裝配式體外預應力一字形錨固裝置的研究

王艷武， 吳慶博， 張士煉， 杜順禹， 信改義

(1 河北省建筑科學研究院，石家莊 050021； 2 燕山大學建筑工程與力學學院，秦皇島 066000； 3 河北建研科技有限公司，石家莊 050021； 4 河北建研工程技術有限公司，石家莊 050021)

0 引言

目前，鋼結構的加固通常有兩種技術措施：一種是對原結構進行內力調整，也就是通過有效的措施改變其計算簡圖，另一種是對原有構件進行參數或連接的調整[1]。鋼結構體外預應力加固法是采用添加預應力鋼絞線對鋼結構整體或局部進行加固的方法，該方法的基本思想是采用人為的方法在結構或構件外引入與荷載效應相反的預應力，以提高結構承載能力，改善結構受力狀態(調整內力峰值)，增強剛度(施加初始位移)[2]，后加部分與原結構能較好的共同工作，達到節約材料、降低造價的目的[3]。近年來體外預應力加固技術也被越來越多地應用到鋼結構加固中來，例如周建濤[4]采用體外施加預應力的方法對橋梁進行了加固，使得跨中負彎矩的絕對值減小，有效解決了加固難題。

在體外預應力加固法應用中，施加預應力的鋼絞線與鋼梁的錨固方式大有不同，大部分采用焊接、鉆孔栓接等方式，例如嚴仁章等[5]在端接點處采用焊接索拉節點，實現了鋼絞線與鋼梁之間的連接；陳耀等[6]采用獨立式夾片錨具實現端錨固的連接(承載力300kN)，并對交接處的梁、板均圍焊厚度為10mm鋼板作為加勁肋，進行局部補強處理。

本文就鋼絞線與鋼梁之間的錨固問題設計了一種應用于加固既有門式剛架的裝配式體外預應力一字形錨固裝置。運用有限元軟件ANSYS進行了仿真分析，并將其應用到鋼結構的加固試驗中，與同種工況下運用MIDAS/Gen模擬分析的結果進行對比。通過比較加固后鋼梁各個關鍵節點處的應變及跨中撓度的變化，驗證了該裝置的可行性。該裝置結構簡單、受力明確，改變了以往的錨固端連接方式，可以較好地起到端錨固作用[7]。

1 裝配式節點設計

1.1 節點設計

本文設計了1套裝配式體外預應力一字形錨固裝置，該裝置由2個一字形錨固節點、2個撐桿及1條鋼絞線組成。該一字形錨固裝置各個構件安裝位置如圖1所示。

圖1 裝置安裝示意圖

一字形錨固節點主要由上三角形摩擦裝置、下三角形摩擦裝置、一字形構件、錨固裝置、上固定桿、下固定桿、螺栓及調節桿8部分組成，錨固節點詳圖見圖2。

圖2 一字形錨固節點詳圖

1.2 節點的安裝

一字形錨固節點在使用時將預先定制的兩個上三角形摩擦裝置放置于工字梁上翼緣下側對稱放置，確保上三角形摩擦裝置緊靠鋼梁腹板并與工字梁上翼緣保持垂直，并用特制夾片將其臨時固定，待整套裝置安裝完畢再將特制夾片取下；下三角形摩擦裝置放置于工字梁下翼緣上側相對于上三角形摩擦裝置略微向后(圖2(a))，并且與工字梁下翼緣保持垂直，再安裝一字形構件，通過上下固定桿對構件進行錨固，最后安裝錨固組件；節點安裝完畢再安裝調節桿，調節一字形構件與上三角形摩擦裝置及下三角形摩擦裝置間的距離，確保兩者平行，各構件接觸良好。

