预应力锚固（共8篇）
预应力锚固 篇1
摘要：总结了国内预应力锚固体系的发展现状,对预应力锚固体系的分类及其性能指标做了初步分析,并就锚具应用的动态和发展趋势进行了介绍,以促进预应力锚固体系的研究应用。
关键词：预应力锚固,锚具,钢丝束,钢绞线
预应力技术应用于钢筋混凝土结构中,其发展约有60余年的历史,并已引起世界各国的高度重视,其应用范围和数量已被公认为是衡量一个国家建筑技术水平的一项重要指标。许多国家(包括经济发达国家和发展中国家)在土木、建筑、水利、交通、能源等部门的混凝土结构工程中广泛采用预应力技术,而且还在继续推广和深入发展。
1 预应力锚固技术
1.1 预应力锚固技术在我国的现状
我国的预应力锚固技术在许多领域,如采矿、铁路、海港及工民建系统等开发利用较早,而且比较广泛。而近20年,我国水电建设中的坝体加固,大跨度地下洞室、厂房及大量滑坡与开挖边坡治理等方面的预应力锚固加固也取得了巨大成功,除已建的安康、龙羊峡、葛洲坝等水电站外,新建的二滩、三峡、小浪底等大型水电工程均大量采用了预应力锚固技术,预应力锚固技术已经由事故处理的被动应用进入到了设计中的主动防治,成为设计内容的一部分,其快速、高效、广泛的社会效益和经济效益、加快工期与提高边坡稳定的优越性,是其他传统方法无法替代的。
1.2 预应力锚固的定义
预应力锚固是预应力岩锚与混凝土预应力拉锚的总称,是在预应力混凝土基础上发展起来的一项锚固技术。它可以按照设计要求的方向、大小及锚固深度,预先对基岩或建筑物施加主动的预压应力,从而达到加固或改善其受力条件的目的。
1.3 预应力锚固技术分类
根据锚固预应力筋的不同分为钢绞线锚固体系、钢丝束体系、钢筋束体系及粗钢筋体系。其中钢绞线锚固体系包括QM锚固体系、XM锚固体系、OVM锚固体系、B&S锚固体系、VLM锚固体系等;钢丝束体系包括镦头锚锚固体系、钢质锥形锚(弗氏锚)、锥形螺杆锚、QM及XM锚固体系等;钢丝束体系包括JM锚具、QM体系等;粗钢筋体系包括螺丝端杆锚及精轧螺纹钢锚具等。
预应力锚固随其种类的不同而结构形式各异,但总的来说,均由锚孔、锚束两部分组成。锚孔是设置锚束的钻孔,锚束是施加预应力的主体。锚束系由锚头(又称外锚头)、锚束体(即锚束的自由段)及锚固段(又称锚根或内锚头)三部分组成。锚固段是预应力锚固的根基,系嵌固在锚孔底部的非张拉段;锚头位于锚孔孔口以外,是张拉与锁定预应力的支撑部分,亦属非张拉段;锚束的自由段是连接锚头与锚固段的主体部分,并承受预应力张拉所施加的全部荷载。
锚具可分为下述两种:1)张拉锚具:固定在预应力筋端部,可被用来张拉的一种锚具,在灌浆之前一直暴露在外。2)固定锚具:通常埋入混凝土中的一种锚具,不用于预应力筋的张拉。
预应力锚具虽然属于三类机械产品,但由于其工作的特殊性,强大的单位承载力,所以对加工的零件不能按抽检的惯例去检验,不论是工序检验,还是成品检验,都要逐个检查,不能漏检一件,否则后果不堪设想。
1.4 几种预应力锚固体系的比较
大吨位预应力钢束的采用大大简化了后张拉工艺。对采用悬浇施工的桥梁而言,每一循环预应力束数可大大减少,加之通过将预应力束平弯使锚点位置在断面上的布置固定,大大节省了穿束、张拉、压浆等工序所用的时间,可加快施工进度。其次,采用大吨位预应力束,布束容易,经合理选择后可以做到不易因布束而加大结构尺寸,造成材料浪费。第三,采用大吨位锚具,可减少繁杂的锚固齿块,便于模板简化,加快工期。
对于钢丝束锚固体系来说,它虽然安全可靠,但用于大吨位的锚具施工作业繁琐,且预应力束和混凝土的结合不如钢绞线紧密,再加之不能在施工现场操作,因而限制了它的发展。
而粗钢筋体系中,如螺纹钢筋锚具没有以上锚具的缺点,其加工工艺简单,可靠性优于钢丝束镦头锚具。国外狄威达格(DYW1DAG)系列锚具已十分成熟,显示出强大的生命力,国内目前只有单根螺纹钢筋锚具在施工中应用。
2 预应力筋—锚具组装件锚固技术性能要求
GB 5024-92混凝土结构工程施工及验收规范第6.2.2条规定:锚具的静载锚固性能应由预应力锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数ηa和达到实测极限拉力的总应变εapu,lot确定,其值应符合下列规定:
Ⅰ类锚具:ηa≥0.95;εapu,lot≥2.0%;
Ⅱ类锚具:ηa≥0.90;εapu,lot≥1.7%。
影响锚具锚固性能的几个主要参数的基本概念如下:
1)锚具效率系数ηa。
锚具效率系数ηa的基本定义是表明预应力筋—锚具组装件试验时,预应力束的强度受锚具效应等因素而降低的程度。规范建议:
其中,Fapu为预应力筋—锚具组装件的实测极限拉力,kN;F
2)总应变εapu,lot。
总应变εapu,lot是指锚具组装件试验时钢筋束中第一根预应力筋破断时的应变实测值。其值大小与锚具质量优劣和预应力筋的延性有关。
3)预应力筋效率系数ηp。
国际预应力协会(FIP)建议中的ηp计算公式为:
必须指出,式(2)中的ηp不能直接求得,其力学性能参数Km,εfm,εym,Vs等通过对单根预应力筋的拉伸试验获得,随后方可求出ηp。通过本文文献[2]所介绍的自动量测系统和试验方法,对预应力筋—锚具组装件进行静载锚固性能试验,可获得可靠的数据。
3 对我国预应力锚固技术的展望
毋庸置疑,锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途、经济的造价在混凝土结构工程中显示出重要的地位。为进一步满足各类锚固工程的需要,锚固技术应着重开展以下几个方面的工作:1)加大力度研制适合我国国情、优质高效、功能齐全的综合配套锚固施工机具,以便满足各种工况条件下的锚固施工需要;2)大力研制锚固工程检测仪表,为施工质量控制和工程可靠性检测提供可靠的手段;3)紧密结合工程实际,大胆应用非确定性、非线性力学、人工智能等现代科学理论和技术,采用系统和优化的观点开展锚固设计计算和施工方面的理论研究,为工程实践提供可靠的理论依据;4)大力推广现有锚固工程规范,并在实施过程中不断发展和完善,力争做到锚固工程设计与施工规范有序且科学合理。
4 结语
近年来,工程需要促成预应力锚固技术的发展,工程应用广泛浩大,是预应力锚固技术发展的显著标志。当我们强调工程实践对预应力锚固技术发展的重大意义时,决不能忽视新概念对锚固技术发展的促进作用,即打破学科限制,进行多学科、多领域的共同研究,走综合技术的道路。概念的发展,必然牵一发而动全身。因为只有发展基础科学技术,改革施工方法与施工工艺,预应力锚固技术才能在克服缺点、发展优点的过程中不断前进。
参考文献
[1]李兆龙.预应力锚固体系制作工艺讨论[J].西安工业学院学报,1999(9):19-20.
