預埋式基礎錨定螺栓之錨定設計

陳正平 技師

本文介紹預埋式基礎錨定螺栓的簡易錨定設計法，探討現行《建築物混凝土結構設計規範》與實務設計應用間的差異，以及如何依據既有鋼筋混凝土結構設計規範之相關規定，進行對基礎錨定螺栓在鋼筋混凝土基礎墩柱上的結構傳力機制設計方法。本文以簡易且符合設計規範規定的方法決定螺栓尺寸、長度及所需配合之鋼筋量及配置型式，並介紹如何減短基礎錨定螺栓所需長度以配合基礎墩柱的尺寸限制。在此特別強調，依本文設計基礎錨定螺栓在鋼筋混凝土基礎墩柱上的錨定設計方法（除了所節省之設計工時甚為可觀外，所得設計結果之結構安全性更可明確保有基礎結構的耐震性能以及經濟性，其安全性明確度更可高於依據現行《建築物混凝土結構設計規範規範》第17章設計結果。

一、前言

預埋式基礎錨定螺栓扮演著上部鋼結構與下部混凝土基礎結構間關鍵的連接與傳力機制的重要元件，其設計與安裝的正確與否，直接影響建築物與工程設施的安全與耐久性。現行《建築物混凝土結構設計規範》（以下簡稱設計規範）第17章所提供之基礎錨定螺栓錨定設計方法基本上是錨定於純混凝土結構上，縱使基礎墩柱内配置有完整結構系統的鋼筋，然而僅視為輔助鋼筋不作結構受力用途。

預埋式基礎錨定螺栓幾乎不會埋設在純混凝土結構上，一般鋼筋混凝土結構基礎均會設置大量結構系統傳力路徑所需鋼筋，然而現行《建築物混凝土結構設計規範》第17章僅視為「有設置輔助鋼筋」而將預埋式錨栓之強度折減系數φ值由「未設置輔助鋼筋」的φ＝0.70提升至φ＝0.75相差僅7.1%，且符合「有設置輔助鋼筋」的條件甚為嚴格。設計規範對「輔助鋼筋(supplementary reinforcement)」的定義為：「用於限制潛在混凝土拉破之鋼筋，但不是設計用來傳遞錨栓全部設計載重至結構構材。輔助鋼筋之構造及配置類似錨栓錨定鋼筋，但非特別設計來傳遞錨栓載重至構材，常作為剪力鋼筋之肋筋可屬於此類鋼筋。」而本文將這些鋼筋略為延伸使符合「錯位搭接長度」之規定，並依《建築物混凝土結構設計規範》之規定進行鋼筋混凝土結構設計，確保結構物符合耐震結構之安全性。本文綜整相關規範內容，並探討常用材料規格、彙整設計及檢核重點及實務應用方法，以提供工程師於基礎錨定螺栓之設計與應用上的實務參考，不當之處尚請工程先進不吝指正。

二、基礎錨定螺栓常用材料規格

以往工程實務慣用ASTM A307作為普通螺栓或基礎錨定螺栓，但設計圖上大都沒有標註材質等級。ASTM A307普通螺栓，一般使用於輕型結構或臨時固定，不應使用於承受反復載重、震動或疲勞載重之結構。ASTM A307螺栓依材質可分成Grade A、B及C三種，其螺栓的直徑最小1/4英吋、最大4英吋。Gr. A一般不超過1英吋，A307螺栓應配合A563-A螺帽使用，安裝時螺帽時鎖至不會於使用中鬆脫，沒有預拉力之需求，但也不可使用於摩阻型接合。一般工程實務上，錨定螺栓之鎖固可參考JASS 6，柱底板下方的灌漿層達可施工強度後分兩階段鎖固，第一階段在鎖緊螺帽使所有的螺帽、墊圈及鋼板間密貼狀態後做記號，再進行第二階段旋轉螺帽30°對稱鎖固作業。ASTM A307 Gr. A之 Fu＝4.2 tf/cm²適用於一般鋼結構，可熱浸鍍鋅；ASTM A307 Gr. B 之 Fu＝4.2 tf/cm² ~7.0 tf/cm²適用於管線系統(piping system)中環狀端板接合，可熱浸鍍鋅；ASTM A307 Gr.C 之Fy＝2.53 tf/cm²，Fu＝4.1 tf/cm² ~5.6 tf/cm²，無螺栓頭錨栓或彎或直，材質與A 36鋼材相符，適用於結構基礎錨定螺栓。

