您来到这里可能是因为您使用工程软件设计了锚地, 一项或多项检查失败, 并且你不确定接下来要改变什么.
本教程是为想要了解的新工程师和工程专业的学生编写的 ACI 下的锚杆失效模式 318-19 以及如何逻辑地调整设计. 这不是代码的替代品. 完整的规定和要求, 总是参考 ACI 318-19 章节 17.
这里的目标是帮助您认识到 什么是失败的, 为什么它失败了, 和 哪些设计参数实际上增加了容量, 而不是随机改变输入.
如果您想了解如何在设计工作流程中逐步应用这些检查, 您还可以参考 SkyCiv 底板设计软件, 它报告所有 ACI 锚点检查以及完整的计算.
什么是锚?
锚通常是嵌入混凝土中的钢棒，用于连接另一个结构元件, 最常见的是钢基板. 锚传递张力, 剪力, 或从钢材到混凝土支撑的合力.
锚栓常见按安装方式分类.
预埋锚栓
预埋锚栓在浇注混凝土之前放置，并随着混凝土硬化而嵌入.
后安装锚栓
通过钻孔并将后装锚栓安装到硬化混凝土中，并使用:
- 机械膨胀
- 粘合剂或化学粘合
哪一个更好?
这两种锚类型本质上都不是更好. 选择取决于可施工性, 项目限制, 和可用性. 例如, 如果将钢柱添加到现有板或基础上, 预埋锚不再是一种选择, 通常使用后安装锚.
可用性也很重要, 作为锚点类型, 尺寸, 和安装限制取决于制造商的供应. 常见的锚栓厂家有 喜利得, 德瓦尔特, 和 费舍尔, 每个都提供不同的机械和粘合剂锚固系统以及产品特定的设计数据和安装要求.
单个锚点与锚点组
当锚点检查失败时, 故障并不总是只发生在一个锚点上. 取决于布局, 失效可能发生在单个锚点或一组共同作用的锚点上. ACI 318 做出这种区分是因为控制故障模式和容量可能有很大不同.
失败是否被评估为 单锚失效 或一个 锚定组失效 主要取决于 投影破坏面的重叠. 这种重叠通常由锚点间距控制, 埋置深度, 和边距.
在设计过程中可视化此行为, 工具，例如 SkyCiv 底板设计软件 显示预计失效区域并自动确定锚点是单独评估还是根据几何形状作为一组进行评估.
单锚
如果锚栓间距较宽或埋置深度较浅, 他们的预计失效区域不重叠. 在这种情况下, 在单个锚点级别评估失效. 一个锚点可能会在相邻锚点没有显着贡献的情况下达到其极限.
锚群
当锚栓放置得更近且嵌入深度足够时, 它们的预计破坏面重叠. 在这种情况下, 具体限制了整个团体的能力, 当组合预计失效面积达到其极限时，就会发生失效. 群体容量不等于单个锚点容量之和.
这种区别至关重要，因为一些 ACI 张力和剪切检查会根据失效是由单个锚固件还是由锚固件组控制而明显变化. 错误地识别控制故障类型可能会导致不保守或过于保守的设计.
设计示例
设计实例说明 单锚点和锚点组失败 可以在 SkyCiv 底板设计资源中找到. 这是由以下人员执行的一组设计检查示例： SkyCiv 底板设计软件.
根据 ACI 进行锚固张力检查 318-19
当锚受到拉力时, ACI 318-19 需要多次检查. 每个检查对应不同的物理故障机制. 一旦你了解了这个机制, 调整设计变得更加容易.
钢的拉伸强度
锚杆钢校核考虑锚杆钢的屈服和断裂.
如何提高钢材的拉伸能力
选择较大的锚栓直径
更大的直径提供更大的拉伸面积. 用于直径选择, 许多工程师从以下范围开始 1/2 英寸至 3/4 英寸. 如果需求高于预期, 增加直径. 这种判断力会随着经验的积累而提高.
增加锚固材料强度
较高的材料等级会增加容量，但也会增加成本。常见的锚固材料包括 ASTM F1554. 实用的设计方法是从较低的等级开始，例如 Grade 36, 然后增加到等级 55 或等级 105 仅当需求需要时.
