預埋式錨定螺栓設計方法探討

一、前言

廠房建築物的鋼柱基板，藉由錨栓可承受張力與剪力的特性，將鋼柱固定在混凝土墩基上，以便鋼柱柱底之張力、剪力與傾覆力矩等力量，向下傳遞進入基礎。鋼柱基板與錨栓是用以連結上部鋼結構與下部混凝土及基礎的界面，可用以承擔自重與側向力，亦可用於機械設備的固定。惟錨栓受到風力震動與反覆載重下，可能會引致疲勞效應，因此疲勞效應亦須納入設計考量。通常設計鋼結構建物時，基板與錨栓，都是最後才會進行細部設計的項目，然而在施工時程安排上，錨栓卻是優先施作的項目，因此設計階段除了要考慮結構設計上的需求外，亦須考慮施工性。

另外，新版「混凝土結構設計規範」草案第17章(混凝土結構用錨栓)，係以混凝土承受錨栓拉力為主，混凝土所能提供的拉破強度甚低，無法滿足結構設計需求，且計算複雜，待設計者發現計算結果不敷使用時，已浪費很多人時費用，因此筆者不建議採用，而是建議直接以混凝土結構鋼材搭接，承受拉力及剪力摩擦承受剪力，以及柱墩箍筋採用混凝土工程設計規範與解說（土木401-110）第18.4.5.2至18.4.5.4節之規定配置，取代邊緣脹破檢核工作的方法設計，可省略甚多工時，且傳力路徑明確、安全，設計方法簡單合理。本文探討預埋式錨定螺栓設計方法，供工程師參考，不當之處，請不吝指正。

二、基板與錨栓配置型式考量

錨栓的埋設位置須準確對應基板錨栓孔，實務上現場已埋設之錨栓位置，常出現無法對應到基板錨栓孔的現象，因此在錨栓位置容許誤差範圍内，盡可能提供較大的錨栓孔，提高錨栓施工可行性，此基板上的錨栓孔尺寸與匹配之最小墊圈尺寸，可參考AISC建議之較大錨栓孔尺寸(見表1)。

當柱基板傳遞拉力及剪力至錨栓時，應注意基板的錨栓孔尺寸， 如果錨栓在傳遞剪力時，柱基板錨栓孔内緣不會接觸到錨栓桿身發展承壓，則設計者應該考慮在基板和螺帽之間使用具有比錨栓尺寸大1.5mm的標準孔墊板，並銲接到基板上以防止滑動；或者使用具有比錨栓尺寸大1.5mm的標準孔安裝板(可兼作樣板使用)，將具超大錨栓孔的柱基板銲接到安裝板上，且必須確定安裝板厚度，確保錨栓孔承壓面足以傳遞剪力；叧外，亦可在錨栓上鎖螺帽前，先在基板具超大錨栓孔孔内灌注高強度灌漿材，填滿錨栓與超大錨栓孔内緣間之間隙，以便提供足夠錨栓孔承壓強度傳遞剪力。當錨栓承受拉力時，若使用ASTM F436之標準墊圈時，須配合使用較大且較厚之墊板，或配合使用具標準孔之較厚的墊板，避免螺帽及墊圈從錨栓孔拉出。較大較厚墊圈材質為ASTM F436，墊板或安裝板，材質同基板。

表1 建議基板錨栓孔及墊圈尺寸

註：較大較厚墊圈材質為ASTM F436，墊板或安裝板，材質同基板。

柱基板結構分析時邊界條件的假設，通常是將邊界條件理想化，假設為鉸接或固接二種，並將柱底實際連接狀況，盡量設計接近所假設之鉸接或固接。若未配合實際邊界條件的假設去做設計，可能會導致連續性的破壞現象。如果邊界條件勁度高估，則可能造成第一層柱或基板及錨栓強度不足；如果勁度被低估則可能導致第一層柱尺寸過大。

張力通常直接以錨栓傳遞到柱墩主筋進入基礎。剪力則通過壓力摩擦、剪力摩擦或側向承壓方式，傳遞到基礎系統。實務上有地震力的情況可能産生上擧力，因此不考慮基板與混凝土間之壓力摩擦。鋼柱基底的設計方式，通常可以置於鋼筋混凝土柱墩上，亦可直接置於鋼筋混凝土基礎版上。

