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幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法

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膨胀螺栓在使用过程中,对混凝土会产生应力集中现象,存在结构安全隐患,因此不能运用于开裂混凝土。化学螺栓由化学胶管、螺杆、垫圈及螺母组成。螺杆、垫圈、螺母(六角)一般有镀锌钢和不锈钢两种(也可按要求热镀锌)。下面第一幕墙详细介绍化学螺栓和膨胀螺栓的区别,以及幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法。

化学螺栓与膨胀螺栓的区别在于前者无应力,后者有应力。

膨胀螺栓会在混凝土中产生应力集中,从而使得破坏机率大大增加,结构不安全。所以现在基本上已经在幕墙等设计中被禁止,如果要审图的话膨胀螺栓是肯定通不过的。化学粘结锚栓与膨胀螺栓区别?谁更牢固?

化学锚栓是继膨胀锚栓之后出现的一种新型锚栓,是通过特制的化学粘接剂,将螺杆胶结固定于砼基材钻孔中,以实现对固定件锚固的复合件。

产品优点:靠化学物质粘接受力,经过检测锚固力强,形同预埋;无膨胀应力,对基材要求低,可应用在开裂混凝土中,边间距小;

产品采用玻璃密封包装,化学成分与大气不发生接触,性能稳定,透明玻璃可直接目测管内药剂质量,在安装过程中粉碎的玻璃(SiO2)直接充当骨料,粘接更牢靠;

产品内管固化剂同样由玻璃密封,搅拌后充分混合迅速凝固,安装快捷,节省施工时间

化学药剂性能优良,耐酸碱、耐低温、耐老化,耐热性能好,常温下无蠕变,耐水渍,在潮湿环境中长期负荷稳定,抗焊性、阻燃性能良好,抗震性能好。

膨胀螺栓:膨胀螺栓上包一个圈筒,这个圈筒上是有缝隙的,用时在墙上打一个洞。把膨胀螺栓放到这个洞里,在拧紧螺栓时圈筒被挤压撑开,这样使螺栓卡在洞起到固定的作用。

机械式膨胀螺栓在反复受力和温度的变化下会渐渐松脱,变得脆弱。但基于紧固件厂商Emhart/molly的测试结果,使用了20年的化学锚拴象新的一样坚固。因为胶完全密封了钻孔,锚拴的成分在实际使用中也不会受到影响。

化学螺拴也有它内在的问题,这使得大多数攀登者在坚硬的岩石与中等硬度的岩石上不使用它,而此时机械式膨胀螺栓却可以工作的很好。

幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法

幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法

目前幕墙后埋件的设计中,很多采用化学螺栓与膨胀螺栓混用的个案(如立柱预埋件分别为一对角线两枚化学螺栓,另一对角线两枚膨胀螺栓),但此类埋件计算如何取参数、公式?化学螺栓与膨螺栓混用合理吗?两种螺栓混用幕墙的安全度有没有保证?应该如何精确计算?

1、膨胀锚栓和化学锚栓的特点及混用的合理性。

膨胀锚栓通过端部的扩张部分压入钻孔壁内,通过摩擦力承受荷载;膨胀锚栓的优点是抗剪能力好,价格便宜,施工方便。有些人说膨胀锚栓不好,主要认为膨胀锚栓会由于风载的循环反复拉压而产生松动,抗拉能力较差,但膨胀锚栓用于幕墙也快20来年了,并未有工程事故及相关资料来支持这种说法,笔者认为只要选用正规厂家的合格产品,留有合适的安全储备,膨胀锚栓用于一般的幕墙是没有问题的。

化学锚栓通过砂浆或合成树脂将锚栓与锚固基础结合成一个整体;化学锚栓的力学性能比同等规格的膨胀锚栓好很多;缺点是价格高,对施工要求高,如果现场钻孔,清孔达不到要求,还不如直接用膨胀锚栓。现在有个说法是化学锚栓不宜焊接,这个说法也不全对,国内一般的化学锚栓药剂采用的环氧树脂,这种材料优点是收缩率低、粘结力高,它能产生很高的强度,对清孔方法和效果敏感性小,但它主要的缺点是耐高温稳定性差,所以不宜焊接。还有一种化学药剂是乙烯基酯树脂,其粘结剂采用乙烯基酯/水泥,反应剂采用甲基丙烯酸脂和水,这种化学药剂除了环氧树脂的优点外,还有耐高温、化学稳定性高、耐久性高等优点;对于能够提供试验报告或耐高温说明的化学锚栓,是可以焊接的。对于承受很大的弯矩及轴力的支座,比如拉索支座,钢柱支座等,没有预埋件时,应该采用此类化学锚栓。

