王 蔚，張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

中美規(guī)范混凝土預(yù)埋件設(shè)計(jì)對(duì)比分析

王 蔚，張廣杰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文基于越南某港口工程設(shè)計(jì)實(shí)例，采用《美國(guó)房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》ACI318-14對(duì)皮帶機(jī)頭架預(yù)埋件進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)了按ACI318-14進(jìn)行預(yù)埋件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010預(yù)埋件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為設(shè)計(jì)人員采用美標(biāo)從事涉外項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。

預(yù)埋件；錨筋；強(qiáng)度；破壞模式

引 言

港口工程中大量采用皮帶機(jī)棧橋進(jìn)行煤炭、礦石等物料輸送，通常工藝專業(yè)將皮帶機(jī)的頭尾架設(shè)置在轉(zhuǎn)運(yùn)站樓面上，通過(guò)預(yù)埋件將頭尾架荷載傳遞給轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)體系。皮帶機(jī)頭尾架預(yù)埋件往往承受較大的上拔力和水平力，生產(chǎn)過(guò)程中一旦此類預(yù)埋件發(fā)生破壞，將會(huì)使生產(chǎn)中斷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。鑒于預(yù)埋件對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)及工業(yè)生產(chǎn)的重要性，中美規(guī)范都對(duì)預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法作出了詳細(xì)的規(guī)定，但兩國(guó)規(guī)范在設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法上存在較大的差異。本文通過(guò)越南某項(xiàng)目碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)站皮帶機(jī)頭架預(yù)埋件設(shè)計(jì)的工程實(shí)例，總結(jié)了ACI318-14《美國(guó)房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》（下文簡(jiǎn)稱為“美國(guó)規(guī)范”）預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法，并與GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（下文簡(jiǎn)稱為“中國(guó)規(guī)范”）預(yù)埋件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以揭示中美規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法的差異，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法

中國(guó)規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的受力情況給出錨筋最小總截面面積的計(jì)算公式，由錨板和對(duì)稱配置的直錨筋所組成的受力預(yù)埋件，其錨筋的總截面面積As計(jì)算公式如下：

當(dāng)有剪力、法向拉力和彎矩共同作用時(shí)，應(yīng)按下列兩個(gè)公式計(jì)算，并取其中的較大值：

當(dāng)有剪力、法向壓力和彎矩共同作用時(shí)，應(yīng)按下列兩個(gè)公式計(jì)算，并取其中的較大值：

上述計(jì)算公式中的符號(hào)意義及相關(guān)取值規(guī)定詳見中國(guó)規(guī)范第9.7.2條，本文不再贅述。

2 美國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法

美國(guó)規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的受力狀態(tài)，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(yù)埋件設(shè)計(jì)方法。規(guī)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(jié)型錨栓等，本文僅討論皮帶機(jī)頭尾架預(yù)埋件設(shè)計(jì)中常用的L型錨筋。

2.1 受拉力作用預(yù)埋件計(jì)算

受拉力作用時(shí)，預(yù)埋件的抗拉承載力取以下4項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)的最小值：受拉錨筋的鋼材強(qiáng)度、混凝土抗崩裂強(qiáng)度、錨筋的抗拔出強(qiáng)度及混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度，分別對(duì)應(yīng)受拉力作用時(shí)預(yù)埋件的4種潛在破壞模式（圖1）。

圖1 受拉力作用預(yù)埋件破壞模式

2.1.1 受拉錨筋的鋼材強(qiáng)度

預(yù)埋件中群錨的鋼材抗拉強(qiáng)度：

式（5）中：Ase，N為單個(gè)錨筋的有效截面面積；futa為錨筋鋼材的抗拉強(qiáng)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(shù)量。

2.1.2 受拉錨筋的混凝土抗崩裂強(qiáng)度

預(yù)埋件中群錨的抗崩裂強(qiáng)度：

式（6）中：ANco為到構(gòu)件邊緣的距離大于或等于1.5hef的單個(gè)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(gè)錨筋受拉時(shí)混凝土基本抗崩裂強(qiáng)度；ψec，N為受偏心拉力的群錨調(diào)節(jié)系數(shù)；ψed，N為反映錨筋的邊緣效應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)；當(dāng)混凝土在使用荷載作用下將開裂時(shí)，調(diào)節(jié)系數(shù)ψc，N、ψcp，N可取為1.0。

