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

      2019-11-11 08:15:58潘則名劉吉元張永超劉順江
      鐵道建筑 2019年10期
      關(guān)鍵詞:錨板夾片錨具

      黃 毅,馬 林,潘則名,劉吉元,張永超,劉順江

      (1.襄陽中鐵宏吉工程技術(shù)有限公司,湖北襄陽 441000;2.中國鐵道科學(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[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)劑固化前對預(yù)應(yīng)力筋有良好的附著力,但還有一定的流動性。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程可分成2個階段。第1 階段,放張開始后,千斤頂緩慢泄壓,緩黏結(jié)筋回縮并帶動夾片移動;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。在此過程中,緩黏結(jié)筋相對夾片絲牙產(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,為減小其對錨固效率的影響,將夾片齒部螺距由原來的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)見圖3。

      圖3 夾片和錨板的結(jié)構(gòu)(單位:mm)

      4 有限元分析

      對單孔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)套在施工過程中會剝掉張拉的部分,分析中不考慮;緩黏結(jié)劑對錨固效率的影響可以通過試驗(yàn)驗(yàn)證,分析時需要考慮;預(yù)應(yīng)力筋是由多根鋼絲旋扭而成,夾片咬合預(yù)應(yīng)力筋是一個很復(fù)雜的接觸問題,所以進(jìn)行了必要的簡化處理,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,選取對稱結(jié)構(gòu),忽略了尖角、倒角、小凸臺、小孔等無關(guān)的結(jié)構(gòu)。通過Solid Works 建模,將模型通過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)見表1。

      優(yōu)化后的有限元模型見圖4(a)。錨板小孔端面施加固定約束,整個對稱面施加對稱約束,鋼絞線頂端施加載荷,最大值為583 kN。邊界條件見圖4(b)。

      圖4 錨具的有限元模型和邊界條件示意

      通過ABAQUS 軟件中的C3D8R 單元模擬各組件、各部件的網(wǎng)格數(shù),見表2,合計(jì)60 955個單元。

      表2 網(wǎng)格信息

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

      圖5 組件位移-荷載曲線

      錨具應(yīng)力云圖見圖6??芍孩俳M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(見圖7),夾片為兩片四開式,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

      通過靜載錨固試驗(yàn)來檢驗(yàn)21.8 mm 規(guī)格單孔錨具的機(jī)械性能、可靠性和適用性(見圖8)。

      經(jīng)過多次靜載錨固試驗(yàn),在極限拉力達(dá)到564.7 kN的時候,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,也未發(fā)生滑絲現(xiàn)象。靜載試驗(yàn)結(jié)果見表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

      緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合了有黏結(jié)和無黏結(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)上升了一個新臺階。本文針對緩黏結(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,并對其進(jìn)行了有限元仿真分析和靜載試驗(yàn),下一步將會小批量投入施工現(xiàn)場使用。

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