[2]周明华.预应力筋—锚具组装件锚固性能的静载试验方法[J].工业建筑,1995(10):10-12.
[3]建筑施工手册编写组.建筑施工手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,1988.
[4]施永林,杨建军.预应力混凝土内部锚固区计算[J].山西建筑,2008,34(15):51-52.
大跨度斜拉桥索塔锚固区应力分析 篇2
关键词：斜拉桥；锚固区；有限元方法；应力分析
中图分类号：U443.38文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03005206
Stress Analysis of Anchorage Zone on Tower
of Longspan Cablestayed Bridge
ZHANG Liangliang1a,1b, WANG Hao1a,1b, YANG Zhuanyun2, LIU Hiu2, LIU Shuyang3
(1a. College of Civil Engineering; 1b. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,
Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China；
2.Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, Sichuan, P.R.China;
3.Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, P.R.China)
Abstract:Anchorage zone on tower of cablestayed bridge has complex structures and stress distributions, and keeping it on a safety state under a large tonnage tension and prestress is more concerned in design and construction. The stress distribution of the anchorage zone was analyzed by 3D finite element method. Furthermore, the mechanical properties and the rules of stress distributions were investigated and compared in three different load cases. The results show that the disposition form of level prestressing tendon is reasonable. The stress of the entire tendon is very close to 1 116 MPa under the tension control stress of 1 260 MPa. It is shown that the intensity of the tendon has given full play to prestress and it is not appropriate to increase the tension control stress.
Key words:cablestayed bridge; anchorage zone; finite element method; stress analysis
斜拉桥索塔锚固区是将索力安全、均匀地传送到塔柱的重要部位，考虑到混凝土材料的弹塑性、孔洞削弱、预应力施工工艺的正常误差及预应力钢束锚下集中力作用等各种因素，锚固区受力十分复杂，应力集中现象明显。规范［1］明确提出锚固区应力计算宜采用空间有限元方法进行计算，设计中单纯用平面有限元分析难以全面反映锚固区应力的真实性。中国已对多座实际斜拉桥锚固区节段进行了空间应力分析，并与足尺模型试验结果吻合的比较好［24］。对索塔锚固区施工及运营阶段的不同工况进行了精细的有限元分析，明确主塔的实际受力情况，并反映到施工中，达到对指导施工的意义。1工程概况
某双塔双索面斜拉桥，上塔柱斜拉索锚固段采用矩形空心断面(见图1)，前、后壁厚1.4 m，侧壁厚1.0 m。索塔采用C50混凝土，在桥塔斜拉索锚固段配置了纵、横向9φs15.2(U1～U4)和7φs15.2(U5)的水平预应力钢绞线，呈环向井字形布置（图2）。预应力钢束均采用高强低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值为1860MPa。预应力锚具采用M15-9与M15-7可控低回缩锚具。张拉控制应力对于钢束U1、U2和U3取1 265 MPa，对于钢束U4和U5取1 209 MPa。采用单端张拉，并要求张拉后钢束回缩值小于2 mm。
图1S9～S12塔段剖面图
图2环向井字形预应力体系布置
2实桥索塔锚固区有限元计算模型
2.1有限元模型的建立
分析采用大型通用有限元软件ANSYS建立计算模型［78］（图3）。混凝土、锚垫板和承压环采用SOLID65单元，混凝土的弹性模量取35 500 MPa，密度取2 500 kg/m3，泊松比取0.2。预应力钢索采用LINK8单元，预应力效果采用对LINK8单元设置初应变来模拟。〖=D(〗张亮亮，等：大跨度斜拉桥索塔锚固区应力分析〖=〗
图3S9～S12塔段有限元模型
2.2边界条件
根据对计算结果的多次比较，模型上端面不施加约束，不影响计算结果；根据圣维南原理，下端面约束仅仅影响最下面一个塔段，对于次下塔段的应力几乎没有任何影响。因此本次计算以考虑索力水平分量最大的塔段S11为研究对象，建立了与其紧邻的S9～S12塔段进行分析。索塔模型边界条件为：全部底面节点约束竖向变形，底面长边中线约束顺桥向变形，底面短边中线约束横桥向变形。
2.3计算荷载
1）自重由程序计算。
2）寒潮降温按温差10 ℃施加到实体模型上［5］，内外壁之间按指数函数：T′y=T′0e－a′y变化。式中, a′采用14，相应的T′0采用-10 ℃。
3）索力按整体有限元分析结果见表1。表1索力表
拉索编号恒载主力最大主+附最大内力-J/kN内力-J/kN内力-J/kNHS125 2257 0057 128HS115 2447 0947 194HS105 2577 1607 233HS95 1647 0987 213QS95 0397 0337 071QS105 1136 9827 028QS115 1706 8956 958QS125 2496 8226 906
4）钢束有效预应力计算根据规范［56］，按张拉控制应力，计算各预应力钢束的沿程损失（每一段内近似相等）。主要计算参数的选取见表2，计算结果见图4、图5。表中参数μ为钢筋与管道壁之间的摩擦系数；k为考虑每米管道对其设计位置的偏差系数；ΔL为锚头变形、钢筋回缩和接缝压缩值(mm)；ζ为松弛系数；σcon为张拉控制应力(MPa)；ε∞为收缩应变终极值；φ∞为徐变系数终极值。
图4钢束U1、U2、U3有效预应力表2有效预应力主要计算参数
