混凝土后锚固连接在工程中的应用

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摘要：后锚固是通过技术手段在既有混凝土结构上的锚固，是相对于浇筑混凝土时预埋件命名的。后锚固连接不仅为施工完成的混凝土结构上后做钢结构提供了可能，也为解决不满足原有设计需求，需要重新在混凝土中加埋件提供了解决方案。后锚固连接虽然灵巧，施工方便，但是在实际应用中存在计算设计不规范的问题。本文将结合具体工程实例，验证混凝土后锚固连接技术的应用方法，也为当下类似项目提供一定参考。

关键词：后锚固;锚栓;植筋;锥体破坏;边缘受剪破坏

引言

随着对混凝土上钢结构造型的需求日益增多，如钢雨蓬、钢屋架、幕墙等，后锚固的应用场景也日益广泛。本文以工程实例的形式，就技术分类、适用范围、设计原则和施工验收等方面进行后混凝土锚固连接的分析。

1 后锚固技术类型

后锚固中与混凝土发生连接的连接件统称为锚栓，其可以将钢连接件锚固到已浇筑的混凝土上。锚栓按照工作原理和结构的不同可以分为机械锚栓、化学锚栓、植筋。

1.1 机械锚栓

机械锚栓是利用锚栓螺杆与锚孔之间的摩擦或锁键形成锚固，按照工作原理又可分为膨胀型锚栓和扩底型锚栓。

膨胀型和扩底型锚栓材质宜为碳素钢、合金钢、不锈钢或高抗腐蚀不锈钢。应根据后锚固连接使用环境条件的差异及耐久性要求等因素的不同，选用相应的品种。

1.2 化学锚栓

化学锚栓由金属螺栓和锚固胶组成，通过锚固胶形成锚固作用的锚栓，可分为普通化学锚栓和特殊倒锥形化学锚栓。

化学锚栓的螺杆和锚固胶需通过实验搭配使用以发挥最佳性能。锚固胶应根据使用对象和现场条件选用管装式或机械注入式。

1.3 植筋

植筋宜采用性能符合国家标准《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》GB 1499.2-2007规定的HRB400级钢筋。螺杆应采用全螺纹螺杆。

工程中，锚栓多用作结构连接件承受荷载，根据不同受力状态和所在地区地震烈度，可按照不同种类确定适用范围。

2 适用范围

在选用后锚固锚栓时，不仅要考虑其本身的性能，还要考虑诸多其他因素，如混凝土的形状、受力连接件的状态，连接构件是为结构构件、抗震设防烈度等。

大部分机械螺栓主要运用于非结构构件的后锚固连接，少数用于受压、中心受剪等结构构件的后锚固，不能用于受拉、边缘受剪等结构构件，相比于化学锚栓和植筋，其应用范围较窄。由于现有工程中，后锚固连接件多作为结构构件，承担钢结构向主体混凝土结构传递荷载的作用，现以此为基础，将锚栓作为结构连接件总结为以下适用范围。

3 设计原则

3.1 后锚固连接设计流程

后锚固的可靠性相比于预埋件有较大差距，其破坏形态分为多种。破坏形态与受力状态息息相关，因此后锚固连接件设计中最优先考虑的是锚栓的受力状态和荷载类型等因素。

3.2 工程实例一

在工程设计中，会遇到混凝土主体结构中施工完成后，需要后安装钢雨蓬的情况。若没有此时雨蓬上的悬挑钢梁根部没有预埋件，需进行后锚固设计。本节以青岛某购物中心后期深化钢雨蓬为例，进行后锚固连接件的设计。

实际工程中，青岛抗震设防烈度为7度，修正后的基本风压为0.6kN/m²，非开裂混凝土强度等级C30，在屋面混凝土边梁（尺寸400mmx800mm）上采用后锚固连接技术增加钢雨蓬，钢雨蓬悬挑长度为1m，钢雨蓬钢梁布置间距为1m。