ASTM F1554之 36強度等級基礎錨定螺栓係由低碳鋼Fy＝2.53 tf/cm²之結構鋼製成，是標準的普通基礎螺栓等級，涵蓋直徑從φ13 mm到φ100 mm的錨栓。西元2007年8月，ASTM F1554 36強度等級鋼取代了ASTM A307 Gr.C級鋼所製成之螺栓，後者也涵蓋了低碳鋼基礎錨定。ASTM F1554 Gr.36級錨栓可以提供純黑色不鍍鋅，亦可機械鍍鋅或熱浸鍍鋅。ASTM F1554 Gr.36是可以銲接的。常見的錨栓配置包括一根光面圓鋼棒，兩端車螺牙以重型螺帽鎖住或以錨板銲接在錨栓的錨定端。 ASTM F1554之錨栓材質均屬韌性鋼材，韌性鋼材可定義為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者亦可視為韌性鋼材。ASTM F1554及常用錨栓規格見表1所示。

表1  各種錨栓材質等級與機械性質

三、現行設計規範錨栓混凝土檢核要項

現行《建築物混凝土結構設計規範》第17章（混凝土結構用錨栓）所提供之錨栓設計要求，係探討結構用錨栓埋設於純混凝土中之結構力學行為，針對預埋式基礎錨定螺栓所需檢核要項列舉如下。

四、預埋式基礎錨定螺栓之簡易錨定設計法

現行《建築物混凝土結構設計規範規範》第17章（混凝土結構用錨栓）所提供之錨栓設計要求，係探討結構用錨栓埋設於純混凝土中之錨定設計，惟現行設計規範對預埋式結構用基礎錨定螺栓所需檢核項目甚多且複雜，不但公式煩複又不常用，難以熟悉運用，又因係以純混凝土承受錨栓力量，對預埋式單根基礎錨定螺栓或錨栓群，混凝土強度所能提供的拔出、拉破、剪破等所能提供之可用強度甚低，工程師經常花費很多時間去檢核但計算結果却無法滿足使用需求及耐震需求而坐困愁城。因此建議採用一般鋼筋混凝土結構設計規範的規定及設計方法，不但簡單容易且安全性明確可靠。設計步驟及方法建議如下。

1.決定所需錨栓尺寸及材質:若為固定桶、槽或機械設備所需之錨栓直徑及長度，通常係由桶、槽或機械設備的供應商提供。鋼結構之柱基座及其他情況須由結構設計單位決定錨栓尺寸及材質，於設計初期須對錨栓的可埋置空間（含深度）、邊距、間距及混凝土強度等進行整體評估規劃，並依照結構受力情況（如拉力、剪力或組合受力）選定錨栓材質規格及錨栓尺寸。若結構設計較為複雜或受力較大，亦可考慮使用高強度錨栓或特殊錨栓錨定系統，以配合基礎可用尺寸。錨栓長度以盡可能埋置於柱墩高度範圍内，避免需延伸進入基礎版內而影響施工便利性，惟不得己情況下基礎錨栓仍可進入基礎版内。

2.錨栓之拉力強度依設計規範第17.6.1.2節規定：『單根錨栓鋼材之標稱拉力強度N_sa應由下式計算： N_sa＝ A_se,N f_uta，其中A_se,N為受拉錨栓之有效拉力斷面積cm²，f_uta應不超過1.9f_ya與8,750 kgf/cm²之較小值。』對於螺桿與擴頭式螺栓，ANSI/ASME B1.1 (2003) 定義A_se,N為A_se,N＝π/4〔d_a－0.9743/n_t〕²，其中 n_t 是每公分之螺牙數目。上式計算結果可簡化以0.75取代。選擇適合的錨栓尺寸與材質時，應依據承載需求，優先考慮規範所建議之規格與材質標準，以方便採購。錨栓材質除需具備足夠的強度與韌性外，亦應考慮其耐蝕性及與混凝土間之相容性，避免因環境因素導致腐蝕或劣化，影響結構安全性與耐久性。