提供更多锚点
如果锚栓直径和材料等级已经最大化并且钢张力检查仍然起作用, 在同一行中添加更多锚点可能是一种选择. 这通常需要调整间距, 边缘距离, 或底板尺寸. 允许添加额外的行, 但它改变了负载分布并且应该是 仔细评估.
容量方程:
\( N_{至} = A_{我知道,ñ} F_{乌塔} \)
混凝土拉伸断裂强度
当混凝土的锥形部分与支撑分离时，就会发生混凝土破裂. 在这种情况下, 锚钢完好无损, 但周围的混凝土失效了.
这种失效模式适用于带头锚, 膨胀锚栓, 螺旋锚栓, 和底切锚栓.
如何提高混凝土破碎能力
增加嵌入深度
理想的破碎锥体是从锚栓的嵌入端延伸到混凝土表面. 增加嵌入深度可扩大锥体并显着提高容量. 嵌入深度还直接增加了 ACI 定义的基本突破强度.
增加锚杆间距
紧密间隔的锚限制了预计失效区域的宽度. 增加间距可实现更大的有效突破区域, 特别是对于锚定团体.
增加边缘距离
放置在边缘附近的锚无法形成完整的突破锥体. 增加边缘距离通常会导致容量显着增加.
使用更高强度的混凝土
从较低等级混凝土升级到较高等级混凝土可提高基本突破强度，并且在几何形状受到限制时通常很有效.
适当时假设混凝土不开裂
未开裂的混凝土提供略高的容量. 只有在合理的情况下才应使用该假设, 因为它改变了设计假设.
提供旨在承受张力的加固
当钢筋经过明确设计和详细设计以承受锚固拉力时, 混凝土突破检查可能会被免除. 这一定是一个有意的设计决定, 不是一个假设.
单锚的容量方程:
\( N_{CB} = frac{一个_{数控}}{一个_{记住}} \psi_{编辑,ñ} \psi_{C,ñ} \psi_{cp,ñ} N_b \)
锚定组的容量方程:
\( N_{背景} = frac{一个_{数控}}{一个_{记住}} \psi_{欧共体,ñ} \psi_{编辑,ñ} \psi_{C,ñ} \psi_{cp,ñ} N_b \)
锚杆抗拉强度
当锚杆从混凝土中拉出但未形成完整的脱离锥体时，就会发生拉拔失效. 该检查适用于预埋锚栓和某些后装机械锚栓，并进行评估 仅单个锚点.
对于后安装锚栓, 容量通过实验测试确定. 用于预埋锚栓, 容量通常基于锚尺寸.
在铸入式带头螺柱中, 容量由嵌入端的轴承控制, 当处于钩状锚中时, 由有效钩长控制.
如何修复拔出故障
使用更宽或更厚的嵌入板或更大的螺栓头 (有头锚)
对于带有嵌入式端部的锚栓, 增加承载面积提高承载能力. 使用嵌入式板时, 增加板材尺寸或厚度. 适用于带有嵌入式头部或螺母的锚栓, 在嵌入端选择较大的头部或螺母会增加轴承面积.
延长锚钩或增加杆直径 (钩状锚)
短钩或小锚杆可能导致拉出, 即使混凝土锥体没有失效. 更长的钩子或更大的杆可增加容量并降低拉出的风险.
使用更高强度的混凝土
从较低等级混凝土升级到较高等级混凝土可提高抗拉强度，并且在几何形状受到限制时通常很有效.
适当时使用不开裂混凝土
未开裂的混凝土提供更好的抗拔性. 仅当设计条件证明合理时才应假设这一点.
拉出故障通常通过改善轴承条件而不是改变间距或边缘距离来解决.
头部容量方程:
\( N_{pn} = psi_{C,p} N_p \)
哪里,
\( N_p = 8A_{brg}f_c’ \)
Hooked 的容量方程:
\( N_{pn} = psi_{C,p} N_p \)
哪里,
\( N_p = 0.9f_c’e_h d_a \)
混凝土侧面爆破强度
当嵌入相对较深的锚栓放置得太靠近自由边缘时，会发生侧面爆裂. 而不是向上形成突破锥体, 圆锥体向侧面延伸, 导致混凝土侧面断裂、爆裂.
这种失效模式由嵌入深度和边缘距离之间的关系决定. 当这些参数以某种方式调整大小时, 此故障机制可能不适用.
