無抗剪鍵地錨螺栓抗剪承載能力研究

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0103-04

Abstract：Inthecurentdomesticspecifications，regardingthebearingcapacityofgroundanchorbolts，onlyrelevant requirementsaremadefortheirpull-outresistanceandnorequirementsaremadefortheshearbearingcapacityofthebolts. Basedonthesupport structureoftheflexuralmemberandthemechanicalcalculation modelof thegroundanchorboltthatonly considersbendingdeformation，thispaperanalyzestheinfluenceofthenumberofgroundanchorbolts，thediameterofthescrew andtheshearstrengthofthescrewmaterialontheshearbearingcapacityofthesupprtwithoutconsideringtheshearkey.Itis concludedthattheshear bearingcapacityprovidedbythegroundanchorboltatthesupportoftheflexural memberismuch greaterthantheshearforcegeneratedbyexteralloadatthesupport.Thisshowsthatitisreasonablethatthespecificationdoes not require the shear capacity of bolts.

Keywords： steel member; ground anchor bolt; bearing; shear key; shear capacity

在實際工程中，型鋼或輕鋼豎向受力構件與基礎的連接方式有焊接和螺栓連接。當采用螺栓連接時，螺栓的構造及強度對連接部位的可靠性具有重要影響。若螺栓構造不合理或螺栓強度不能滿足連接部位的要求，將導致型鋼或輕鋼豎向受力構件與基礎之間的連接失效，從而可能造成結構安全事故，引起人員傷亡或重大經濟損失。因此，保證地錨螺栓的合理構造形式及足夠的強度非常重要。本文將分別從構造要求和強度要求2方面來探討地錨螺栓的可靠性，并驗證國內規范對地錨螺栓的強度要求的合理性。

1地錨螺栓的構造

以承受橫向荷載、以彎曲變形為主的格構式型鋼豎向受力構件為例，實際工程中，該類型的豎向構件與基礎進行連接的地錨螺栓構造（圖1）已基本符合要求。在基礎混凝土澆筑施工前，先將地錨螺栓在基礎中進行部分預埋，隨后澆筑基礎混凝土并完成混凝土養護，待混凝土強度達到設計要求后，將需與基礎連接的格構式型鋼豎向受力構件通過焊接的方式連接一塊大小適宜的底板，在連接底板上開圓孔，圓孔直徑稍大于螺栓螺桿直徑，再將預埋螺桿穿過構件底板圓孔，擰緊螺帽，地錨螺栓連接施工完畢。在地錨螺栓的連接構造中，螺栓與連接底板對連接的有效性起關鍵作用。螺栓與連接底板的材料、尺寸及外形均需滿足相關規范要求。

2國內規范對地錨螺栓的強度要求

地錨螺栓除需滿足合理的構造要求外，還需有足夠的強度，從而保證構件與基礎的有效連接。由以承受水平荷載、以彎曲變形為主的格構式型鋼豎向受力構件的受力特征4可知，在不考慮自重的情況下，水平荷載將在構件與基礎連接支座處產生彎矩和剪力2種內力。

地錨螺栓在豎向構件彎曲變形時，由地錨螺栓中的軸向抗拉拔力和軸向抗壓力共同形成力矩，抵抗支座處產生的彎矩（圖1），螺栓的軸向抗壓能力和抗拉拔能力決定了支座處的抗彎承載能力。地錨螺栓的軸向抗壓力由基礎混凝土對螺桿底部的反力、豎向構件底板對螺帽的反力及基礎混凝土與螺桿之間的摩阻力3個部分組成；而地錨螺栓的軸向抗拉拔力僅由螺桿與基礎混凝土之間的摩阻力提供（圖2）。從力學模型可知，由于地錨螺栓的軸向抗壓力由3部分組成，其值往往都比較大，再結合大量的實際工程經驗，可知地錨螺栓的軸向抗壓力往往都是足夠的，一般情況下可認為均滿足強度要求，地錨螺栓的失效通常是由其軸向抗拉拔能力不足引起的。因此，國內相關規范對地錨螺栓的軸向抗拉拔能力做了明確規定，認為錨栓的抗拉拔力應滿足設計要求，通常由設計單位提供錨固件連接受拉承載力設計值。