圖2 ANco、ANc的計(jì)算

2.1.3 受拉錨筋的抗拔出強(qiáng)度

預(yù)埋件中群錨的抗拔出強(qiáng)度為：

式（7）中：Np為單個(gè)L型錨筋的抗拔出強(qiáng)度；當(dāng)構(gòu)件在使用荷載下不開裂時(shí)，ψcp取 1.4，在使用荷載下開裂時(shí)，ψcp應(yīng)取1.0。

2.1.4 受拉錨筋的混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度

美國(guó)規(guī)范僅對(duì)帶端錨頭錨栓，規(guī)定當(dāng)錨栓距混凝土邊緣距離ca1＜0.4hef時(shí)，應(yīng)計(jì)算混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度。對(duì)于L型錨筋，因混凝土側(cè)面爆裂強(qiáng)度通常不起控制作用因而不需驗(yàn)算此項(xiàng)。

2.2 受剪力作用預(yù)埋件計(jì)算

受剪力作用時(shí)，預(yù)埋件的抗剪承載力取以下3項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)的最小值：受剪錨筋的鋼材強(qiáng)度、受剪錨筋的混凝土抗崩裂強(qiáng)度和混凝土抗剪撬強(qiáng)度，分別對(duì)應(yīng)受剪力作用時(shí)預(yù)埋件的3種潛在破壞模式（圖3）。

圖3 受剪力作用預(yù)埋件破壞模式

2.2.1 受剪錨筋的鋼材強(qiáng)度

預(yù)埋件中群錨的鋼材抗剪強(qiáng)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(qiáng)度

對(duì)于垂直于構(gòu)件邊緣作用在一組群錨上的剪力，群錨受剪時(shí)的混凝土抗崩裂強(qiáng)度為：

式（9）中：AVco為到構(gòu)件邊緣的距離大于或等于1.5hef的單個(gè)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(gòu)件邊緣處破壞面的投影面積，基于半椎體的投影來(lái)計(jì)算（圖4）。單個(gè)錨筋受剪時(shí)混凝土的基本抗崩裂強(qiáng)度Vb、受剪力偏心作用的群錨的調(diào)節(jié)系數(shù)ψec，V、群錨考慮邊緣效應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)ψed，V等可按規(guī)范相關(guān)規(guī)定計(jì)算。對(duì)于平行于構(gòu)件邊緣作用于預(yù)埋件的剪力，Vcbg取式（9）確定的混凝土抗崩裂強(qiáng)度的2倍。

圖4 AVco、 AVc的計(jì)算

2.2.3 受剪錨筋的混凝土抗剪撬強(qiáng)度

受剪錨筋的混凝土抗剪撬強(qiáng)度為：

預(yù)埋件受剪力作用時(shí)，混凝土抗剪橇強(qiáng)度即抗沖切強(qiáng)度的計(jì)算建立在混凝土抗拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，式（10）中：kcp是考慮錨筋有效埋深的修正系數(shù)。

2.3 受拉力、剪力共同作用預(yù)埋件計(jì)算

預(yù)埋件在同時(shí)受拉力和剪力作用時(shí)，不僅需要分別驗(yàn)算抗拉承載力和抗剪承載力，還要考慮兩者的相關(guān)性，按（11）式的拉力-剪力相關(guān)方程進(jìn)行驗(yàn)算。若起控制作用的受剪強(qiáng)度Vua/ΦVn≤0.2，則應(yīng)允許取用全部受拉強(qiáng)度：ΦNn≥Nua；若起控制作用的受拉強(qiáng)度Nua/ΦNn≤0.2，則應(yīng)允許取用全部受剪強(qiáng)度：ΦVn≥Vua；若起控制作用的受剪強(qiáng)度Vua/ΦVn＞0.2且起控制作用的受拉強(qiáng)度Nua/ΦNn＞0.2，則應(yīng)符合下式要求：

3 中美規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)對(duì)比

中國(guó)規(guī)范與美國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)方法存在較大的差異，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1 設(shè)計(jì)原理

中國(guó)規(guī)范根據(jù)預(yù)埋件的荷載條件，按公式（1）～（4）計(jì)算所需錨筋最小總截面面積，據(jù)此確定錨筋的直徑和數(shù)量，同時(shí)滿足規(guī)范在錨筋間距、錨固深度、錨板厚度等方面的構(gòu)造規(guī)定，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單明了。中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件計(jì)算公式通過(guò)相關(guān)系數(shù)考慮了錨筋分布、錨板彎曲變形、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等對(duì)預(yù)埋件承載力的影響，但未能反映錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及荷載的傳遞機(jī)理，也未進(jìn)行預(yù)埋件的破壞模式分析，是基于試驗(yàn)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式。