由于混凝土锥体可能重叠, 必须检查单个锚点和锚点组.
如何修复侧面爆裂
增加边缘距离
增加边缘距离可提高标称强度. 也, a much larger edge distance i.e.\( ca_1 > \压裂{H_{ef}}{2.5 }\) 使得此故障不适用.
调整锚点组的锚点间距
在锚定组中, 多个锚杆可能导致侧面同时爆裂. 将锚点间隔得更远, 同时仍然允许一些锥体重叠, 增加有效混凝土锥体尺寸和容量.
减少锚杆埋置深度
靠近边缘的锚杆太长会增加井喷的可能性. 使用相对于边缘距离较短的杆可能会使此检查不适用.
使用更高强度的混凝土
从较低等级混凝土升级到较高等级混凝土可提高侧面爆裂强度，并且在几何形状受到限制时通常很有效.
单锚的容量方程:
\( N_{某人} = 160c_{a1}\sqrt{一个_{brg}}\lambda_a\sqrt{f'_c} \)
锚定组的容量方程:
\( N_{作为} = 左(1 + \压裂{s}{6C_{a1}}\对) N_{某人} \)
胶粘剂的粘结强度
用于后安装粘性锚栓, 在拉力下检查粘合强度. 根据粘结锚杆的影响面积和特征粘结应力计算承载力. 特征粘合应力值来自实验测试, 如果测试数据不可用, ACI 的保守值 318-19 桌子 17.6.2.5 可以使用.
由于影响区域可能重叠, 必须评估单个锚点和锚点组.
债券容量已占:
-
锚栓和粘合剂之间的粘合
-
粘合剂与混凝土之间的粘结
如何提高债券能力
增加锚栓直径
较大的锚栓直径增加了基本粘合强度的能力, 以及影响范围. 影响区域的几何形状受直径影响很大.
增加嵌入深度
更深的嵌入增加了粘性锚栓的基本粘合强度.
增加间距和边缘距离
对于靠近边缘的锚点组或单个锚点, 调整间距和边缘距离消除了对总影响区域的限制.
使用具有更高特性粘合应力的粘合剂
选择具有较高粘合强度的粘合剂可提高容量. 特征结合应力越大，影响范围越大, 从而增加容量.
单锚的容量方程:
\( N_a = frac{一个_{已经}}{一个_{奈绪}} \psi_{编辑,已经} \psi_{cp,已经} N_{BA} \)
锚定组的容量方程:
\( N_{股份公司} = frac{一个_{已经}}{一个_{奈绪}} \psi_{欧共体,已经} \psi_{编辑,已经} \psi_{cp,已经} N_{BA} \)
根据 ACI 进行锚剪剪力检查 318-19
锚杆抗剪能力
Similar to the tensile capacity of anchor rods, the anchor steel check considers yielding and rupture of the anchor steel due to the applied shear load. This failure mode occurs when the steel strength of the anchor rod is reached before the surrounding concrete fails.
The shear capacity of anchor rods primarily depends on the anchor diameter, the material strength of the steel, and the number of anchors resisting the applied load.
How to Increase Steel Shear Capacity
Choose Larger Anchor Diameter
Similar to anchor tensile strength, the shear strength of anchors relies on their physical dimensions. Increasing the anchor diameter increases the cross-sectional area of the steel, which results in a higher shear capacity.
Increase Anchor Material Strength
If increasing the diameter is not possible due to geometric constraints, selecting a stronger anchor material may be considered. Common anchor rod grades include Grade 36, 年级 55, and Grade 105. Higher strength grades provide greater resistance to shear forces.
Add More Anchors
Another approach is to increase the number of anchors resisting the load. Adding more anchors distributes the applied force across additional elements and reduces the shear demand on each individual anchor.
Capacity Equation for Cast-In Headed Stud Anchor:
\( V_{至} = A_{我知道,V} F_{乌塔} \)
Capacity Equation for Cast-In Headed Bolt and Hooked Bolt Anchor:
\( V_{至} = 0.6A_{我知道,V} F_{乌塔} \)
If built-up grout pads are present, the shear strength of anchor rods is reduced by 80 percent according to ACI provisions.