由于混凝土表面无密集配筋，采用的连接件为结构构件，锚栓受力状态为弯剪复合受力，可选择特殊倒锥形化学锚栓进行承载力验算。

3.2.1 锚栓连接内力计算

钢雨蓬钢梁产生的弯矩和剪力

钢雨蓬面荷载标准值：恒载D=1.0kN/m²，活载L=0.5kN/m²

风压产生的风荷载ωk=ω₀·μs·μz·βgz =2.3 kN/m²

其中，基本风压ω₀=0.6 kN/m²

风荷载体型系数μs =1.0（正风）

阵风系数μz =1.14

阵风系数βgz =1.0

钢雨蓬钢梁两侧附属宽度取2m，悬挑长度1m，则剪力设计值为：V=1.3D+1.5L+1.5Lw=11kN，方向向下

弯矩设计为：M=0.5xVx1=5.5 kN·m

则1号、2号锚栓承受的拉力设计值为：N_sd=M/2s=11kN

其中，锚栓间距s=250mm

1号、2号锚栓承受压力，压力由混凝土基材承担，无需进行受压承载力验算。

3.2.2 锚栓承载力验算

拟采用特殊倒锥形化学锚栓，钢材8.8级，型号M12x60，其参数为：

As=84.3mm²，h_ef=80mm，l_f=80mm，

d_com=12mm，c_cr，N=160mm，s_sr，N=240mm，

c_min=80mm，s_min=80mm，c_cr，sp=160mm，s_cr，sp=240mm

a.锚栓钢材受拉承载力

锚栓受拉承载力设计值：

N_Rk，s=f_ykAs/γ_RS，N=44.96kN>2.75kN（1号锚栓拉力设计值），满足要求

b.群锚混凝土锥体破坏受拉承载力

群锚混凝土锥体破坏受拉承载力设计值：

N_Rd，c= N_Rk，c /γ_Rc，N=43.6kN>11kN，满足要求

剪力角度对受剪承载力的影响系数 ψ_α，V=1.0

锚固区配筋对受剪承载力的影响系数ψ_re，V=1.0

荷载偏心对群锚受剪承载力的影响系数ψ_ec，V=1.0

混凝土边缘破坏受剪承载力分项系数γ_Rc，V =1.5

e.混凝土剪撬破坏受剪承载力

采用混凝土锥体破坏受拉承载力标准值N_Rk，c计算剪撬破坏

V_Rd，cp= V_Rk，cp /γ_{Rcp c}=59.9kN>11kN，满足要求

V_Rk，cp=k N_Rk，c=89.9kN

其中，锚固深度h_ef对V_Rk，cp的影响系数，当h_ef>60mm时，取k=2

混凝土剪撬破坏受剪承载力分项系数γ_Rcp=1.5

计算剪撬破坏时，应取4个锚栓受剪进行验算，而算例中2个锚栓已满要求，有较大的安全冗余度。

3.3 工程实例二

后锚固连接技术在幕墙设计中也有着广泛的应用。本项目位于天长市，设计中需要在混凝土边梁上设置后锚固连接，为钢结构提供受力点，外围幕墙龙骨搭接在钢结构墙梁上。

本工程中，天长市抗震设防烈度为7度，修正后的基本风压为0.4kN/m²，非开裂混凝土强度等级C30，在混凝土边梁（尺寸400x1000）上采用后锚固连接。

由于混凝土表面无密集配筋，采用的连接件为非结构构件，锚栓在幕墙重力荷载、风荷载作用下受力状态为拉、弯、剪复合受力，可选择机械锚栓进行承载力验算。

3.3.1 锚栓连接内力计算

由3D3S模型中整体计算，提取其中一处后锚固连接处的设计值，其中拉力N=5KN，弯矩M=12kN·m，剪力V=10kN

由图中受力状态可知，1号、2号锚栓受拉，其设计值为：

由于h<10hef锚栓受剪破坏只需考虑下端边缘的3号、4号锚栓，其每个锚栓剪力设计值为

3.3.2 锚栓承载力验算

拟采用FZA型后扩底M16机械锚栓，钢材8.8级，其参数为：

As=157mm²，h_ef=100mm，h_min=200mm，d_nom=22mm，

l_f=80mm，c_cr，N=200mm，s_sr，N=400mm，

c_min=80mm，s_min=80mm

a.锚栓钢材破坏受拉承载力

锚栓钢材破坏受拉设计值

N_Rd，s=f_ykAs/γ_RS，N=83.7kN>11.3kN（1号锚栓拉力设计值），满足要求

b.群锚混凝土锥体破坏受拉承载力

3.4 控制因素分析

对两个工程案例进行计算后，可以发现对于在梁上进行后锚固连接，锚栓的抗弯和抗剪都有较大余量，后锚固连接件主要受剪力较大，群锚栓混凝土边缘破坏受剪承载力起主要控制作用，其大小与锚栓到混凝土边缘的距离、混凝土梁的宽度有很大关系。而工程中一般后锚固连接处为混凝土梁，若没有提前预留后锚固位置，很可能造成混凝土梁的边缘受剪破坏。

现根据工程中常见情况，选用化学锚栓M16，取锚栓间距200mm，锚固深度100mm，根据不用的混凝土梁基材尺寸，可得到下面折线图。

根据图中数据可以看出，在梁高较低，梁宽为300mm时，锚栓距离混凝土边缘仅有100mm时，抗剪承载力设计值仅有53kN。因此，后锚固连接设计中，对后锚固基材的尺寸应根据荷载提前进行设计，避免出现无法满足抗剪承载力的要求。

4 结束语

本论文主要结合实际的工程事例，将后锚固连接技术的计算方法做了详尽的分析与论述，为后锚固连接技术的推广与使用奠定理论基础与依据，有利于推动技术的推广与发展进步。

参考文献

[1]JGJ 245-2013混凝土结构后锚固. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]14G308 混凝土后锚固连接. 中国计划出版社，2014

[3]GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]刘轶.后锚固技术在混凝土结构中的应用. 包头：包头市工程质量检测中心.2013

作者简介：焦世钊，男，上海，硕士研究生，初级工程师，建筑结构工程