美國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)建立在對(duì)錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及潛在破壞模式分析基礎(chǔ)上，已得到試驗(yàn)的驗(yàn)證并結(jié)合試驗(yàn)資料對(duì)相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算公式予以修正，使預(yù)埋件設(shè)計(jì)更加合理。對(duì)于特定的預(yù)埋件，通過(guò)計(jì)算其各種破壞模式對(duì)應(yīng)的臨界強(qiáng)度，可確定其抗拉承載力和抗剪承載力。當(dāng)拉剪荷載共同作用時(shí)可基于兩種受力模式的相關(guān)性進(jìn)行承載力驗(yàn)算，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程理論充分、概念清晰。

3.2 構(gòu)造規(guī)定

中國(guó)規(guī)范對(duì)預(yù)埋件錨筋間距、錨固長(zhǎng)度、錨筋直徑及錨板厚度等都作出了較為詳細(xì)的規(guī)定，而美國(guó)規(guī)范的預(yù)埋件設(shè)計(jì)以強(qiáng)度計(jì)算為主，構(gòu)造規(guī)定相對(duì)較少。如中國(guó)規(guī)范明確規(guī)定受拉直錨筋錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于該規(guī)范第8.3.1條規(guī)定的受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度，而美國(guó)規(guī)范僅對(duì)膨脹型或擴(kuò)孔型后置錨栓的埋置深度作出明確規(guī)定，對(duì)預(yù)埋錨筋則未作規(guī)定。對(duì)于受剪預(yù)埋件，中國(guó)規(guī)范規(guī)定預(yù)埋件錨筋至構(gòu)件邊緣的距離不應(yīng)小于6d和70mm，美國(guó)規(guī)范錨筋與混凝土邊緣的距離對(duì)于不受扭矩作用預(yù)埋件為不小于鋼筋保護(hù)層厚度，一般為20～75mm，小于中國(guó)規(guī)范的規(guī)定，因?yàn)槊绹?guó)規(guī)范混凝土抗崩裂計(jì)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(guó)規(guī)范對(duì)于抗震設(shè)防類別為C、D、E、F類建筑規(guī)定應(yīng)考慮地震荷載對(duì)預(yù)埋件的影響，對(duì)于受拉力預(yù)埋件，當(dāng)錨筋因地震作用產(chǎn)生的拉力超過(guò)其總拉力的20 %時(shí)，除錨筋鋼材強(qiáng)度外，錨筋的混凝土抗崩裂強(qiáng)度、錨筋抗拔出強(qiáng)度、混凝土抗側(cè)面爆裂強(qiáng)度均應(yīng)乘以地震折減系數(shù)0.75；對(duì)于受剪預(yù)埋件，當(dāng)錨筋因地震作用產(chǎn)生的剪力超過(guò)其總剪力的20 %時(shí)，應(yīng)采取加大錨板厚度等措施使之能有效傳遞錨筋剪力。中國(guó)規(guī)范用于計(jì)算錨筋最小截面面積的荷載效應(yīng)中雖未包含地震作用，但規(guī)范對(duì)于考慮地震作用的預(yù)埋件提出構(gòu)造加強(qiáng)措施，如將錨筋截面面積在計(jì)算基礎(chǔ)上增大25 %、適當(dāng)增大錨板厚度、將錨筋的錨固長(zhǎng)度增加10 %及在靠近錨板處設(shè)置封閉箍筋等。

4 工程實(shí)例計(jì)算分析

越南某項(xiàng)目轉(zhuǎn)運(yùn)站為3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(zhuǎn)運(yùn)站樓面共布置有8條皮帶機(jī)的頭架或尾架設(shè)備。以下對(duì)其中兩塊受荷較大的頭架預(yù)埋件按美國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范分別進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。預(yù)埋件M-1平面布置如圖5所示，預(yù)埋件M-1按美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)大樣見圖6。

圖5 預(yù)埋件M-1布置

圖6 預(yù)埋件M-1詳

4.1 實(shí)例計(jì)算

預(yù)埋件錨筋采用ASTM A615 Grade 40級(jí)鋼筋，其最小抗拉強(qiáng)度為420 MPa，混凝土強(qiáng)度按美國(guó)規(guī)范取值為35 MPa，鑒于兩國(guó)規(guī)范混凝土與鋼筋強(qiáng)度取值方法及保證率不同，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算時(shí)已對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)度換算。轉(zhuǎn)運(yùn)站抗震設(shè)防類別為B類，預(yù)埋件計(jì)算時(shí)不考慮地震作用。頭架預(yù)埋件按美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果見表 1，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果見表 2，表中荷載系數(shù)、強(qiáng)度折減系數(shù)等分別按相應(yīng)規(guī)范取值。