三、錨定螺栓設計方法

3.1錨栓材料

錨栓材料建議採用ASTM F1554 Gr.36、Gr.55或Gr.105，螺帽建議採用ASTM A563，為了避免工地誤用螺帽型式，建議一律採用ASME B 18.2.2-2010 英制重型螺帽之DH尺寸規格辦理。除特別環境需求外，得一律採用DH3尺寸規格辦理。等級A、B、C、D與DH為碳鋼之螺帽；等級C3與DH3為耐大氣腐蝕鋼之螺帽。墊圏建議採用ASTM F436。ASTM F1554 各種錨栓等級與機械性質見表2。錨栓型式建議採用重型螺帽作為錨頭，單一螺帽不足以承壓時，得採用多個螺帽錯開配置以增加承壓面積。

表2 ASTM F1554 各種錨栓等級與機械性質要求

3.2基礎錨栓破壞模式設計檢核

一如前言所述，預埋式錨定螺栓設計，筆者建議以混凝土結構鋼材搭接，承受拉力及剪力摩擦承受剪力的方法設計，可得明確、安全且簡單合理的傳力路徑。

3.3錨栓設計應採用之強度折減因數

使用係數化載重組合時，錨栓埋置於混凝土中之強度折減因數，應如下：

1.錨栓強度由錨栓韌性材質（拉力試驗之伸長率不小於14%，及斷面積縮率不小於30%之鋼材。符合ASTM A 307者可視為韌性鋼材）控制時：

(1)拉力載重 ...............0.75

(2)剪力載重 ...............0.65

2. 錨栓強度由錨栓脆性材質（拉力試驗之伸長率小於14%，或斷面積縮率小於30%，或兩者皆符合者之鋼材）控制時：

(1)拉力載重 ...............0.65

(2)剪力載重 ...............0.60

3. 錨栓強度由混凝土之拉破、剪破、邊緣脹破、拔出或撬破等控制時：

預埋式之擴頭錨釘（剪力釘）、擴頭錨栓、或彎鉤錨栓

情況A是有設置輔助鋼筋；情況B是未設置輔助鋼筋。因結構構件均會設置輔助鋼筋，因此本文忽略情況B。

3.5預埋式錨栓最小尺寸建議

錨栓的類型很多種，現行法規適用預埋錨栓和後置膨脹錨栓、擴底錨栓、黏結式錨栓。本文僅介紹預埋式錨栓。筆者建議最小埋入長度以17倍錨栓直徑為原則。並應注意下列事項：

1.所有尺寸除註明者外，均以公厘為單位。

2.螺栓材質應符合ASTM F1554之規定

3.螺帽均為重型六角螺帽（HEAVY HEX NUTS）其材質應符合ASTM A563 Gr. DH或DH3之規定。

4.墊圈（WASHER）之材質及厚度應符合ASTM F436之規定。

5.錨定鋼板（錨板）其開孔直徑等於螺栓直徑加2 mm。

6.螺栓之螺牙應符合UNC粗牙之規定。

7.螺栓、螺帽及墊圈須熱浸鍍鋅時：最小鍍鋅量為300 g/m2，鍍鋅依照規範ASTM A153施作。

8.ASTM F1554 Gr.36材質之預埋式錨栓之拔出破壞強度，在混凝土抗壓強度的情況下，錨栓下端之一個重型錨定螺帽可達到螺桿之鋼材拉力斷裂強度。

9.承上，若錨栓採用熱浸鍍鋅防蝕螺帽之孔徑，須配合熱浸鍍鋅膜厚採擴大孔，致螺牙的承壓面積會減小，因此螺桿下端之錨定螺帽及上端之鎖固螺帽，須採用兩個重型螺帽接觸排列，或須經螺帽拔出之驗證試驗，始得使用。如果同時有承壓強度不足的問題時，可將該兩螺帽間隔3D以上，配置共同承擔螺桿之鋼材拉力強度。

10. 當一個重型螺帽之承壓強度不足（為防止承壓強度先行破壞），應再隔至少3D以上，增加一個重型螺帽，共同承擔螺桿之鋼材拉力強度。

錨栓鎖緊扭矩之鎖固方法，建議在柱基板下方的灌漿層，達螺帽鎖緊施工強度後，鎖緊螺帽至緊貼狀態後，再將螺帽旋轉30°。

3.6錨栓之混凝土拉破強度

新版「混凝土結構設計規範」草案第17章，係以混凝土強度抵抗錨栓拉力産生之拉破強度，但混凝土拉破強度甚低，不易滿足結構需求，建議改以錨栓與墩柱主筋搭接，以避開混凝土拉破之破壞模式之煩複計算。新版「混凝土結構設計規範」草案第第17.5.2.1，承受拉力之錨栓錨定鋼筋，符合混凝土結構設計規範有關鋼筋伸展長度之規定，且配置於兩側通過混凝土破裂面作伸展，應可取代混凝土拉破強度（見圖1），錨栓錨定鋼筋的強度折減因數為0.75。