3.埋置於混凝土中之拔出強度：依據設計規範第17.6.3.2.2節：『單根錨栓之拔出強度N_p應按(a)或(b)以供式(17.6.3.1)，亦即N_pn＝Ψ_c,p N_p，其中建議Ψ_c,p＝1（經分析顯示在使用載重等級下，設置錨栓之混凝土構材區域會產生開裂 時，Ψ_c,p得使用 1.0；設置錨栓之混凝土構材區域未產生開裂 時，Ψ_c,p 得使用 1.4）。預埋擴頭錨釘或擴頭螺栓之N_p＝8 A_brg f’_c』。建議使用N_pn＝Ψ_c,p N_p＝8 A_brg f’_c，其中A_brg為重型螺帽或錨板的混凝土承壓面積。錨定螺栓之螺帽使用重型六角螺帽，基礎錨定螺栓所産生之上舉力，通常係藉錨栓錨頭之錨定機制，可分為以直桿 (二端部車牙以螺帽作為錨頭)、彎鉤、錨板、螺帽加錨板或擴頭等方式錨定，或於錨定端附加機械錨定措施、或錨栓彎鉤錨定鋼筋等錨定型式。一般在直徑25mm以下之錨栓，其錨定端可採加熱鍛造製造成擴頭型式 (有如螺栓之螺頭)，惟比較常用的是以直桿二端車牙，並以重型螺帽作為錨定端之錨頭及鎖固端之螺帽。以鍛造擴頭型及直桿二端車牙並以重型螺帽作為錨定端之錨頭，係依據錨栓頭部在忽略錨栓桿身摩擦及握裹強度之貢獻下，錨頭因承壓而發生混凝土壓碎極限狀態之強度，而不是將錨栓完全拔出混凝土之極限狀態的強度。局部混凝土壓碎時，會大量降低錨定部的勁度，亦是拔出破壞之起始點。在錨栓頭部區域，周邊配置緊密圍束螺箍筋，可提高擴頭錨栓之拔出強度，其拔出強度增加量可經由試驗求得。L型彎鉤錨定方式之錨栓彎鉤處，局部混凝土壓碎時，會大量降低承壓部的勁度及強度，不建議採用。以鍛造擴頭或直桿二端車牙並以重型螺帽作為錨定端錨頭之錨栓，其錨定效果較佳。重型六角螺帽之寛度，較一般六角螺帽之寛度大約5mm，可以得到較大的混凝土淨承壓面積，「美國機械工程師學會」（ASME/ANSI B18.2.2-2010 Nuts For General Applications: Machine Screw Nuts, Hex, Square, Hex Flange, and Coupling Nuts），列出各型一般螺帽與重型螺帽之寛度尺寸，為了讓錨栓可以發展出較大的拔出強度，建議採用重型螺帽，國内經濟部重型螺帽國家標準，可採用CNS 4236 ，「美國機械工程師學會」重型螺帽標準，可採用ASME B18.2.2-2010 Table 10 (Dimensions of Heavy Hex Nuts and Heavy Hex fam Nuts) (英制)及ASME B18.2.4.6M之規定(公制)。一般六角螺帽，可以採用CNS 3130或ASME B18.2.2-2010 Table 4( Dimensions of Hex Nuts and Hex Jam Nuts)。

4.如果螺栓頭部本身提供的拔出強度不足，也可以提供2個以上相距約3D以上的螺帽或將錨板銲接在螺栓的擴頭端部。

5.錨栓配置的數量建議以多根小號為原則，配置多根小號錨栓可使錨栓與柱墩主鋼筋搭接時產生的錯位距離較小，進而可減小錨栓與柱墩主鋼筋間之錯位搭接長度。若錨栓之可埋置深度不足，則可採將柱墩主鋼筋改為小號多根，以降低搭接長度需求。另外，柱墩主鋼筋端部採用具180度標準彎鉤，或柱墩主鋼筋之端部採連續90度連續彎轉成為帽蓋型之2根柱墩主鋼筋成為連續〝冂〞字形，成為柱墩主鋼筋與基礎錨定螺栓之錨頭間形成二端具T（擴）頭或標準彎鉤之錨定行為，以便錯位搭接長度中之搭接長度部分可由1.3Ld大幅減小為0.7Ld，進而可減小錨栓之埋置深度。