表1 美國(guó)規(guī)范預(yù)埋件計(jì)算

表2 中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件計(jì)算

對(duì)于受拉力和剪力共同作用的預(yù)埋件，美國(guó)規(guī)范以簡(jiǎn)化的三折線相關(guān)曲線反映拉力與剪力的相關(guān)性，預(yù)埋件M-1的Nn～Vn相關(guān)曲線見圖7。按中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的M-1的N～V曲線見圖8（根據(jù)皮帶機(jī)頭架支腿受力特點(diǎn)，僅考慮預(yù)埋件外側(cè)兩排錨筋承受拉力作用），可通過(guò)曲線與N、V所確定的坐標(biāo)點(diǎn)的位置關(guān)系來(lái)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(jì)算結(jié)果分析

由表1可知，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算預(yù)埋件錨筋的混凝土抗崩裂強(qiáng)度較小，這是緣于美國(guó)規(guī)范的預(yù)埋件設(shè)計(jì)是基于素混凝土條件。本實(shí)例預(yù)埋件均設(shè)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(dǎo)致預(yù)埋件錨筋的邊緣效應(yīng)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(jì)算的混凝土抗崩裂強(qiáng)度較小。美國(guó)規(guī)范第 17.3.2.1條規(guī)定：當(dāng)按規(guī)范相關(guān)要求配置附加鋼筋有效約束混凝土崩裂破壞面時(shí)無(wú)需計(jì)算混凝土抗崩裂強(qiáng)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(duì)混凝土崩裂面形成有效約束，因此本實(shí)例可不考慮混凝土抗崩裂強(qiáng)度。

按美國(guó)規(guī)范計(jì)算的兩個(gè)預(yù)埋件均以錨筋的抗拔出強(qiáng)度作為抗拉承載力，以受剪錨筋的混凝土抗剪撬強(qiáng)度作為抗剪承載力；中國(guó)規(guī)范錨筋截面面積計(jì)算公式雖然考慮了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、錨板變形等因素，但總體上以錨筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為主要控制指標(biāo)。對(duì)比圖7和圖8可知，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的抗拉和抗剪承載力分別是美國(guó)規(guī)范相應(yīng)計(jì)算值的1.25和1.42倍，但這并不說(shuō)明前者預(yù)埋件設(shè)計(jì)安全度高于后者，由于中國(guó)規(guī)范未全面驗(yàn)算與混凝土潛在破壞模式相應(yīng)的各項(xiàng)強(qiáng)度，僅以錨筋的鋼材抗拉或抗剪強(qiáng)度來(lái)衡量預(yù)埋件設(shè)計(jì)的安全度是不全面的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)美國(guó)規(guī)范與中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析比較，得出主要結(jié)論如下：

1）美國(guó)規(guī)范根據(jù)錨筋與混凝土之間的荷載傳遞機(jī)理及潛在破壞模式進(jìn)行各項(xiàng)強(qiáng)度計(jì)算以確定預(yù)埋件承載力，當(dāng)拉剪荷載共同作用時(shí)通過(guò)拉力-剪力相關(guān)方程進(jìn)行承載力驗(yàn)算；中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件設(shè)計(jì)計(jì)算與構(gòu)造并重，未反映錨筋和混凝土的受力狀態(tài)及荷載的傳遞機(jī)理，是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

2）美國(guó)規(guī)范預(yù)埋件計(jì)算包含地震作用參與的荷載組合，中國(guó)規(guī)范預(yù)埋件計(jì)算未考慮地震作用，僅從構(gòu)造措施上予以加強(qiáng)。

3）不管依據(jù)中國(guó)規(guī)范還是美國(guó)規(guī)范，均建議在錨筋配置滿足計(jì)算要求的基礎(chǔ)上加強(qiáng)構(gòu)造措施，如加大錨筋距混凝土邊緣距離、設(shè)置抗剪角鋼、配置附加鋼筋等，以提高預(yù)埋件設(shè)計(jì)的安全度。

［1］GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)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(jí)工程師，主要從事港口工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理工作。