参数数值参数数值参数数值μ0.15k0.001 5ζ0.022 513σcon1265ΔL2侧壁ε∞1.10×10-4前后壁ε∞1.10×10-4前后壁φ∞1.20侧壁φ∞1.20
图5钢束U4、U5有效预应力
2.4荷载工况
计算时分别考虑了以下3种荷载工况，见表3。表3荷载工况
编号荷载工况设置目的工况1上部结构自重+
张拉预应力为进行张拉预应力束阶段塔体的应力分析，拟定合理的张拉方案，保障安全施工。工况2工况1+
主力最大索力为考察成桥运营的一般情况下锚固区的应力状态；确定合理的配束量；保证适当的安全储备，进而保障成桥的安全使用。工况3工况2 +
附加力最大索力+
寒潮降温为考察成桥运营时在各种不利附加力组合特殊情况下锚固区的应力分布，并确保结构处于安全状态。3计算结果及分析
斜拉桥索塔在竖向以受压为主，对于预应力混凝土索塔，竖向方向往往不是其设计的控制因素，设计中主要考虑要避免水平方向的拉应力。根据以往对单箱室索塔截面受力的研究成果［912］，在索力作用下，其侧壁受力为拉弯组合。由于索力存在很大的顺桥向的分量，导致侧壁有一定的内凸变形，应力主要受侧壁内侧顺桥向应力控制；前、后壁（即斜拉索锚固一侧）受弯剪作用，其主要受横桥向应力控制，最大拉应力发生在外侧孔口附近。
根据节段模型的受力特点，以模型在荷载作用下的危险截面为对象，选取局部隔离体进行有限元模拟分析空间应力分布状态。选取的局部特征点示意图见图6，各局部特征点在3种工况下的应力值见图7、图8。
图6索孔剖面特征点示意图
图7索孔剖面各特征点顺桥向正应力值
图8索孔剖面各特征点横桥向正应力值
3.1工况1作用下应力计算结果
3.1.1顺桥向正应力由图9可知，在工况1作用下塔壁几乎全部处于受压状态，只有前后壁出现很小的顺桥向拉应力；塔段侧壁的外侧、内侧承受顺桥向压应力，并且塔壁内侧顺桥向压应力明显大于塔壁外侧压应力；钢束锚固点处明显存在应力集中现象，以钢束起点为中心向四周扩散。
图9S11塔段顺桥向正应力云图
图10S11塔段横桥向正应力云图
3.1.2横桥向正应力由图10可知，在工况1作用下，索塔前、后壁均承受横桥向压应力，并且外侧压应力储备大于内侧，最大压应力值为-7.66 MPa，以便有效抵消强大索力在外侧产生的拉应力；侧壁承受很小的横桥向压应力或者拉应力。
3.2工况2作用下应力计算结果
3.2.1顺桥向正应力由图11可知，在工况2作用下，与工况1相比较，侧壁外侧、内侧压应力均减小，且内侧减小更明显，即内侧受拉效应更明显，侧壁有一定的内凸变形；前、后壁绝大部分处于受压状态，只在塔壁外侧索孔处出现了很小的拉应力。由于拉索力存在很大的顺桥向分量，锚固区齿板开孔处有严重的应力集中现象，并向四周逐渐扩散减小，最大应力值为-27.24 MPa。
图11S11塔段顺桥向正应力云图
3.2.2横桥向正应力由图12可知，在工况2作用下，前、后壁均处于受压状态，只有在塔壁外侧索孔处局部出现了很小的横桥向拉应力；前、后壁内侧横桥向压应力值大于外侧，说明外侧受拉效应更明显；侧壁外侧在此工况下出现了很小的横桥向拉应力；齿板孔口两侧出现应力集中，最大应力值为-17.70 MPa。
图12S11塔段横桥向正应力云图
3.3工况3作用下应力计算结果
3.3.1顺桥向正应力由图可知，在工况3作用下，锚固区齿板的顺桥向正应力分布与工况2作用下基本相同，由于齿板在塔壁内，寒潮对齿板基本上没影响。寒潮对塔壁的顺桥向应力分布影响较大，尤其是对整个塔壁的外侧；侧壁大部分处于受压状态，只有在塔壁外侧局部出现了较大的顺桥向拉应力。
图13S11塔段顺桥向正应力云图
图14S11塔段横桥向正应力云图
3.3.2横桥向正应力由图14可知，在工况3作用下，锚固区齿板的横桥向正应力分布与工况2作用下也基本相同，寒潮对齿板受力基本上没影响。但寒潮对塔壁的横桥向应力分布影响也较大，尤其是对整个塔壁的外侧，整个塔壁的应力分布不均匀；塔壁外侧出现了较大范围的横桥向拉应力。
3.4应力集中现象分析
有限元分析结果表明，索塔锚固区的应力集中部位主要出现在预应力钢束锚固处，以钢束起点为中心向四周扩散，由于此处预应力建模时是通过节点力加上去的，而在实桥中预应力是分散作用于锚垫板上，其应力集中会大大减弱；另一处应力集中部位在齿板开孔处，即斜拉索张拉锚固部位，锚垫板下方存在较大的压应力［13］。本桥钢垫板下索导管四周设置有加强螺旋钢筋以便应力扩散，并使锚区混凝土更好的处于三向受压状态。由于斜拉索锚垫板下的混凝土为局部承压，根据规范［5］第6.2.9条，对锚下混凝土承载力按下列公式进行验算：KcNc≤Ac(βfc+2.0μtβhefs)
β=A/Ac，βhe=Ahe/Ac
式中，局部承压强度安全系数Kc，取为2.0；预加应力时的预压力Nc，值为7 194 kN；配置间接钢筋的混凝土局部承压强度提高系数βhe，值为1.20；混凝土局部承压时的强度提高系数β，值为2.164；局部承压面积Ac，值为0.19 m2；混凝土轴心抗压强度fc，值为33.5 MPa；锚下间接钢筋的抗拉计算强度fs，值为335 MPa；间接钢筋的体积配筋率μt，值为0.03。
Ac(βfc+2.0μtβhefs)=18 301.07 kN≥
KcNc=14 388 kN
故锚下局部承压区承载能力满足要求。
3.5各工况下预应力钢束的应力值
通过提取单元的应力值，来分析各工况下预应力钢束的应力值是否超过限值，以及其预应力作用是否得到充分发挥。各工况下预应力钢束的最大、最小应力值列于表4。
表4各工况下预应力钢束的最大、最小应力值MPa
钢束编号U1U2U3U4U5最值MINMAXMINMAXMINMAXMINMAXMINMAX工况1870.941 079.22787.411 112.61846.001 106.26916.211 118.74900.521 099.98工况2889.671 091.59785.791 102.51843.021 092.76947.281 095.32891.941 093.20工况3869.651 091.93785.701 102.98857.921 102.44948.991 109.06887.621 090.94
根据规范［5］第6.3.13条，运营荷载作用下，预应力钢筋（钢丝、钢绞线、预应力混凝土用螺纹钢筋）最大应力σp≤0.6fpk，即1 116 MPa。由表4可知，在工况2、3作用下，预应力钢绞线的最大应力都是满足小于等于1 116 MPa的要求，经过分析发现只有工况1中极少数点的应力大于1 116 MPa。但是工况1是施工时的临时工况，工况2才是最主要的工况，所以认为采用1 265 MPa的张拉控制力是满足要求的。4结论及建议
通过对某斜拉桥索塔锚固区进行空间应力分析，从分析的结果可以看出，此索塔中采用环向井字形的布束方式是合理的，效果较好，并得到以下结论及建议：
1）塔壁角隅处预应力束锚固区和齿板斜拉索锚固部位出现较大的应力集中， 设计中要注意这两个部位的局部构造，确保应力较好的扩散。
2）成桥运营时，在寒潮这种特殊组合作用下对塔壁的应力分布影响较大，在塔壁外侧可能出现较大的拉应力。建议优化结构边缘构造，在容易出现应力集中的部位设置加强钢筋网或进行局部构造优化。
3）本桥在钢束张拉时，最大张拉控制应力采用1 265 MPa，各钢束应力已相当接近1 116 MPa，说明钢束的预应力作用已经充分发挥，不宜再提高张拉控制力。
参考文献：
［1］中华人民共和国交通部.公路斜拉桥设计细则(JTG/T D65-01-2007)［S］.北京:人民交通出版社,2007.