圖1設置抗剪鍵支座構造

圖2地錨螺栓受力圖

另外，由力學模型可知，彎曲變形豎向構件在與基礎連接的支座位置除了會產生彎矩外，還會產生剪力。對于支座位置處的剪力，國內規范認為，一方面，由于地錨螺栓的螺桿直徑略小于豎向構件底板的螺孔直徑，因此，以理想化模型為基礎，螺桿在整體結構受力時表面與底板孔壁無接觸，橫截面上無法產生剪力（圖1）；另一方面，目前，大多數型鋼或輕鋼豎向受力構件與基礎采用地錨螺栓進行連接時，還會在基礎與豎向構件之間設置抗剪鍵（圖1）?？辜翩I一端先埋在混凝土基礎內預留的抗剪槽中，然后在為錨栓預留的孔洞中灌入混凝土后，抗剪鍵就在基礎中預埋好了；抗剪鍵另一端與構件底板通過焊接連接在一起。抗剪鍵與豎向型鋼構件形成整體，在受力時無相對位移，此時，抗剪鍵可有效地承擔支座位置處的剪力，防正柱底板與基礎混凝土頂面之間出現滑移，確保結構的穩定性和安全性。在鋼結構中，抗剪鍵主要分為對接型抗剪鍵、插板式抗剪鍵和切割式抗剪鍵。抗剪鍵在鋼結構中發揮著至關重要的作用，通過合理的設計、選材和施工質量控制，可以確?？辜翩I的有效性和安全性，為鋼結構的整體穩定性提供有力保障?；谏鲜?個原因，國內規范對設置了抗剪鍵的地錨螺栓不再驗證其抗剪承載能力，認為支座處的剪力主要由抗剪鍵來承擔。

綜上所述，基于抗剪鍵的設置，國內規范僅對地錨螺栓螺桿的抗拉拔能力有明確要求，而對地錨螺栓螺桿的抗剪承載能力并未作明確要求。

3未設置抗剪鍵地錨螺栓的抗剪承載能力

在某些工程中，由于場地條件、施工工藝或其他條件的限制，豎向受彎型鋼構件支座處無法設置抗剪鍵（圖3）。此時，可忽略螺桿與螺孔直徑的尺寸差，認為豎向型鋼構件支座處的剪力只能通過地錨螺栓的螺桿來承擔。地錨螺栓受剪時，其受力示意圖如圖4所示。本文以未設置抗剪鍵、只考慮受彎變形的格構式型鋼構件為例，研究地錨螺栓對支座處抗剪承載能力的影響。若圖3所示構件支座處共設置4塊底板與基礎采用地錨螺栓進行連接，結合地錨螺栓受剪受力圖，可知每塊底板的地錨螺栓數量、螺桿直徑與螺桿的材料抗剪強度均與豎向構件支座處所能承擔的剪力大小有關。本文通過整體結構的力學計算模型，分別探究地錨螺栓數量、螺桿直徑及螺桿材料抗剪強度與豎向構件支座處所能承擔的剪力大小的關系。

圖3未設置抗剪鍵支座構造

圖4 地錨螺栓剪切受力圖

3.1地錨螺栓數量與支座處抗剪承載能力的關系

螺桿直徑為 18mm 、材料強度等級為Q235的地錨螺栓數量與支座處的抗剪承載能力的關系見表1。

表1地錨螺栓數量與支座處抗剪承載能力的關系

螺桿直徑為 18mm 、材料強度等級分別為Q235、Q345、Q390、Q420的地錨螺栓數量與支座處抗剪承載能力的關系如圖5所示。

圖5螺栓數量與抗剪承載能力關系圖

3.2螺桿直徑與支座處抗剪承載能力的關系

螺桿材料強度等級為Q235、構件螺栓總數為8個的地錨螺栓直徑與支座處抗剪承載能力的關系見表2。

表2地錨螺栓螺桿直徑與支座處抗剪承載能力的關系

構件螺栓總數為8個、材料強度等級分別為Q235、Q345、Q390、Q420的地錨螺栓直徑與支座處抗剪承載能力的關系如圖6所示。

圖6螺栓直徑與抗剪承載能力關系圖

3.3螺桿材料抗剪強度與支座處抗剪承載能力的關系

構件螺栓總數為8個、螺桿直徑為 18mm 的地錨螺栓抗剪強度與支座處抗剪承載能力的關系見表3。

表3地錨螺栓抗剪強度與支座處抗剪承載能力的關系

構件螺栓總數為8個、螺桿直徑分別為18、22、28和 34mm 的地錨螺栓抗剪強度與支座處抗剪承載能力的關系如圖7所示。

圖7螺栓抗剪強度與抗剪承載能力關系圖

從上述計算結果可以看出： ① 在其他條件相同的情況下，地錨螺栓數量與支座處的抗剪承載能力呈正相關線性關系，地錨螺栓數量越多，支座處的抗剪承載能力越大； ② 在其他條件相同的情況下，地錨螺栓的直徑與支座處抗剪承載能力呈正相關非線性關系，地錨螺栓直徑越大，支座處的抗剪承載能力越大； ③ 在其他條件相同的情況下，地錨螺栓材料的抗剪強度與支座處的抗剪承載能力呈正相關線性關系，地錨螺栓材料抗剪強度越大，支座處的抗剪承載能力越大。綜上所述，增加支座處地錨螺栓的數量、加大地錨螺桿的直徑及螺栓使用抗剪強度更高的材料，均能增大支座處的抗剪承載能力。其中，由圖5、圖6和圖7的比較可知，加大地錨螺栓的直徑對增大支座處抗剪承載能力的效果相較于增加支座處地錨螺栓的數量、使用抗剪強度更高的材料更為顯著。

