緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具的研究與設(shè)計(jì)

黃 毅，馬 林，潘則名，劉吉元，張永超，劉順江

（1.襄陽(yáng)中鐵宏吉工程技術(shù)有限公司，湖北襄陽(yáng) 441000；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在提高結(jié)構(gòu)的抗裂性、剛度，改善結(jié)構(gòu)的疲勞特性，降本增效等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1-2］。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使得預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件逐漸輕量化和低負(fù)載，在軌道交通建設(shè)、公路交通建設(shè)、航空領(lǐng)域建設(shè)等行業(yè)中，得到了廣泛的應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)根據(jù)施工工藝及結(jié)構(gòu)傳力的機(jī)理，分為有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)［3］。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，符合抗震要求，但施工工藝復(fù)雜、質(zhì)量難以控制；無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)性能較差，不符合抗震要求，但施工工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量易于控制。緩黏結(jié)技術(shù)既克服了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力與無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的缺點(diǎn)，又綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，是在它們的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的預(yù)應(yīng)力新技術(shù)。

本文主要根據(jù)緩黏結(jié)筋結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制出相配套的緩黏結(jié)錨具。

1 緩黏結(jié)筋

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋由預(yù)應(yīng)力筋、緩黏結(jié)劑和護(hù)套組成，如圖1 所示。緩黏結(jié)劑固化前對(duì)預(yù)應(yīng)力筋有良好的附著力，但還有一定的流動(dòng)性。固化后，預(yù)應(yīng)力筋和護(hù)套之間產(chǎn)生黏結(jié)力形成一體的結(jié)構(gòu)，具有比混凝土更高的強(qiáng)度。護(hù)套表面的波紋起到了固定的作用，使得預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間無(wú)法產(chǎn)生滑移，從而具備傳力機(jī)制［4-5］。

圖1 緩黏結(jié)筋結(jié)構(gòu)示意

2 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具主要由夾片、錨板、錨墊板、螺旋筋、緩黏結(jié)筋等組成，如圖2所示。

圖2 緩黏結(jié)錨具結(jié)構(gòu)

緩黏結(jié)筋從張拉后放張到夾緊的過(guò)程可分成2個(gè)階段。第1 階段，放張開(kāi)始后，千斤頂緩慢泄壓，緩黏結(jié)筋回縮并帶動(dòng)夾片移動(dòng)；夾片就位后，緩黏結(jié)筋受到的橫向夾緊力逐漸增大，夾片絲牙阻止緩黏結(jié)筋回縮的阻力也隨之增大。在此過(guò)程中，緩黏結(jié)筋相對(duì)夾片絲牙產(chǎn)生滑移，滑移一定的距離后被自錨固鎖死。第2 階段，緩黏結(jié)筋自錨固鎖住后與夾片不再產(chǎn)生相對(duì)滑移，隨著千斤頂?shù)睦^續(xù)放張，緩黏結(jié)筋與夾片連為一體繼續(xù)回縮，錨板對(duì)夾片、緩黏結(jié)筋的徑向夾緊力相應(yīng)增大，夾片的絲牙卡入緩黏結(jié)筋一定深度構(gòu)成機(jī)械嚙合，直至最終穩(wěn)定夾緊［6-8］。

3 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具的設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)的變化，需要設(shè)計(jì)出與之相匹配的錨具。夾片式錨固體系是目前最常用、最可靠的錨固體系，其中最關(guān)鍵的是夾片和錨板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了直徑21.8 mm 規(guī)格的緩黏結(jié)筋設(shè)計(jì)夾片和錨板。

在外形結(jié)構(gòu)上，為了保證側(cè)應(yīng)力分布均勻，夾片采用兩片四開(kāi)式的結(jié)構(gòu)。在齒部結(jié)構(gòu)上，由于緩凝黏結(jié)脂的存在，為減小其對(duì)錨固效率的影響，將夾片齒部螺距由原來(lái)的1.25 mm 增加到1.50 mm，齒形角度保持不變，從而增加了齒的深度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，齒部容污能力提高了1.5 倍，提高了齒根部強(qiáng)度。夾片和錨板的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 夾片和錨板的結(jié)構(gòu)（單位：mm）