錨固節點安裝完畢，用鐵絲將2個上三角形及2個一字形構件繞鋼梁進行臨時錨固，兩端通過鐵絲套環與上固定桿相連,待整套加固裝置安裝完畢可將其取下。

最后鋼絞線穿過錨固裝置通過錨具進行固定，再對鋼絞線施加一定的預應力，整套裝置實現自鎖。

1.3 節點分析

一字形構件、下三角形摩擦裝置與上三角形摩擦裝置形成一個杠桿，下三角形摩擦裝置為支點，將鋼絞線上的預應力轉換到了鋼梁的上下翼緣上，改變了以往錨固節點的受力方式。

在靜力狀態下自鎖：X軸方向上，一字形節點的重力G在X軸方向的分力與鋼梁對上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在X軸方向的分力保持平衡；Y軸方向上，一字形節點的重力G在Y軸方向的分力與上三角形摩擦裝置對一字形構件向下的分力和下三角形摩擦裝置對一字形構件向上的分力保持平衡，整個裝置僅靠自重實現自鎖。

在預應力狀態下自鎖：X軸方向上，預應力F與一字形節點的重力G在X軸方向的分力與鋼梁對上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在X軸方向的分力保持平衡；預應力F與一字形節點的重力G在Y軸方向的分力與鋼梁對上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在Y軸方向的分力保持平衡，整個裝置實現自鎖。

此外該一字形錨固裝置中三角形摩擦裝置對鋼梁上翼緣下側的壓力通過三角形摩擦裝置的底板均勻地施加在鋼梁上翼緣下側，有效地防止了應力集中；三角形摩擦裝置對鋼梁下翼緣上側的壓力通過三角形摩擦裝置的底板均勻地施加在鋼梁下翼緣上側，也有效地防止了應力集中。

1.4 選材方面

根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[8]結構鋼材的選取應遵循技術可靠、經濟合理的原則，綜合考慮結構的重要性、荷載特征及工作環境等因素。本設計選用鋼材牌號Q345，螺栓選取性能等級為10.9的摩擦型高強螺栓，材料性能指標如表1所示。根據《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)[9]摩擦型高強螺栓的材料選用應符合國家現行標準《鋼結構用高強度大六角螺母》(GB/T 1229—91)，對摩擦裝置底面進行噴砂(丸)處理，可以增加接觸面粗糙程度進而增大其與一字形構件接觸面的摩擦系數。對螺栓施加預應力，使各個接觸關系平穩連接起來[10]。

材料性能指標 表1

2 一字形錨固裝置的仿真分析

2.1 有限元建模

運用有限元軟件ANSYS對一字形節點進行模擬仿真，簡化分析過程，使設計分析可視化進而找出危險截面為節點設計提供參考[11]。首先建立裝配式體外預應力一字形加固裝置的三維模型，其端部節點三維模型如圖3所示。然后對三維模型進行網格劃分，得到如圖4所示的有限元模型。

圖3 端部節點三維模型

圖4 有限元模型

2.2 有限元仿真說明

考慮到計算量和計算精度，將模型取對稱部分進行仿真分析。仿真時除預應力索和撐桿采用高階單元Beam188以外，其余部分均采用實體高階單元Solid186/187。由于模型零件較多，仿真的重點在于模型之間的連接，故以下對仿真中零件的連接進行詳細說明。

(1)對工字鋼按對稱軸進行了切分，便于后期檢查結果分析，為了保持連接，將對稱的鋼梁部分都放在一個PART里，即表示對應部分是完全粘接在一起的。

(2)錨固節點對應的連接，考慮到實際情況，我們將一體鋼梁、錨固節點放在了一個PART里，實現其粘接效果；非一體部分采用不分離形式的接觸類型(圖5)，實現相互之間的連接(即螺栓與角鋼的接觸)。

