试议钢筋混凝土结构预埋件锚板厚度

姜忠国，张顺宇

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

1 《混凝土结构设计规范》相关规定

锚板厚度应根据受力情况计算确定，且不宜小于钢筋直径的60%；受拉和受弯预埋件的锚板厚度宜大于b/8（b为锚筋间距）。

以受拉预埋件为例，其承载力计算公式为：

式（1）、式（2）中，N为法向拉力设计值；αb为锚板的弯曲变形折减系数；fy为锚筋的抗拉强度设计值；As为锚筋的总截面面积；t为锚板厚度；d为锚筋直径。

2 《金属与石材幕墙工程技术规范》（旧版本）相关规定

锚板的厚度应大于锚筋直径的0.6 倍；受拉和受弯预埋件的锚板厚度尚应大于b/12（b为锚筋间距），且锚板厚度应不小于8mm。

3 《钢筋混凝土结构预埋件》（16G362）标准图集相关规定

轴心受拉承载力设计值Nu计算公式：式（3）、式（4）中，Nu为轴心受拉承载力设计值；K1为承载力折减系数；αb为锚板弯曲变形折减系数（当bs/t≤8 时，取bs/t=8；当采取措施防止锚板弯曲变形时，可取αb=1）；bs为锚板弯曲变形折减宽度[锚筋为双排时，bs=b；锚筋为3 排时，bs=（1.2～1.5b）]。

一般情况下，宜控制bs≤16t（当锚筋为2 排时，取bs≤12t），且应使t≥0.6d。如受拉时锚板不产生弯曲变形，例如，连接上承式钢牛腿时，则αb=1【1】。

4 标准图集与混凝土规范的不同点

比较式（1）和式（3），标准图集中增加了承载力折减系数K1，主要考虑抗震及疲劳因素。

式（2）和式（4）有差别，式（4）是对规范中的计算公式的修正，当bs/t=8 时，式（4）即变为式（2），与规范一致。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）的规定，受拉和受弯预埋件的锚板厚度宜大于b/8。考虑到混凝土规范中要求为宜而不是应，以及《金属与石材幕墙工程技术规范》规定预埋件的锚板厚度应大于b/12，通过总结大量试验数据以及结合以往的工程经验，标准图集为扩大使用范围，在设计中考虑了b/t大于8 的情况，及锚筋为3 排时的折减宽度bs，对锚板的弯曲变形折减系数αb进行了修正（注：该修正是在对包头钢铁设计院做的18 组50 个试验，分别取b/t=8～8.5 和b/t=12～15 的试验数据进行分析而得出的）。

下面以图集中的M1-101 为例，分别采用规范中的计算公式及图集中的计算公式进行计算，比较两者的差异。锚板尺寸为120mm×120mm，锚筋4 根φ10mm，b=60mm，当锚板厚度分别为6mm 与8mm 时，其承载力如表1 所示。

表1 不同板厚及b/t 情况下弯曲变形折减系数及拉力值

从表1 可以看出，当b/t＞8 时，可以采用图集公式得到小于规范公式的承载力结果，符合规范对锚板厚度的建议。

5 预埋件试验数据与标准图集的对比

为了说明问题，现将华北电力设计院于1971 年3 月做的2 组受拉预埋件和2 组拉弯剪预埋件试验数据、同济大学1997 年12 月现场做的1 组幕墙预埋件试验数据以及中国建筑科学研究院于2015 年5 月做的6 组预埋件试验数据与按《钢筋混凝土结构预埋件》标准图集计算公式的计算结果进行对比。

5.1 华北院试件

各试件试验结果与按图集公式计算的比较见表2

表2 各试件试验结果与按图集公式计算的比较

5.2 同济大学试件

上海嘉里商务中心幕墙预埋件现场试验，随机抽取6 只埋件，锚板-250mm×200mm×10mm，锚筋4 根φ10mm 螺纹钢，b/t=12，t/d=1.0，锚入长度250mm，混凝土C30。施加荷载（N=49.44kN，V=5.914kN）时，锚板变形-0.05～0.18mm，施加1.5 倍荷载时，锚板变形0.04～0.46mm。

试验报告主要结论：

1）由于锚筋实际位置存在偏差，在使用荷载作用下锚板中心有负变形；

2）埋件在设计荷载和最大荷载作用下的位移几乎是没有的，埋件平面外的变形是由于锚板的弯曲变形，数量极少；

3）被抽检的6 只幕墙埋件全部满足在设计荷载和最大荷载作用下的强度要求【2】。

按照图集公式计算，其结果为Nu=45.8kN，Vu=5.5kN，均小于实际施加的最大拉力和剪力。

5.3 建研院试件

中国建筑科学研究院于2015 年共做了6 组（12 个）预埋件试验，预埋件试件参数及变形情况见表3。

表3 试验试件规格及试验结果一览表

试验报告主要结论如下：

变形量测结果表明，在荷载加至拉力预估值时，各试件的锚板变形很小，所有试件的锚板及锚筋的测点布置均没有屈服，在极限荷载作用下，大部分试件的锚板的测点布置处均没有屈服，锚筋中部均未出现屈服，锚筋根部均屈服。

实验中采用有限元对M4 预埋件锚板变形进行分析，分析得到的变形结果和实测值对比见图1。根据有限元计算结果，锚板四周的撬力在锚板边缘很小的范围内分布，撬力约为锚板相同变形条件下承载力的26.6%。