Concrete Breakout Due to Shear
Concrete breakout strength in shear occurs when a cone-shaped portion of the concrete separates from the support due to the applied shear forces. This failure can occur when shear acts parallel to the concrete edge or perpendicular to the edge.
ACI provisions indicate that the capacity for shear parallel to an edge is generally larger than the capacity for shear acting perpendicular to the edge. 然而, it is still recommended to check both directions as implemented in the SkyCiv 底板设计软件.
如何提高混凝土破碎能力
Increase Edge Distance
Increasing the edge distance of anchors from the concrete edge allows a larger breakout cone to develop. The farther the anchors are placed from the edge, the larger the projected failure surface becomes. The basic concrete breakout strength in shear is also directly related to the edge distance.
Increase Anchor Spacing
Increasing the spacing between anchors allows the projected breakout area of the anchor group to expand. Closely spaced anchors restrict the development of the breakout cone, while larger spacing allows a larger failure surface to form.
Increase Thickness
The breakout cone may be limited by the thickness of the concrete support. If the anchor end is located too close to the bottom of the support, the breakout cone cannot fully develop. Increasing the thickness of the concrete support allows a more complete breakout projection.
Increase Anchor Length
The basic concrete breakout strength in shear is partly determined by the load-bearing length of the anchor. For anchors with constant stiffness, this length is generally equal to the anchor embedment depth. For torque-controlled expansion anchors, the load-bearing length is typically taken as twice the anchor diameter. 在所有情况下, this length should not exceed eight times the anchor diameter.
Increase Anchor Diameter
Increasing the anchor diameter also increases the basic concrete breakout strength.
Use Higher-Strength Concrete
Using higher-strength concrete increases the basic breakout strength. This approach is often effective when geometric parameters such as spacing or edge distance cannot be easily increased.
Assume Non-Cracked Concrete When Appropriate
Concrete breakout capacity is slightly higher when the concrete is assumed to be non-cracked. This assumption should only be used when justified by the design conditions.
Provide Reinforcement Designed to Carry Tension
If reinforcement is intentionally designed and detailed to carry the anchor forces, concrete breakout may be prevented from governing. When properly designed reinforcement is provided, ACI allows the breakout check to be waived.
Capacity equation for single anchors:
\( V_{CB} = frac{一个_{VC}}{一个_{压控振荡器}} \psi_{编辑,V} \psi_{C,V} \psi_{H,V} v_b \)
Capacity equation for anchor groups:
\( V_{背景} = frac{一个_{VC}}{一个_{压控振荡器}} \psi_{欧共体,V} \psi_{编辑,V} \psi_{C,V} \psi_{H,V} v_b \)
Concrete Pryout Due to Shear
Concrete pryout is another failure mode associated with anchors subjected to shear. This failure occurs when the anchor pulls a wedge-shaped portion of concrete upward due to the applied shear force.
According to ACI provisions, the concrete pryout strength is related to the concrete breakout strength in tension. This failure mode applies to several anchor types including headed anchors, 膨胀锚栓, 螺旋锚栓, 和底切锚栓.
How to Increase Concrete Pryout Capacity
Increase Embedment Depth
理想的破碎锥体是从锚栓的嵌入端延伸到混凝土表面. Increasing the embedment depth enlarges this cone and significantly increases the pryout capacity. Embedment depth also increases the basic breakout strength defined by ACI. 此外, a larger embedment depth results in a larger kcp factor used in the pryout strength calculation, which further increases the pryout capacity.
Increase Anchor Spacing
Closely spaced anchors restrict the projected breakout area. Increasing the spacing between anchors allows a larger effective breakout area to develop, especially for anchor groups.
Increase Edge Distance
Anchors located near edges cannot develop a full breakout cone. Increasing the edge distance allows the breakout surface to expand and improves the pryout capacity.
Use Higher-Strength Concrete
Using higher-strength concrete increases the basic breakout strength and can improve pryout capacity when geometric parameters cannot be modified.
Assume Non-Cracked Concrete When Appropriate
Non-cracked concrete provides slightly higher capacity. This assumption should only be used when justified by the design conditions.
Capacity equation for single anchors:
\( V_{cp} 检查锚容量{cp} N_{cp} \)
Capacity equation for anchor groups:
\( V_{cpg} 检查锚容量{cp} N_{cpg} \)
根据 ACI 进行锚固张力和剪切相互作用检查 318-19
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