［2］项贻强,易绍平,杜晓庆,等.南京长江二桥南汊桥斜拉索塔节段足尺模型的研究［J］.土木工程学报,2000,33(1):1522.
XIANG Yiqiang, YI Shaoping, DU Xiaoqing, et al. Study on the full scale segmental model of tower of cable stayed bridge of the second Yangtze river bridge in Nanjing［J］. China Civil Engineering Journal, 2000, 33(1): 1522.
［3］卓卫东,房贞政.预应力混凝土桥塔斜索锚固区空间应力分析［J］.同济大学学报,1999,27(2):203206.
ZHUO Weidong, FANG Zhenzheng. Spatial stress analysis of the cable anchorage zone in a PC tower［J］. Journal of Tongji University, 1999, 27(2): 203206.
［4］刘钊,孟少平,刘智,等.润扬大桥北汊斜拉桥索塔节段足尺模型试验研究［J］.土木工程学报, 2004, 37(6): 3540.
LIU Zhao, MEN Shaoping, LIU Zhi, et al. Fullscale model test for pylon segment of the cablestayed bridge of Runyang Yangtze river bridge［J］. China Civil Engineering Journal, 2004, 37(6): 3540.
［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.32005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京: 中国铁道出版社,2005.
［6］中华人民共和国交通部.JTG D622004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社,2004.
［7］唐红元.斜拉桥预应力混凝土索塔关键问题研究［D］.东南大学,2006.
［8］Lundgren K, Magnusson J. Threedimensional modeling of anchorage zones in reinforced concrete［J］. Journal of Engineering Mechanics, 2001, 127(7): 693699.
［9］Jo B W, Byun Y J, Tae G H. Structural behavior of cable anchorage zones in prestressed concrete cablestayed bridge［J］. Canadian Journal of Civil Engineering, 2002, 29(1): 171180.
［10］Oh B H, Lim D H, Park S S. Stress distribution and cracking behavior at anchorage zones in prestressed concrete members［J］. ACI Structural Journal, 1997, 94(5): 549557.
［11］徐广民,刘炎海,蔺鹏臻,等.三索面斜拉桥索塔锚固区的应力场分析［J］.兰州交通大学学报,2008,27(4):3336.
XU Guangmin, LIU Yanhai,LIN Pengzhen, et al. Stress field analysis of anchorage zone on tower of cablestayed bridge with three cable planes［J］. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2008, 27(4): 3336.
［12］汪昕,吕志涛.斜向索力下钢混凝土组合索塔锚固区荷载传递与分配关系分析［J］.东南大学学报:自然科学版,2006,36(4):585589.
WANG Xin, LYU Zhitao. Analysis of load transferring and distribution in anchorage zone of steelconcrete composite pylon under inclined cable forces［J］. Journal of Southeast University: Natural Science, 2006, 36(4): 585589.
［13］Lertsima, Chartree. Threedimensional finite element modeling of a longspan cablestayed bridge for local stress analysis［J］. Structural Engineering and Mechanics, 2004, 18(1): 113124.
预应力锚固体系的理论研究 篇3
我国从1988年开始大力提倡和发展预应力技术, 随着我国经济的发展, 尤其是交通和能源的发展, 对预应力产品的需求前景必是非常乐观的。随着三峡工程的建设, 以及2008年北京奥运会和2010年上海世博会的各项设施的建设, 预应力技术将被更广的应用。因此, 预应力锚固体系的需求量也必将不断增长。所以, 对预应力锚固体系的研究必将大有可为。
本项目研究是以预应力锚固技术在工程中的应用为研究对象, 在搜集整理大量资料的基础上, 对预应力锚固技术的工作机理、发展特点、设计理论等方面作了较深入系统的研究, 可为其它工程应用提供一定的指导。
1 预应力锚固体系的研究现状
预应力锚固体系的重要性在于预应力的效果直接取决于锚固体系所能承受的载荷。然而长期以来, 对于预应力技术中关键环节的锚固体系, 我国的研制和开发仍主要建立在试验的基础上, 缺乏科学的理论依据。这除了是因为预应力锚固技术是一个综合性前沿学科, 涉及面广, 牵涉学科多有关, 还因为在对锚具结构进行结构分析时, 存在许多困难:如锚具内部的力学性能并不能通过实验来分析, 锚具本身的复杂形状, 锚具内部的各元件的相互作用复杂等。所以迄今为止, 还没有理论研究或经典公式能充分地预测锚具的特性。这势必会影响到预应力技术的进一步推广和应用。
2 预应力锚固体系的分类
预应力锚固体系, 通常根据锚固预应力筋的不同分为钢绞线锚固体系、钢丝束体系、钢筋束体系及粗钢筋体系[1]。而预应力筋用锚具、夹具与连接器按锚固方式的不同, 又可分为夹片式 (多孔夹片锚具、JM锚具) 、支承式 (镦头锚具、螺丝端杆锚具等) 、锥形式 (钢质锥形锚具、槽销锚具等) 和握裹式 (压花锚具、挤压锚具) 等四种[2]。
而国家标准《预应力钢筋用锚具、夹具和连接器》[3]及行业标准《预应力钢筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》[4]中规定, 按锚固性能不同, 将锚具类型划分如下:
Ⅰ类锚具:除必须满足静载锚具性能外, 尚应满足循环次数为200万次的疲劳性能试验, 在抗震结构中, 还应满足循环次数为50次的低周期反复作用载荷试验。此类锚具适用于承受动载荷、静载荷的预应力混凝土构件。
Ⅱ类锚具:只须满足静载锚固性能的要求。该类锚具仅适用于有黏结预应力的混凝土结构。且锚具只能处于预应力变化不大的部位。
但无论怎样划分, 夹具和锚具所以能夹住或锚住钢筋, 其主要是依靠摩阻、握裹和承压锚固[5]。