6.鋼柱或設備底面加諸於錨栓之剪力，建議依據現行《鋼結構設計規範》第10.10.2節解說：『錨栓藉摩擦力傳遞剪力時其設計剪力強度如下： V _u≦ φ A _vf μ F_y ≦0. 2 f’_c其中， F_y ＝錨栓之降伏強度，tf/cm²； A _vf＝錨栓之有效張力面積，cm² = ；φ＝ 強度折減係數＝0.75 ； μ ＝摩擦係數（支承於外灌漿襯墊上μ ＝0.55；支承於硬化混凝土面上μ ＝0.7；埋置於灌漿內μ ＝0.9）。』

7.另外，為符合耐震規定，8倍可伸長段。可伸長段可利用凳型基座中錨栓突出混凝土面以上的長度，或於埋入混凝土中螺栓頂部包覆膠帶，塗布脫層劑或塗布柏油等方式隔離混凝土握裹力。

8.其他注意事項配合措施

(1)螺栓材質應盡可能符合ASTM F1554之規定。

(2)如果螺栓頭部本身提供的拔出強度不足，也可以提供2個以上相距約3倍直徑的螺帽或將錨板銲接在螺栓的擴頭端部。螺帽均為重型六角螺帽（HEAVY HEX NUTS）其材質應符合ASTM A563 Gr. DH之規定。

（3）墊圈（WASHER）之材質及厚度應符合ASTM F436之規定。

（4）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。

（5）若錨頭承壓強度不足，可將兩螺帽間隔3倍直徑以上配置，以便共同承擔螺桿之抜出強度。

（6）錨栓鎖緊扭矩之鎖固方法除合約另有規定外，建議至少先鎖緊螺帽至緊貼狀態後，再將螺帽旋轉30°。

（7）參考設計規範第9.7.6節解説中提及：『鋼筋混凝土小梁接入大梁鋼筋混凝土梁一端或兩端跨坐於其支承之鋼筋混凝土梁，且兩梁之混凝土係一體澆置完成時。依據1992年Maccotk及Shen之研究，若支承之鋼筋混凝土梁未配置加強之橫向鋼筋，則其梁腹混凝土可能產生破壞，此加強之橫向鋼筋稱為懸吊鋼筋(hanger  reinforcement)。』，以及第10.7.6.1.6節：『 預鑄構件中，若接合用之續接器或預留鋼筋置於柱或柱墩之端部，續接器或預留鋼筋應以橫向鋼筋圍封，橫向鋼筋須配置在柱或柱墩之端部下緣 12.5 cm 內，且至少有 2 箍 D13 或 3 箍 D10 箍筋或閉合箍筋。』建議柱墩頂部設置不小於鋼柱(或設備水平力)之懸吊鋼筋，且此懸吊鋼筋至少有2箍D13或3箍D10箍筋或閉合箍筋。

（8）依據設計規範第18.3.3.3節：『若於搭接範圍配置閉合箍筋或螺箍筋，則應允許竹節縱向鋼筋之搭接。此圍封搭接鋼筋之橫向鋼筋最大間距應不大於d/4與10 cm之較小值。』建議比照配置橫向鋼筋最大間距應不大於d/4與10 cm之較小值，以防錨栓與柱墩主筋間脫離，及錨頭附近之混凝土保護層脹裂現象。

五、結語

綜上所述，錨栓及相關鋼筋配置不僅需符合設計規範規定，亦應依據實際結構需求及設計規範進行強化與驗證，確保工程安全與耐久性。施工時，應特別留意細部配合措施與合理配置柱墩頂部之懸吊鋼筋與錨栓與柱墩主筋間之橫向圍束箍、繫筋，以降低破壞風險，提升整體結構韌性。唯有嚴格遵循規範與細心執行每一環節，方能真正落實耐震設計安全目標，才可取代現行《建築物混凝土結構設計規範》第17章不符合實務設計需求且複雜的規定。