圖5 錨固節點非一體部分(螺栓與角鋼)的接觸

(3)錨固節點與斜工字鋼之間的接觸是仿真的重點部分，所以采用與實際接觸形式一致的標準接觸類型(圖6)，摩擦系數取0.3。

圖6 錨固節點與斜工字鋼之間的接觸

(4)預應力索端部與錨固裝置采用Joint中General的形式實現相互連接；預應力索與撐桿端部采用共用節點的形式連接在一起。

2.3 荷載及邊界條件

仿真計算設置的荷載及邊界條件說明：

(1)將剛架的自重以重力加速度的形式施加在整個結構上。加速度的方向向上，產生的慣性重力是向下的，符合實際情況。

(2)預應力索的材料屬性里設置線膨脹系數，然后給鋼絞線施加溫度荷載，實現預應力的加載。

(3)本次計算取剛架的一榀，不考慮平面外變化。對中間工字鋼對稱面施加對稱約束，剛架底部施加固定約束，整體施加平面外位移約束。

(4)將恒荷載和活荷載轉化為斜工字鋼上翼緣面的均布荷載，以面荷載的形式施加。

2.4 仿真結果及分析

對鋼絞線施加體外預應力后的一字形節點及門式剛架鋼梁受力情況進行了模擬仿真分析，仿真結果見圖7～12。

圖7 節點位置鋼梁等效應力云圖/Pa

由圖7可以看出，應力較大區域主要集中在該裝置的錨固節點處，尤其錨固節點與鋼梁接觸位置，其他位置應力相對較小；摩擦裝置未產生滑移現象，說明該摩擦裝置與鋼梁之間的摩擦力在水平向的分力足夠抵抗由鋼絞線預應力產生的水平力。

由圖8可以看出，鋼梁在錨固節點區域局部應力較大，其中最大應力位于鋼梁下翼緣(與腹板相交處)。該部位局部應力較大主要是由摩擦裝置對下翼緣的壓力及接觸面上的壓力對該翼緣部位的彎矩造成的，因此保證摩擦裝置剛度的同時，該摩擦裝置底板不宜做的太短(寬度接近鋼梁翼緣外伸部分為宜)，以減少其對鋼梁下翼緣的壓強，降低翼緣板的最大應力。

圖8 斜工字鋼等效應力云圖/Pa

由圖9可以看出，錨固節點上下固定桿局部應力較大，其他位置應力相對較小，所以該固定桿應使用截面較大、強度較高的鋼材。

圖9 錨固節點等效應力云圖/Pa

由圖10～12可以看出，接觸面受力狀態主要呈雙條形對稱分布；摩擦應力與接觸面壓強由腹板位置向翼緣邊緣逐漸變小，與梁翼緣應力的變化趨勢相同。翼緣越靠近腹板位置接觸面壓強越大，主要是因為下翼緣越接近腹板，其剛度越大，受壓后變形越小；相反下翼緣距離腹板越遠，其剛度越小，受壓后變形越大，接觸面壓強越小。

圖10 接觸狀態

圖11 摩擦應力等效應力云圖/Pa

圖12 接觸面壓強云圖/Pa

3 試驗及分析

3.1 試驗設計

試驗安裝前準備4個定制的節點(2個一字形剛接端點及2個中間撐桿)、1根鋼絞線(直徑15mm)、2個錨具及1臺東華動態測試儀器等。

裝置兩端采用一字形錨固節點，中間鋼梁長度方向的1/3，2/3位置處分別采用撐桿1、撐桿2，安裝效果如圖13所示。百分表安裝于斜工字梁中間位置。應變片粘貼在門式剛架單跨12個關鍵翼緣位置，具體粘貼位置見圖14。

圖13 安裝示意圖

圖14 應變片粘貼位置示意圖

鋼絞線穿過錨固裝置后，先穿過應力環再通過錨具進行錨固(圖15)，各個節點安裝完畢，鋼絞線施加4kN的預應力實現整套裝置的初步(小預應力)自鎖，確保各個節點連接良好。

圖15 一字形錨固節點意圖

3.2 預應力加載裝置設計

本設計撐桿1、撐桿2為鋼絞線，預應力加載裝置由固定構件、鉸接構件、上連接件、螺桿、焊接方塊、下連接件及穿孔共7部分組成。撐桿詳圖見圖16。

圖16 撐桿1、撐桿2詳圖

安裝時首先安裝一字形錨固裝置于工字梁長度方向的1/3，2/3處的下翼緣，再安裝鉸接構件，最后依次安裝上連接件、螺桿及下連接件，撐桿安裝完畢將鋼絞線從穿孔中穿過，撐桿實圖見圖17。