依靠摩擦阻力锚固的锚具。如锥形锚、波型夹具、JM-12锚具、XM型锚具及QM锚具体系等, 均是借张拉钢筋回缩带动锚楔 (或夹片) 将钢筋夹紧而锚固的。
依靠承压锚固的锚具。如镦头锚具及夹具、钢筋螺纹锚具, 就是利用钢丝 (或钢筋) 的镦粗头或螺纹承压而进行锚固的。
先张法和后张法自锚构件中的预应力钢筋是利用钢筋与混凝土之间的黏结力进行锚固的。
3 锚固单元受力分析的理论研究
在预应力锚固体系中, 夹片是直接夹持预应力筋的关键性元件, 锚环与夹片一起组成重要的锚固单元, 随着载荷的增加, 当预应力筋受F力时 (预应力筋张拉后的回缩力) , 由于夹片内孔有齿咬合预应力筋, 而带动夹片 (不允许产生滑移) , 进入锚环锥孔内。由于楔形原理, 越楔越紧[6]。其受力分析如下, 受力简图见图1。
图中F表示预应力筋所受的拉力;
α为锚环的斜角;
μ1表示夹片与锚环之间的摩擦系数, 相应的摩擦角为β, 即μ1=tgβ;
μ2表示夹片和预应力筋之间的摩擦系数, 相应的摩擦角为γ, 即μ2=tgγ;
N1为锚环对夹片的垂直反力与它们之间摩擦力的合力;
H为N1在x轴上的分力;
R为预应力筋与夹片之间的挤压力, 且H=R。
为保证锚固可靠, 发挥锚夹具锚固夹持预应力筋的作用, 夹片与预应力筋间的摩擦力应大于或等于F, 以使预应力筋不产生滑动[7]。
即:Rtgγ≥F (式1)
在x轴、y轴上取平衡方程式, 得:
因为H=R
所以F=Rtg (α+β) , R=F/tg (α+β) (式4)
将 (4) 代入 (1) , 得
即, Rtgγ≥Rtg (α+β) , γ≥α+β (式5)
这时, 锚具能够自锚。
当α>β时, 锚具能够自松。
由 (2) 式可见, 夹片要锚固住预应力筋必须产生较大的夹紧力R, 而R与α, β有关。对于α角, 已做过大量的探索研究, α角过小时, 夹片对预应力筋的夹持力、咬伤过大, 易出现断丝较早的情况, 使预应力筋的强度和延性不能充分发挥, 从而导致锚具效率系数偏低;α角过大时, 夹持力减小, 易出现滑丝和夹不住的现象。
由 (3) 式可知, 要保证锚固可靠, 必须增大γ值, 即增加夹片和预应力筋之间的摩擦力和机械啮合力, 因此, 夹片上制造了各种尖齿, 同时要求预应力筋上不得有泥污、锈斑等减小摩擦的物质, 从而实现上述增加摩擦力和机械啮合力的目的。在增加γ值的同时, 应减小α+β值, 其中, 一般α值以5.5°～7.5°为宜[8];而β值反映了夹片背面与锚环锥孔的摩擦系数, 光滑程度越好, 就能提供越大的夹紧力, 因而有时在锚环锥面或在夹片外锥面涂少量的机油或油脂, 以达到提高夹片自锚性能的作用。为降低β值, 还可通过下列四种方法实现:
增加夹片和锚环圆锥面的硬度;
降低圆锥面的表面粗糙度;
在夹片边缘制造倒角;
张拉前清洗圆锥面的泥砂。
然而夹片上的裂缝, 以及碎裂的夹片都增加β值, 而降低锚固可靠性, 因而要尽量避免此些现象的出现。
为了保证锚具的锚固, 有时需要顶压, 即在张拉力达到设计的控制张拉张值后, 在夹片上加顶压力KF, 由于KF力作用, 夹片内齿面产生对钢绞线的R′力, 其与R力方向相反。在R′力作用下, 夹片牙嵌入钢绞线, 使夹片与钢绞线摩擦力加大。当卸载后, 钢绞线弹性回缩时, 钢绞线带动夹片进入锚孔, 同样由于楔形原理, 越楔越紧, 使预应力筋获得牢固可靠的锚固。其受力分析如下。受力简图见图1。
由脱离体沿x、y轴的平衡条件有:
所以 (1+K) tgγ≥tg (α+β) (式6)
和 (3) 式相比, (4) 式中1+K>1, 可以保证锚固的稳定。然而对于那些设计合理, 加工精制的锚具, 不顶压也能得到可靠的锚固性能。与那些需要顶压锚具相比较, 不需顶压的锚具只是比顶压锚具的锚固的回缩值大1mm左右, 对于较长的预应力筋来说, 差1～2mm的预应力损失影响不算大, 而且设计者可事先考虑其损失, 适当提高张拉控制应力。不顶压操作, 给施工带来方便, 提高施工速度。但锚具不顶压对夹片的加工和工艺要求都比较严格。
目前广泛使用的夹片有直剖三片式、斜剖三片式及两片四开式。因三片式回缩后夹片外露不齐, 而且排列的对称性不如两片式, 因而导致三片之间的间隙不均匀, 而这就容易导致钢绞线断丝和滑丝, 进而对锚固性能不利。两片式的夹片带有弹性槽, 弹性槽可以调整夹片及锚环锥孔在制造上的尺寸偏差以及因钢绞线直径带来的误差, 调整夹片的受力使之均匀, 使夹片在全长上的夹痕均匀, 从而增加锚固的安全度。同时两片式夹片的包角大, 接近180°, 增加了夹片与钢绞线的接触面积。因而也就加大了摩擦力。带弹性槽的夹片可以锚固相近规格的钢绞线, 适用范围广, 安装也较方便。
4 结论
从工程使用效果比较, 两片式锚具比三片式锚具的滑丝、断丝率都低, 锚固性能好。其次, 据大量应用单位反映, 两片四开式操作方便、不用顶推、夹片跟进均匀, 同时采用钢丝圈将两夹片箍在一起, 即使出现两夹片摩阻不同, 有跟进不齐的趋势, 在刚度较大, 抗剪力强的钢丝圈的带动下, 两夹片仍会同时跟进, 牢固地将钢绞线锚固。而目前现有张拉设备YCW千斤顶的广泛使用, 也使两夹片更易于推广。
所以本次项目研究将以两片四开式夹片锚作为研究对象, 对其进行力学性能分析、实验研究, 以及数值模拟分析。通过对锚具进行静载锚固性能实验, 测得相关的实验数据, 从而为实现运用有限元分析锚具提供必要的支持。随后, 运用ANSYS软件对锚具进行数值分析, 获得在荷载状态下锚环和夹片的相互作用的状况, 从而实现对锚具在整个实际张拉条件下的力学变化过程的进一步了解。在此基础上, 将数值分析的结果与实验研究的结果进行对比, 从而得到:ANSYS软件是对锚具进行计算机模拟的有效工具这一结论。最后, 本次项目研究对锚固体系进行了优化设计, 通过对不同参数, 如厚度、锥度、体积等, 进行模拟分析, 从而获得不同锚具模型的应力分布状况, 为锚具的最优设计方案提供理论依据。依据分析的结果, 本次项目研究将提出了一个合理的锚具模型, 此锚固体系的受力将更趋合理, 更具效率。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) , 北京, 中国建筑工业出版社, 2002
[2]中华人民共和国行业标准无粘结预应力混凝土技术规程 (JGJ/92—2004) , 北京, 中国建筑工业出版社2004
[3]中华人民共和国行业标准建筑结构荷载规范 (GB50009-2001) , 北京, 中国建筑工业出版社2002
[4]中华人民共和国国家标准钢结构设计规范 (GB50017-2003) , 北京, 中国建筑工业出版社, 2003
[5]麦锦标, 李庆华平板无粘结预应力混凝土施工广东建材2005 (7)
[6]宋玉普预应力混凝土建筑结构机械工业出版社2007
[7]贺普宁, 麻永华预应力混凝土结构耐久性的施工控制铁道建筑2003 (11)
预应力锚固 篇4
目前,采用FRP片材加固混凝土受弯构件有预应力和非预应力两种方式.当采用非预应力加固方式时,主要依靠纤维布端部的粘结区域提供锚固,但相关的试验研究表明,这种锚固方式的可靠性较低,往往容易失效而使得整个FRP的片材被剥离而引起被加固构件失效.因此,常用的做法是在端部加U型箍,同时U型箍可增强构件的抗剪能力[1].当采用预应力方式加固时,目前的锚固体系可分为两类:
(1)通过外部反力架张拉FRP布然后粘贴、养护、放张的施工工艺,通过粘结层提供锚固.但研究表明,采用这种方法时,预应力FRP的张拉预应力水平只能达到200～400MPa[2],与FRP极限抗拉强度相比,预应力水平较低,不利于FRP强度的发挥,同时预应力的效应亦不明显.为了提高初始预应力水平,可在梁端设置有效锚固措施,常用的锚固措施是在梁端设置U形箍、螺栓、铆钉等来提高锚固的可靠性,能够有效防止预应力FRP在梁端发生锚固粘结破坏.