全采用国产化学锚栓不能焊接,全采用乙烯基酯树脂的化学锚栓价格又不能承受,全采用膨胀锚栓有时又通不过监理验收;这时就根据膨胀锚栓和化学锚栓的优缺点组合使用,折衷的采用一个对角为膨胀锚栓,一个对角为化学锚栓的连接方式;从受力性能来说,这种后埋方式是没有任何问题的,但需注意几个问题,后面会讲到。

幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法

2、两种锚栓混用幕墙的安全度有没有保证?

这个问题问得不够合理,应该是“幕墙结构体系的可靠度能不能得到保证”,没有安全度的说法,只有安全系数,安全系数是针对具体的材料的。幕墙结构的可靠度和荷载取值,各种材料的性能,几何参数和计算公式等有关系,具体到锚栓的计算来说,就和锚栓的破坏形态有关,是脆性破坏,还是延性破坏?破坏时离散性大不大等等。

膨胀锚栓破坏受拉破坏的形态有:钢材破坏、混凝土锥体破坏和劈裂破坏、锚栓拔出破坏,化学锚栓受拉的破坏形态有:钢材破坏、混凝土锥体破坏和劈裂破坏。一般来讲,膨胀锚栓是后两种破坏形态,化学锚栓是第二种破坏形态,这几种破坏形态都是脆性破坏;从我们的拉拔试验结果可以知道,后置锚栓破坏的离散性也是很大的;再加上埋件乃是幕墙结构的基础,所以规范对幕墙后置埋件的安全系数取得很高。102-2003 5.5.7规定“锚栓承载力设计值不应大于其极限承载力的50%”,再考虑到风载分项系数1.4,后置锚栓总的安全系数为:1.4*2=2.8,如果锚栓厂家技术手册上对于脆性破坏的材料分项系数取值小于2时建议取为2,毕竟我们要以规范为准。5.5.7也规定后置埋件“应进行承载力现场试验,必要时应进行极限拉拔试验”,我的理解是做试验时其拉拔力至少要达到设计值的两倍或者直接做极限拉拔试验,以确信后置锚栓有没有两倍的材料安全系数。采用正规厂家的锚栓,不管你是不是混用,材料安全系数确保2.0,可靠度是能得到满足的。

由于后置锚栓的破坏形态多为脆性破坏,如果选用的化学锚栓和膨胀锚栓的力学性能相差较大,会导致性能较差的锚栓脆性破坏而另外一种锚栓还有很大富裕强度,又由于同规格的化学锚栓比膨胀锚栓力学性能要好,当我们两种螺栓混用时,一定要选择好合适的组别,否则浪费很大。选择的原则是化学锚栓极限承载力(标准值)与膨胀锚栓的极限承载力相同,这样,可能膨胀锚栓的直径要大一些,可以从后面的计算方法看出。

(1) 对普通幕墙来讲,埋件计算时锚栓是非完全发挥其作用的,他们至所以对角设置,无非出于两个原因:其一、部分城市明确要求不允许使用膨胀螺受拉,这样布置解释与计算过程中,是只计两个化学螺栓计算通过而设计的,膨胀螺栓不计其抗拉强度的,从而降低工程成本。其二,有焊接时这种设计可以保证化学螺栓热损失后结构安全度计算的。其实上膨胀螺栓在不低于C30中的抗拉强度设计值并不小,各厂家也提供了相应的试验报告各抗拉设计值。大家所以这样做也是出于对结构连接的安全度与经济两个方面并重为出发点的。

(2) 对于化学螺栓选取来讲,现在喜利得与德国慧鱼已可以提供焊接热损后的强度设计值报告。我个人建议对有焊接要求而螺栓厂家无法出示报告的情况下,选用后切式膨胀螺栓连接。当然这个经济方面价格是高了点。

(3) 对结构安全度来计,K2=2,K1=1.4(对风载标准值而言的),那么K=2*1.4=2.8。这时的结构连接在风载作用下,结构达到破坏强度的概率为1/1120。我们计算取用的风载标准值按设计基准期50年一遇的出现概率为2%。这样我们的埋件连接对风载的而言的破坏率就很低了。当然这个只供大家在一个概率上的量化认识的一个参考,其实选用过程,还应选取螺栓对工程实际的砼强度中的极限破坏的2倍做为依据,并做现场拉拨试验做为验证(注意这个以现场等焊缝长度下或焊接时间内的整体埋件,或单个化学螺栓为准。最好选取整体的)。