图1 锚板变形有限元分析结果与实测值对比

通过以上6 组试验数据看出，按图集计算公式得出的结果均小于实际施加的拉力。

综合以上各组试验结果，按照标准图集中的计算公式得出的承载力计算结果与试验数据比较一致，锚板厚度取值较合理，预埋件是偏于安全的。

6 预埋件锚板厚度的构造要求以及如何建立计算模型

在标准图集的使用过程中，有的设计人员或者专家提出，在拉、弯、大偏心的外力作用下板厚远远不能满足GB 50011—2017《钢结构设计规范》的强度要求，锚板厚度t不符合混凝土规范中b/8 的构造要求。

实际工程中受拉预埋件的受力性能与锚板的构造有关。如锚板的刚度很大，锚板在拉力作用下不会发生弯曲变形，锚筋处于中心受拉状态。如锚板的刚度较小，锚板则会发生弯曲变形，锚筋除受拉外，在锚筋根部尚会发生剪切变形，使锚筋承受因锚板弯曲变形引起的内剪力，混凝土受到锚筋的局部挤压。剪切变形的大小与锚板的弯曲程度有关，而且钢筋在受拉端的应力最大，离受拉端的距离越大，应力越小。

预埋件锚板不是简支的受弯构件，而是四边为弹性支承的拉弯构件。这种拉弯构件的变形与内力的关系比较复杂，为复合受力状态。关于预埋件的受力破坏情况，我国各大设计院及院校过去都做过大量的试验，提出并总结出了一些经验计算公式，在此基础上，不同的行业都编制了适用于各自行业的预埋件图集。《钢筋混凝土结构预埋件》标准图集的编制工作是在满足我国规范、参考外国规范以及总结各种试验数据的基础上完成的。从几十年的工程实践看，还没有因锚板厚度不够而发生工程事故的情况。

通过大量的工程实例以及预埋件试验数据的分析与研究，预埋件与混凝土黏结成一个整体，成为组合构件，在拉弯作用下，作为一个独立的受力钢构件，其受力比较复杂。到目前为止，关于锚板计算的相关讨论比较少，一般情况下按构造要求确定锚板厚度。

有建议采用简支梁模式计算，但笔者认为不妥。可以将锚板简化看作四边为弹性支承的弹性矩形板（简称弹性板），在外拉力作用下弹性板中间部分受拉，锚筋以外部分受混凝土的挤压。

下面以华北院试件二及图集M1-104 为例，按弹性板对锚板的强度进行计算。预埋件受力及计算简图见图2，预埋件尺寸见图3，拉力板厚8mm。

电力安全工器具的管理需要资金和人员的投入的，对安全工器具管理资金投入很少的时候，就会使得安全工器具的存放环境得不到保障，安全工器具管理室、有干燥功能的存放柜等存放设施等配置不到位；要对电力安全工器具的功能、特性等十分的了解，这样才会更好的管理安全工器具，但是在人员的配置上不是很合理，其知识、能力有限，往往难以满足电力安全工器具管理的要求。

图2 锚板受力及计算简图

图3 预埋件详图

例题1，华北院试件二，锚板-200mm×200mm×10mm，b/t=12，锚筋4 根φ12mm 螺纹钢，N=78kN；

例题2，图集M1-104，锚板-150mm×120mm×10，b/t=6，锚筋4 根φ12mm HRB400 级钢，Nu=87.76kN；

表4～6 列举了华北院试件、建研院试件、《混凝土结构构造手册》（第四版）[例题14-1]等例子按上述计算方法的计算结果，计算取不同锚筋直径及锚板厚度，计算方法分别按弹性板和构造手册算法（简支梁）进行对比。数据显示，按四边支承的弹性板计算得到的试件锚板应力大于钢材的强度设计值，有的甚至达到2倍多，但远小于按简支梁计算的结果。

对比试件的试验情况，锚板仅出现了变形，并没有破坏或拉断。计算结果偏大的原因是由于还有一些因素没有考虑进去，如预埋件与混凝土的相互作用等。另外，锚板产生一定的变形并不影响其使用，因此，有资料建议，可按塑性阶段计算，即锚板的截面抵抗矩可按At2/4 考虑，这样的话，弹性板计算模型与试验数据基本吻合，更贴合工程实践。

表4 华北院试件不同加载阶段锚板应力分别按简支梁和弹性板模式计算对比

表5 建研院试件按简支梁及弹性板计算结果对比

表6 构造手册[例题14-1]不同板厚及锚筋按简支梁和弹性板计算结果对比

以上2 种计算方法得到的结果差别较大，按弹性板模式（可考虑塑性）计算更接近试验结果及工程实践。当锚板厚度大于锚筋直径，且满足大于b/12 的情况下，锚板的变形及应力均很小。

如果按照弹性板模式计算的话，《混凝土结构构造手册》（第四版）[例题14-1] 锚板厚由12mm 改为8mm，锚筋8 根φ8mm 改为8 根φ12mm，[例题14-7]和[例题14-9]锚板厚由16mm 改为10mm，[例题14-8]和[例题14-10]锚板厚不变，钢材均为Q235B 级钢，就可满足强度要求【3，4】。

通过比较，《混凝土结构构造手册》（第四版）关于受拉及受弯预埋件锚板应力按简支梁计算有待商榷，其计算结果与预埋件试验数据及工程实践差别较大。

结合以上计算结果及《金属与石材幕墙工程技术规范》旧版本，建议受拉和受弯预埋件的锚板厚度不宜小于锚筋直径的70%或b/12（b为双排锚筋的间距）。