(2)另一个有效的锚固措施是在被加固构件上设置永久性的锚具,此种方法不需要外部反力架体系,而通过加固梁自身提供的反力进行张拉,并依靠在构件端部的永久性锚具来满足锚固要求[3].这种锚固方式可靠性好,可以减小预应力放张时粘贴层的剪切变形,从而降低了传递给混凝土表面的剪力,有效防止加固梁发生早期粘结破坏,使FRP布的强度能充分发挥出来,而且更适合现场加固施工操作,一般不会出现锚固失效现象,可靠性高.但由于锚夹具所需成本较高,且不可重复利用,增加了预应力FRP技术加固的费用,不利于该项技术的推广.
实际工程中的受弯构件因两端不可能是理想的铰结点,所以在受荷后,构件粘贴FRP的端部存在较长的压应力区域.一方面为FRP的粘结锚固提供了足够的长度;另一方面构件受荷后,FRP端部增加的粘结应力较小,附加锚固能够保证其在受载阶段的可靠性.基于这样的理论,结合预应力和非预应力加固时锚固的特点,可综合利用粘结层和附加机械锚固的共同作用,待预应力张拉及粘结层养护完毕之后,在合适的部位设置简易的机械锚固措施,然后可将两端原有的锚夹具拆除,仅依靠端部的粘结和附加的简易机械锚固来提供FRP在整个工作阶段的锚固需要.这种方法称为混合锚固,可充分利用两种锚固方式的作用,提高施工的灵活性,显著降低加固所用锚夹具的费用.
如上所述,为了保证锚固的可靠性,必须对预应力无锚固条件下梁端部应力状态进行分析,以确保粘结层的锚固部分不会破坏.
1 锚固区粘结剪应力
由于构件的端部处于低应力区,所以其主要的应力就是由于预应力纤维布在放张时所产生的剪应力.忽略纤维布放张时混凝土梁的变形,假定粘结层胶体和纤维布是理想的弹性体.纤维布厚tp,宽bp,胶体厚ta.
如图1所示,沿梁纵向取一微元体.由纤维布x方向的平衡可得[4,5]
其中,τ(x)为粘结剪应力,σp(x)为纤维布拉应力.
将式(1)对x微分得
胶体的剪切变形与剪应力τ(x)的关系为
其中,Ga为胶体的剪切模量,u(x)为胶体沿纵向的变形.
其中,u1(x)为混凝土梁底沿x方向的位移,u2(x)为纤维布沿x方向的位移.
由于忽略混凝土的变形,所以u1(x)=0,从而由式(3)得
将式(5)对x微分得到
其中,ε2(x)为胶体下边缘的拉应变
将式(7)代入式(6),并与式(2)比较可得
其解为
其中,,C1,C2为待定系数.
将式(9)代入式(1)可得粘结剪应力的解
设端部所需锚固长度为l,可确定边界条件为
由式(9),(10)和式(11)得τ(x)=ασconcosαx.即为剪应力分布方程,端部最大剪应力为
其中.
2 粘结剪应力试算
先按完全弹性代入典型环氧树脂胶和碳纤维布的数据(见表1).环氧树脂厚度tα=1 mm;纤维布:厚度tp=0.17 mm,弹性模量EP=2.33×10[5] MPa;张拉控制应力:σcon=800MPa.
将以上数据代入式(12)有
以上数据说明,作为普通较硬的环氧树脂胶所能允许的预拉应力非常有限.再考虑胶体的塑性变形,设胶体的塑性变形系数为β(塑性变形与弹性变形的比值),则端部粘结应力的分布如图2所示.通常普通环氧树脂胶的β约为1.3[6],τmax0=τmax/(1+β),如考虑加入增塑剂和增韧剂,剪切模量下降约20%,此时τmax=148.2MPa,β可提高到4～5,但强度将会降低约20%[7],τmax0=29.7～24.7MPa,此时环氧树脂胶的强度为32.8MPa,粘结锚固已符合要求.
3 结论与建议
实验证明,混合锚固理论具有可行性.纤维布U型箍由于无法形成有效的压力,因此锚固效果不佳,试验中出现锚固部分失效现象(预拉应力800MPa,纤维布2×75×0.17 mm);而钢板压条(5 mm厚,60 mm宽,用Φ6螺栓收紧)效果较好,在放张阶段与加载阶段且经长期持荷(1个月)均未出现锚固失效现象.
通过以上的分析可知:
(1)通过调整粘结层的相关参数,可大幅度提高粘结锚固的能力,能够为被加固构件提供足够的预应力;
(2)由于粘结层的离散性较高,可靠度相对较低,所以应增加简易的附加锚固措施,提高锚固的可靠性;
(3)附加锚固的形式建议采用钢板压条;
(4)粘结锚固对于粘结层的质量要求较高,必须有相应的工艺措施加以保证;
(5)附加锚固措施的构造形式应便于施工且能有效提供挤压力.