(4) 在计算过程时,厂家提供的对应于现场砼强度下的膨胀螺栓与焊接损失后的化学螺栓设计拉力值(或现场拉拨拉力值)作为依据,选择二者中的较小值做为单个螺栓的拉力设计值。然后根据埋件所受的拉N、弯M、剪V进行验算。那么单个螺栓所受的拉力为N1=N/4+M/d/2,其中d为受拉区螺栓中心线到受压区埋板中心线之间的距离。对于整体埋件拉压中心线按下列进行计算:假设埋件的尺寸为bXh,螺栓拉力设计值为f,现场砼受压强度为fc,那么受压区的埋件高度h1=2*f/(b*fc)。这样d值就可以根椐你的埋板开孔的尺寸计算出来了。单个螺栓受剪:N2=V/4,然后来整体复核:(N1^2+3*N2^2)^0.5小于单个螺栓受拉强度设计值。

幕墙后埋件的设计中化学螺栓与膨胀螺栓混用算法

计算方法

当化学锚栓和膨胀螺栓对角混用受拉或受弯破坏时,应取两者中抗拔承载力较小的值作为两种锚栓共同的承载力。一般同直径的化学锚栓的抗拉承载力大于膨胀锚栓的抗拉承载力,由于膨胀锚栓的破坏形式为脆性破坏,没有塑性发展,所以轴力产生的拉力和弯矩产生的拉力并不是按照他们的承载能力来分配的,这样导致膨胀锚栓先受拉破坏而化学锚栓还有较大的余地,虽然有时我们计算的时候只考虑了化学锚栓的承载能力,但是实际情况并不是这样,当膨胀螺栓破坏时应该认为此埋件已失效,大家可以想想只有2个对角化学锚栓承受拉力或弯矩时会怎样,由于锚板的平面外刚度很小,必然导致两个锚板的两个对角(膨胀锚栓破坏角)翘起。所以如果主要是抗弯或抗拉的后埋件,混用时应使两者的抗拔承载力接近。

当化学锚栓和膨胀螺栓共同受剪时,破坏时有塑性发展,可以各自取各自的抗剪承载力;如果主要是抗剪的后埋件,可以采用同型号的化学锚栓和膨胀螺栓。

根据上面所说的,主要受拉或受弯的化学锚栓和膨胀锚栓混用时计算问题其实就是只用一种锚栓的计算问题,主要受剪的锚栓考虑各自的承载力之和。

下面列出几种后置锚栓的计算方法,欢迎大家讨论。

1、采用锚栓厂家提供的计算程序;推荐

2、直接采用弹性理论列平衡方程计算。

3、采用规范预埋件公式计算,把需要的锚筋直径求出,然后根据锚筋的抗拔力再对应某种型号的后置螺栓。只是规范公式中已考虑一定的安全系数在内,计算结果会保守一些。

化学螺栓与膨胀螺栓混用时,如果不考虑膨胀螺栓抗拉,何必要对角布置呢?我经常是化学螺栓一排,膨胀螺栓另一排。这样化学螺栓计算时受力更加明确些。

在JGJ133-2001中没有说明可用对角膨胀螺栓,JGJ145-2004、GB50367-2006中是严禁使用膨胀螺栓的,请问你们是如何来理解。至现在规范上找不到可用膨胀螺栓的依据。

在JGJ145-2004、GB50367-2006都有强制规范要求膨胀性锚栓不得用于受拉、边缘受剪、拉剪复合受力的结构构件,化学螺栓与膨胀螺栓混用问题本身就不符合规范,这样的使用原本就是偷工减料的做法。

JGJ145-2004也仅是说膨胀螺栓不得用于结构构件吧,幕墙不属于结构构件之内。

新的后锚固规范已经更正了锚栓混用的问题,没有试验依据下不应选用不同类型和不同规格的锚栓,早期的规范其实也没有同意混用,因为锚固计算的原理是基于同类型锚栓的假定,化学和膨胀各有不同的适用范围,没有啥好坏的可比性,审图强调用化学锚栓那的看使用位置,使用环境及施工条件,有没有道理的东西不管是谁说的都应该提供依据。

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