件計算

受剪力作用時，預埋件的抗剪承載力取以下3項計算指標的最小值：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，分別對應受剪力作用時預埋件的3種潛在破壞模式（圖3）。

圖3 受剪力作用預埋件破壞模式

2.2.1 受剪錨筋的鋼材強度

預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節系數ψec，V、群錨考慮邊緣效應的調節系數ψed，V等可按規范相關規定計算。對于平行于構件邊緣作用于預埋件的剪力，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上，式（10）中：kcp是考慮錨筋有效埋深的修正系數。

2.3 受拉力、剪力共同作用預埋件計算

預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性，按（11）式的拉力-剪力相關方程進行驗算。若起控制作用的受剪強度Vua/ΦVn≤0.2，則應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，則應符合下式要求：

3 中美規范預埋件設計對比

中國規范與美國規范預埋件設計方法存在較大的差異，主要體現在以下3個方面。

3.1 設計原理

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

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

3.2 構造規定

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

美國規范對于抗震設防類別為C、D、E、F類建筑規定應考慮地震荷載對預埋件的影響，對于受拉力預埋件，當錨筋因地震作用產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、混凝土抗側面爆裂強度均應乘以地震折減系數0.75；對于受剪預埋件，當錨筋因地震作用產生的剪力超過其總剪力的20 %時，應采取加大錨板厚度等措施使之能有效傳遞錨筋剪力。中國規范用于計算錨筋最小截面面積的荷載效應中雖未包含地震作用，但規范對于考慮地震作用的預埋件提出構造加強措施，如將錨筋截面面積在計算基礎上增大25 %、適當增大錨板厚度、將錨筋的錨固長度增加10 %及在靠近錨板處設置封閉箍筋等。

4 工程實例計算分析

越南某項目轉運站為3層鋼筋混凝土框架結構，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，轉運站樓面共布置有8條皮帶機的頭架或尾架設備。以下對其中兩塊受荷較大的頭架預埋件按美國規范和中國規范分別進行計算，并對兩者計算結果進行對比分析。預埋件M-1平面布置如圖5所示，預埋件M-1按美國規范設計大樣見圖6。

圖5 預埋件M-1布置

圖6 預埋件M-1詳

4.1 實例計算

預埋件錨筋采用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范取值為35 MPa，鑒于兩國規范混凝土與鋼筋強度取值方法及保證率不同，按中國規范計算時已對材料進行強度換算。轉運站抗震設防類別為B類，預埋件計算時不考慮地震作用。頭架預埋件按美國規范計算結果見表 1，按中國規范計算結果見表 2，表中荷載系數、強度折減系數等分別按相應規范取值。

表1 美國規范預埋件計算

表2 中國規范預埋件計算

對于受拉力和剪力共同作用的預埋件，美國規范以簡化的三折線相關曲線反映拉力與剪力的相關性，預埋件M-1的Nn～Vn相關曲線見圖7。按中國規范設計的M-1的N～V曲線見圖8（根據皮帶機頭架支腿受力特點，僅考慮預埋件外側兩排錨筋承受拉力作用），可通過曲線與N、V所確定的坐標點的位置關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 計算結果分析

由表1可知，按美國規范計算預埋件錨筋的混凝土抗崩裂強度較小，這是緣于美國規范的預埋件設計是基于素混凝土條件。本實例預埋件均設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，導致預埋件錨筋的邊緣效應十分顯著，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。美國規范第 17.3.2.1條規定：當按規范相關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。

按美國規范計算的兩個預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計值為主要控制指標。對比圖7和圖8可知，按中國規范計算的抗拉和抗剪承載力分別是美國規范相應計算值的1.25和1.42倍，但這并不說明前者預埋件設計安全度高于后者，由于中國規范未全面驗算與混凝土潛在破壞模式相應的各項強度，僅以錨筋的鋼材抗拉或抗剪強度來衡量預埋件設計的安全度是不全面的。

5 結 語

本文對美國規范與中國規范預埋件設計進行分析比較，得出主要結論如下：

1）美國規范根據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埋件承載力，當拉剪荷載共同作用時通過拉力-剪力相關方程進行承載力驗算；中國規范預埋件設計計算與構造并重，未反映錨筋和混凝土的受力狀態及荷載的傳遞機理，是一種半理論半經驗設計方法。

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

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

［1］GB50010-2010混凝土結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，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構設計管理工作。