圖1 錨栓與錨栓錨定鋼筋搭接（資料摘自土木401-110）

惟混凝土結構設計規範所稱錨栓錨定鋼筋，係指將鋼筋伸展入混凝土完整之拉破破壞錐内作錨定，並向下伸展入基礎内錨定，來擴展混凝土完整之拉破破壞錐。錨栓錨定鋼筋之力學行為，與在混凝土柱墩有限斷面内之錨栓與鋼筋，或鋼筋與鋼筋間力量接觸傳遞之搭接行為不盡相同，且大部分兼有承受彎矩無法形成完整破壞錐，不符合前述錨栓錨定鋼筋之傳力機制，亦不符合混凝土結構設計規範甲級搭接之規定。

本文鑒於基礎錨栓是鋼結構最重要的關鍵部位，以及考量整體結構元件續接安全係數的一致性，因此建議應用於混凝土柱墩之情況，宜比照鋼筋乙級搭接之規定，作為錨栓與鋼筋間之力量傳遞機制。其搭接長度之計算建議如圖2所示。

圖2 錨栓與鋼筋之搭接長度計算建議

註：

1.錨栓長度範圍內柱墩主筋之箍筋，應採用混凝土工程設計規範與解說（土木401-110）第18.4.5.2至18.4.5.4節之規定配置。

2.錨栓與柱墩主筋間之偏心距所產生的彎矩，必須於錨栓上下端以圍束箍筋平衡之。

3.若錨栓配置於柱或柱墩之頂部時，應以橫向鋼筋圍束，此橫向鋼筋至少同時圍封4根柱或柱墩之縱向鋼筋（主筋）。圍束之橫向鋼筋，至少須有2根D13或3根D10鋼筋，且須配置在柱或柱墩之頂部12cm範圍內（ACI 318-14第10.7.6.1.6節）。

4.錨栓與鋼筋之錯位搭接、水平錯位距離計算，如圖3所示：

圖3 錨栓與主筋錯位距離g應取最大水平錯位距離

3.8混凝土邊緣脹破強度

混凝土邊緣脹破設計要求，係基於 Furche 與 Eligehausen (1991) 之建議，這些要求通常適用於預埋式擴頭錨栓。擴頭錨栓標稱邊緣脹破強度之決定，僅當錨栓為拉力載重且靠近邊緣(ca1 < 0.4hef)時予以考量。惟實務上，墩柱均會配量箍筋，為避免錨栓在錨板處之柱墩邊緣産生脹破破壞模式，筆者建議：柱墩主筋之箍筋，應採用混凝土工程設計規範與解說（土木401-110）第18.4.5.2至18.4.5.4節之規定配置，取代邊緣脹破檢核工作。

3.9預埋式錨栓剪力強度、剪破強度及剪力撬破強度之設計要求

預埋式錨栓剪力強度、剪破強度及剪力撬破強度之設計，建議採用現行「鋼結構設計規範」第10.10.2節：｢剪力載重應考慮經由埋置部分傳至混凝土，其傳遞係藉剪力榫或剪力摩擦，並配合於柱墩主筋之箍筋，應採用混凝土工程設計規範與解說（土木401-110）第18.4.5.2至18.4.5.4節之規定配置緊密箍筋來傳遞剪力。抵抗剪力之摩擦力依下式計算：

Vu＝φ Avf μ Fy

其中，

Fy＝錨栓之降伏強度，tf/cm

Avf＝錨栓之張力面積，cm

φ＝強度折減係數＝0.75

μ＝摩擦係數

當鋼構件與混凝土接觸面之埋置深度大於支承板厚時，摩擦係數μ取0.9，當鋼構件與混凝土（或灌漿）之接觸面與混凝土表面一致時μ取0.7，若鋼構件與灌漿接觸面高於混凝土體之表面，則μ取0.55。」

柱墩頂部須配置緊密箍筋，毎一向之斷面積至少須達基板剪力視為水平拉力計得之斷面積，再加上錨栓拉力乘以與墩柱主筋間之錯位距離産生之彎矩除内錨栓有效高度所得之水平力計得之斷面積。此緊密箍筋至少須2–#4或3–#3。

四、結語

鑒於鋼筋混凝土結構均會配置有鋼筋，尤其是國内全部結構物均須符合耐震韌性設計的規定，配置有大量主筋及箍、繫筋，因此，預埋式錨定螺栓設計，建議直接以混凝土結構鋼材搭接承受拉力及剪力摩擦承受剪力，以及柱墩主筋之箍、繫筋採用混凝土工程設計規範與解說（土木401-110）第18.4.5.2至18.4.5.4節之規定配置，可得傳力路徑明確、安全、品質穏定，且設計方法簡單傳力路徑合理的結果。

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