4 有限元分析

對(duì)單孔21.8 mm 規(guī)格的緩黏結(jié)錨具進(jìn)行有限元分析，以確定該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算錨具（錨板、夾片、緩黏結(jié)筋）在極限拉力載荷下的靜強(qiáng)度，分析錨具在該種載荷條件下的應(yīng)力情況。

由于護(hù)套在施工過(guò)程中會(huì)剝掉張拉的部分，分析中不考慮；緩黏結(jié)劑對(duì)錨固效率的影響可以通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，分析時(shí)需要考慮；預(yù)應(yīng)力筋是由多根鋼絲旋扭而成，夾片咬合預(yù)應(yīng)力筋是一個(gè)很復(fù)雜的接觸問(wèn)題，所以進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化處理，把旋扭的預(yù)應(yīng)力筋等效為直棒建立三維模型。在保證分析精度的前提下，選取對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，忽略了尖角、倒角、小凸臺(tái)、小孔等無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)Solid Works 建模，將模型通過(guò)STP 中間格式的文件導(dǎo)入ABAQUS 中。緩黏結(jié)錨具的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

優(yōu)化后的有限元模型見(jiàn)圖4（a）。錨板小孔端面施加固定約束，整個(gè)對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束，鋼絞線頂端施加載荷，最大值為583 kN。邊界條件見(jiàn)圖4（b）。

圖4 錨具的有限元模型和邊界條件示意

通過(guò)ABAQUS 軟件中的C3D8R 單元模擬各組件、各部件的網(wǎng)格數(shù)，見(jiàn)表2，合計(jì)60 955個(gè)單元。

表2 網(wǎng)格信息

組件位移-荷載曲線見(jiàn)圖5。可知：①載荷為0～530 kN時(shí)，位移呈線性變化，位移變化量為1.6 mm；②載荷為530～583 kN時(shí)，位移呈非線形變化，位移變化量為6 mm；③整個(gè)錨具組件能夠承受583 kN的外荷載。

圖5 組件位移-荷載曲線

錨具應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。可知：①組件最大應(yīng)力位于鋼絞線前段、夾片前端與鋼絞線接觸的部位，最大應(yīng)力為1 858 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度1 975 MPa；②錨板最大應(yīng)力位于其與夾片的接觸面上，最大應(yīng)力為680 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度835 MPa；③夾片最大應(yīng)力位于其與鋼絞線的接觸面上，最大應(yīng)力為1 858 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度1 975 MPa；④鋼絞線最大應(yīng)力位于其與夾片接觸的前段，最大應(yīng)力為1 592 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度1 637 MPa。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)有限元分析結(jié)果，制作了21.8 mm 規(guī)格的單孔錨具（見(jiàn)圖7），夾片為兩片四開(kāi)式，螺距為1.5 mm，表面發(fā)黑處理。緩黏結(jié)筋與夾片、錨板接觸的位置需要將表面的護(hù)套和緩黏結(jié)劑剝離。

圖6 錨具應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 21.8 mm規(guī)格的單孔錨具

通過(guò)靜載錨固試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)21.8 mm 規(guī)格單孔錨具的機(jī)械性能、可靠性和適用性（見(jiàn)圖8）。

經(jīng)過(guò)多次靜載錨固試驗(yàn)，在極限拉力達(dá)到564.7 kN的時(shí)候，緩黏結(jié)筋、夾片、錨板未發(fā)生破斷，絲牙未被磨平，牙間縫隙未被被雜物填充滿(mǎn)，也未發(fā)生滑絲現(xiàn)象。靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。經(jīng)計(jì)算錨具效率系數(shù)ηa達(dá)到97%，試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果一致。

圖8 靜載錨固試驗(yàn)

表3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合了有黏結(jié)和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，且克服了兩者的缺點(diǎn)，使得預(yù)應(yīng)力技術(shù)上升了一個(gè)新臺(tái)階。本文針對(duì)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了21.8 mm 規(guī)格的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具，并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析和靜載試驗(yàn)，下一步將會(huì)小批量投入施工現(xiàn)場(chǎng)使用。