摘要：通过对预应力FRP放张后端部应力状态的分析后发现，适当加大粘结层的厚度和提高粘结层的变形性能可大幅度提高端部粘结锚固的能力，满足预应力加固的需要．附加的简易锚固措施可进一步提高锚固能力和可靠性．分析为预应力FRP加固技术的成本降低和施工工艺简化提供理论依据．
关键词：预应力FRP,加固,锚固,应力分析
参考文献
[1]叶列平，冯鹏．FRP在工程结构中的应用与发展．土木工程学报，2006，3：24～36(Ye Lieping，Feng Peng．Applications and development of fiber-reinforced polymer in engineer- ing structures.China Civil Engineering Jourual,2006,3: 24～36(in Chinese))
[2]谢群，陆洲导，余江滔．预应力FRP加固钢筋混凝土结构若干问题的探讨．工业建筑，2005，35(7)：93～95(Xie Qun，Lu Zhoudao,Yu Jiangtao.Research on problems of reinforced concrete structures strengthened with pre-stressed FRP. Industrial Construction,2005,35(7):93～95(in Chinese))
[3]卢亦焱，黄银粜，张号军等．FRP加固技术研究新进展．中国铁道科学，2006，3：34～42(Lu Yiyan，Huang Yinshen，Zhang Haojun,et al.New developments of FRP reinforce- ment technique research.China Railway Science,2006,3: 34～42(in Chinese))
[4]陆新征，叶列平，滕锦光等．FRP-混凝土界面粘结滑移本构模型．建筑结构学报，2005，4(26)：10～18(Lu Xinzheng，Ye Lieping,Teng Jinguang,et al.Bond-slip model for FRP- to-concrete interface.Journal of Building Structures,2005, 4(26):10～18(in Chinese))
[5]王文炜．纤维复合材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究．[博士论文]．大连：大连理工大学，2003(Wang Wenwei．Re- search on fiber composite reinforced concrete beam flexu- ral properties.[Ph D Thesis].Dalian:Dalian University of Technology,2003(in Chinese))
[6]郑瑞琪，余云照著．结构胶粘剂与胶接技术．北京：科学出版社，1993
现浇箱梁预应力张拉锚固施工技术 篇5
由于预应力锚固端的预应力张拉控制是连续箱梁桥施工技术的核心之一, 因此预应力张拉端施工技术的质量能否得到控制关系到整个桥梁系统建设施工的成败。因此, 国内外有不少学者针对于张拉控制技术做出了相关研究。比如, 1997年姜继强对钢绞线的张拉工艺做出了相关阐述[1];2006年张华于总结了巴漏河大桥大吨位预应力施工的若干工艺[2];;宋和平, 黄秀钢, 赵丽等, 通过对大连一霍尔果斯高速路吐鲁番段建设项目中箱梁上部结构关键部位施工工艺的进行了总结和分析[3];杨超以张石高速公路四十里峪大桥现浇箱梁为例, 介绍了无落地支架现浇箱梁的施工方法[4]。
2 工程概况
2.1 桥梁构造
广东省旧省道跨线箱梁桥的22.5+30+22.5m现浇段, 其截面形式为单箱双室, 其详细尺寸见图1。主桥主跨 (30m) 范围内设置预拱度, 跨中至主墩由3.2cm变为0, 按1.5次抛物线过渡, 边跨不设置拱度。
2.2 工程材料
箱梁混凝土采用C50混凝土, 钢绞线采用高强度、低松弛的270级钢绞线, 每根截面积139mm2, 标准强度fpk=1860MPa, 锚下张拉控制应力δcon=0.75fpk, 张拉采用张拉吨位与引伸量双控, 并以张拉力为主。主要工程材料及其数量见表1。
3 张拉工艺
张拉控制应力:δcon=0.75fpk=1395MPa
张拉程序:0→10%→20%→100%σ (持荷2min锚固) 。张拉伸长率应控制在±6%范围内, 若不满足应检查其原因再张拉, 也可将张拉程序调整为0→15%→30%→100%σ (持荷2min锚固) 进行张拉。为减少张拉时的锚具回缩损失, 张拉时进行超张拉1%~3%。张拉顺序应严格按照图纸要求进行施工。
张拉步骤:清除垫板及压浆孔的灰浆, 若垫板周围有混凝土不密实或松散混凝土的情况, 应用钢筋头敲打, 使表面松散混凝土脱落及凿毛, 用环氧砂浆补上, 待强度达到85%以上时才能进行张拉。
4 张拉锚固结构施工
4.1 锚固结构构造
对于单箱双室现浇箱梁的锚固结构体系本文以A型锚固块构造为例进行阐述, A型锚固块设置在箱梁低板与腹板交接处, 其具体构造如图2所示。在钢筋密集、异形钢筋无法使用时, 首先必须满足锚固要求[5]。拉力型锚索沿锚固段的黏结应力分布很不均匀, 锚固段近端容易出现应力集中现象, 因此需要通过张拉工艺的调整, 将锚索荷载不均匀性降低, 以满足工程使用需要[6]。
4.2 锚垫板安装
张拉端头模板安装时, 应将箱梁的部分钢筋割断 (在顶层和底层钢筋应保留) , 侧面上的纵向钢筋应预留出连接接头 (长度不小于15cm) 再装模板, 同时应注意工作锚环或锚板对中, 夹片均匀打紧并外露一致。锚垫板必须与应力钢束垂直放置, 垫板中心应对准管道中心, 安装时用螺丝固定在箱梁端头模板上, 并用双面胶密封, 防止浇筑混凝土时漏浆, 且必须牢固, 防止松动。锚垫板安装示意图见图3。
5 张拉伸长值计算与校核
张拉千斤顶采用OVM15型千斤顶, 张拉采用张拉力和伸长值双控, 以张扩力为主。额定张拉控制力以千斤顶油泵读数为准, 钢绞线引伸量作为校核, 实际伸长值和理论伸长值相比误差应控制在6%以内。且必须对称张拉, 每次张拉均应量测伸长值。
预应力筋张拉时, 通过伸长值的校核, 可以综合反映张拉力是否足够, 孔道摩阻损失是否偏大, 以及预应力筋是否有异常现象等。
5.1 理论计算
本文以N1钢束为例对张拉伸长值进行校核。单根钢绞线的设计张拉力p1=187.5KN, 箱梁N1钢束有17根钢绞线, 则其张拉应力为p=17×187.5KN=3187.5KN。千斤顶长0.5m, 两侧钢绞线工作长度为1m。根据预应力筋理论伸长值及预应力筋平均张拉力的计算:
式中:
ΔL——预应力理论伸长值, cm;
——预应力筋的平均张拉力, N;
L——从张拉端到计算截面孔道长度, cm;
Ay——预应力筋截面面积, mm2, 单根钢绞线截面积140mm2;
Eg——预应力筋的弹性模量, MPa, 1.95×105MPa=1.95×105N/mm2
p——预应力筋张拉端的张拉力, N;这里取N1钢束单根钢绞线片p=187500N
k——孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数, 这里取0.0015;
θ——从张拉端到计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和, rad;
μ——预应力筋与孔道壁的摩擦系数, 取0.25
N1钢束单束钢绞线伸长量计算值:
5.2 伸长量施工校核
对预应力筋张拉伸长值的量测, 应在建立初应力后进行。预应力钢材张拉后, 应测定预应力钢材的回缩量与锚具的变形量, 其值不得大于6mm, 若大于此值, 应重新张拉或更换锚具后重新张拉。其实际伸长值ΔL=ΔL1+ΔL2。式中:
ΔL1——从初应力至最大张拉力之间的实测伸长值;
ΔL2——初应力时推算伸长值。
实际施工过程中N1的伸长量实测值为ΔL=55.4cm。实际伸长值和理论伸长值相比误差 (55.4-52.8) /52.8=4.9%<6%, 则施工合理。
6 结语
本文通过对广东省旧省道K18+192.73~K18+353.27跨线连续箱梁桥的现浇段预应力张拉预应力钢绞线施工工艺的阐述, 对张拉端锚固构造与施工的介绍, 对钢筋伸长量的计算与控制总结形成了现浇箱梁张拉锚固端的一系列施工技术。经预应力筋伸长量的理论计算和施工现场实测值进行校核, 结果表明本施工技术是合理的。本文可以为现浇箱梁的预应力张拉端施工与设计提供一定的技术参考。
参考文献
[1]姜继强.钢绞线先张法预应力混凝土梁的张拉工艺[J].筑路机械与施工机械化.1997.14 (1) :33-34
[2]张华.现浇箱梁超长大吨位预应力施工技术[J].铁道建筑.2006. (3) :11-13.