圖17 撐桿1、撐桿2實圖

加載時，同時使用活口扳子轉動撐桿1、撐桿2的焊接方塊進行加載。

3.3 預應力加載試驗

開始加載，首先將應力環讀數清零、DHDAS動態信號采集分析系統平衡清零，確保5min后各個通道暢通并且在5個應變以內再進行試驗(以免造成較大誤差)。加載人員同時轉動鋼絞線上的撐桿進行加載，鋼絞線應力每增加4kN記錄一次，靜置5min進行一次DHDAS動態信號的平衡取數，并記錄中間支桿伸長量(確保中間旋桿有足夠的安全儲備，確保試驗安全)。逐步加載到40kN(為了確保試驗安全，不對剛架造成破壞)，停止加載靜置觀察，節點無滑動，鋼絞線與各支桿、節點連接保持良好。

24h后觀察有無預應力損失并記錄。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 門式剛架關鍵位置應變對比

各個觀測點應變對比如表2所示(取第10次試驗值作為本次試驗的檢測值)。

采用有限元分析軟件MIDAS/Gen對鋼梁在試驗工況下進行模擬分析，鋼絞線施加的預應力與試驗最終施加預應力相同(40kN)，模擬分析鋼梁各個位置應變值作為本次試驗的模擬值(根據應力-應變關系，將各個節點處的應力換算成該節點的應變)，換算結果見表2(模擬值)。

應變與應力關系：

各個觀測點應變對比/(×10-6) 表2

εE=σ

(1)

式中：E為彈性模量，取206×103N/mm2；σ為應力，Pa；ε為應變，指變形量與原尺寸的比值。

ε=ΔL/L

(2)

取試驗各個位置的應變與模擬值進行對比，對比結果如圖18所示(未特殊說明本文所有位置皆指工字梁下翼緣)。

圖18 應變對比

鋼絞線軸力每加載4kN進行一次取數，停止加載3min后再次進行讀數，記錄軸力見表3。

軸力損失/kN 表3

24h后再次對該裝置鋼絞線應力進行取數，鋼絞線應力為38.5kN與加載穩定3min后幾乎相同，計算出11次鋼絞線的平均應力損失為4.68%。

選取門式剛架應力較大的節點1北(上)、節點1北(下)、端柱南、跨中(下)、節點4北(上)、節點4南(下)及中柱南共計7個位置做試驗值與模擬值的對比，對比發現端柱南、跨中(下)、節點4南(下)及中柱南應變較大，其他位置相對較小；試驗值與模擬值的大小相近、變化趨勢相同；中柱北與中柱南的應變檢測值接近，與實際情況相符。由于實際檢測位置與模擬位置之間存在一定偏差、儀器精度不夠及現場環境等問題使得試驗結果存在一定的差異，但與模擬結果基本吻合，進一步驗證了該裝配式預應力一字形錨固裝置應用于加固門式剛架中的可行性。

3.4.2 門式剛架關鍵位置跨中撓度對比

本試驗跨中撓度采用百分表測量，預應力從開始加載到加載至40kN測得該裝置跨中撓度變化為14mm；使用MIDAS/Gen有限元分析軟件對鋼梁進行模擬仿真分析，加載前后跨中撓度從-7mm到3mm，增大了10mm，由于現場條件限制，試驗結果與仿真結果略有差距，但變化趨勢基本相同。

4 結論

本文設計了一種裝配式預應力一字形錨固裝置，并對其進行了仿真模擬及現場試驗，結論如下：

(1)該錨固裝置中的固定桿局部應力較大，建議使用截面較大、強度較高的鋼材。

(2)該錨固裝置的最大應力位于鋼梁下翼緣(與腹板相交處)，在保證剛度的情況下，該摩擦裝置底板不宜做的太短。

(3)采用該錨固裝置對鋼梁現場試驗加固后，各個關鍵位置的應變及位移的變化與MIDAS/Gen有限元分析結果基本吻合，說明該裝置具有加固效果。

(4)該種裝配式體外預應力加固方法有一定的預應力損失，這種損失在試驗加載完成后3min之內即趨于穩定，損失約5%。

(5)該裝配式體外預應力一字形錨固裝置與剛架主要靠相互接觸、摩擦擠壓實現連接自鎖，可以承擔既定預應力。