3.4工程中型鋼構件支座處剪力值

豎向型鋼構件支座處的剪力通常是由上部水平荷載引起。對一般工程項目中的型鋼結構（例如鐵路接觸網支架、鐵塔及道路配套支架等），上部豎向型鋼構件所受的水平荷載可主要考慮為風荷載。依據不同豎向型鋼構件的高度、風荷載作用面寬度及所在地區的風壓，可計算得到構件支座處的剪力。計算結果見表4。

表4工程中型鋼構件支座處剪力計算

從上述計算結果可以看出，按實際工程中單根豎向構件布置螺栓數量較少、螺桿材料抗剪強度等級較低、螺桿直徑較小的情況計算，支座處的最小抗剪承載力值為 244kN 。而對于一般的工程項目，按構件高度較大、風荷載作用面較寬、風壓值較大的情況，計算得到支座處的剪力值為 80kN ，該剪力值遠遠小于支座處的最小抗剪承載力值 244kN ，其差值為 164kN 。因此，即使考慮較大的安全系數或其他水平荷載的作用，豎向構件的抗剪承載能力仍然是足夠的。由此可見，對一般工程項目，在不考慮抗剪鍵時，支座處的地錨螺栓完全能夠承擔外荷載在支座處產生的剪力。規范中未對支座處螺栓的抗剪承載能力做要求是合理的。

4結束語

在型鋼結構中，為了保證結構的安全性和穩定性，結構與基礎之間支座處具有足夠的承載能力至關重要。在僅考慮上部水平荷載作用的情況下，支座處的內力主要有彎矩和剪力。支座處產生的彎矩主要通過地錨螺栓的抗壓力和抗拉拔力承擔，支座處產生的剪力在設置抗剪鍵時，主要由抗剪鍵承擔。在實際工程中，地錨螺栓的抗壓力往往都是足夠的，地錨螺栓在彎矩作用下的失效主要是由于地錨螺栓的抗拉拔能力不足引起的。因此，國內現行規范中未對地錨螺栓的抗壓力作相應的規定，而規范中對地錨螺栓的抗拉拔力作了明確規定。規范中對承擔支座剪力的抗剪鍵的選型設計、施工質量控制，以及檢查與維護都做了詳細說明，而對當支座處無法設置抗剪鍵，支座處的剪力主要由地錨螺栓來承擔時，地錨螺栓的抗剪承載能力在規范中并未作明確規定。

本文基于地錨螺栓的構造特征，通過分析計算，證明了在未設置抗剪鍵的情況下，地錨螺栓的數量、螺桿的直徑和螺桿材料的抗剪強度均對支座處地錨螺栓的抗剪承載能力有影響。其中，螺桿的數量及螺桿材料的抗剪強度與支座處的抗剪承載能力均呈線性關系，螺桿數量越多、螺桿材料的抗剪強度越大，支座處的抗剪承載能力線性增大；螺桿的直徑與支座處的抗剪承載能力呈非線性關系，螺桿直徑越大，支座處抗剪承載能力非線性增大。螺桿直徑對支座處抗剪承載能力的影響比螺栓的數量及螺桿材料抗剪強度更為顯著。另一方面，通過計算一般情況下工程中型鋼構件在水平荷載作用下支座處產生的剪力值，并將該剪力值與未設置抗剪鍵時地錨螺栓的抗剪承載力值比較大小，可以發現較大水平荷載在支座處產生的剪力值均遠遠小于地錨螺栓的抗剪承載力值，因此，支座處的地錨螺栓足以承擔支座處的剪力，規范中未對支座處地錨螺栓的抗剪承載力作明確規定是合理的。

參考文獻：

[1]鋼結構設計標準：GB50017—2017[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[2]羅文文，陳剛，趙帥.可更換式反力地錨設計方法及力學性能試驗研究[J].建筑結構，2018，52（S1）：456-462.

[3]鄒昭文，程光均，張祥東.建筑力學第一分冊理論力學[M].北京：高等教育出版社，2017：184-197.

[4]干光瑜，秦惠民.建筑力學第二分冊材料力學[M].北京：高等教育出版社，2017：201-210.