[3]宋和平, 黄秀钢, 赵丽等.现浇箱梁上部结构的施工[J].筑路机械与施工机械化.2008.25 (7) :58-60.
[4]杨超.四十里峪大桥无落地支架现浇箱梁施工技术.铁道标准设计.2009. (9) :60-63
[5]柯永.大直径钢筋连接中机械接头与锚固块的使用.建筑施工.2000.22 (1) :34-36.
[6]张勇, 许蔚峰, 盛宏光, 张向阳.张拉工艺对压力分散型锚索.荷载不均匀系数的影响.岩石力学与工程学报.2009.28 (A01) :2954-2959.
预应力锚固 篇6
1 预应力锚固技术的概述
公路是国家基础设施体系中重要的一部分, 为了促进西部地区的开发, 公路建设在西部开发中占据着重要的意义。我国地大物博, 不同的地理环境下地质条件存在着巨大的差异, 地质灾害也是从古至今一直存在的较为严重的问题, 西部地区特殊的地理条件导致了公路边坡的坍方、滑坡等问题, 这些问题不仅对人们的出行安全带来了困扰, 也造成了国家经济的严重损失。因此, 山区高级公路建设和灾害的防治是我国公路建设中急需解决的重大地质工程问题。
1.1 预应力锚固技术的分类
在山区高等级公路的建设过程中, 比较突出的问题就是边坡稳定性的问题, 在保护环境的同时, 要想防治灾害的发生就要对边坡进行加固的处理。公路边坡工程是非常复杂的地质工程, 边坡的地质工程条件要以环境为基础, 从各方面考虑边坡稳定性的因素来开展实施工程。在通常情况下, 公路边坡锚固体系也有着不同的分类, 在我国地质工程常见的锚杆种类中, 可以大致分为端头锚固式锚杆、摩擦式锚杆、全长黏结式锚杆等。而应用比较广泛的锚杆有快硬水泥卷锚杆、树脂药卷锚杆、砂浆锚杆等。在加固的过程中, 应用的锚索类型也有不同的种类, 不同类型的锚索划分的依据是根据不同的分类方法来划分的, 例如将锚索分为钢绞线束锚索和高强钢丝束锚索就是按照锚索体种类划分的。
1.2 预应力锚固技术的特点
根据以上对于公路边坡锚固体系的分类, 可以看出公路边坡锚固体系也有着自身的特点。一般情况下, 公路边坡锚固体系具有处治规模和加固深度较小的特点, 公路边坡锚固与大型的矿山水电等部门的加固深度和规模相比较而言是较小的。在山区的公路建设中, 公路施工的环境比较差, 这样就造成了公路边坡施工条件的限制, 使得工点分散。施工的场地也狭窄, 导致大型机械化设施难以开展施工, 只能依靠人工和一些小型的机械来完成公路边坡的加固。对于边坡形成的时间来讲, 对施工的速度也是有要求的, 因此, 就要控制锚固体系施工稳定边坡的时间, 要求缩短时间, 从而也给施工的质量带来了不小的难度。在浅层控制方面, 公路边坡锚固技术要考虑到对浅层边坡形变的控制, 要以小荷载体为主来开展边坡加固。
2 预应力锚固技术在公路边坡中的应用意义
上面已经对公路边坡锚固技术的分类和特点进行了大致的分析, 我们可以看出, 公路边坡锚固技术施工场地差、边坡成型时间短、施工速度要求高等特点。根据以上的信息及特点分析, 探索公路边坡锚固工作的实际操作中应注意的问题和预应力锚固技术在公路边坡锚固应用的意义, 掌握其特点, 充分的发挥预应力锚固技术在公路边坡中的优势, 以保证公路边坡锚固施工的质量和施工进度。
2.1 预应力锚固技术在公路边坡中的选型及设计
要了解预应力锚固技术在公路边坡中的选型, 就要对公路边坡的特点有一定的认识, 在高等级公路的建设中, 公路的边坡是有一定的特殊性的, 在规模上有别于水电边坡和矿山边坡, 公路边坡的规模相对是较小的。在这种带状分布的条件下, 应该从全局考虑, 通过对不同地段地质的勘察发现地质对边坡稳定性的影响力度, 控制边坡角度和位置来达到边坡稳定性的要求。在边坡锚固体系加固的方法中, 首先要对边坡的稳定性做出正确的分析, 根据实际情况来选择边坡的破坏模式, 破坏模式有平面破坏、楔体破坏、倾覆破坏和土体破坏等几种类型。预应力锚固技术在公路边坡的选型中, 我们要注意公路边坡锚固体系设计的安全性, 考虑整体的可靠性和耐久稳定性, 整体的防护也要有合理的加固设计。对于施工方面来讲, 设计应当尽量考虑到施工的简便和施工效率的问题, 选择成熟的技术不仅可以提升施工的效率而且也有助于降低工程造价, 最后一个方面就是要提高工程美观的效果。
2.2 预应力锚固技术在公路边坡中的应用意义
在我国的西部地区, 山路是典型的路段, 要在山路中建设高等级公路就会遇到各种各样的边坡加固的问题。根据实际的工程测试, 我们需要了解当地地区的地质情况, 预应力锚固技术在公路边坡的应用有着很大的意义。要保证边坡施工的质量安全, 就要对抗滑桩的质量进行检测, 充分应用相应的预应力抗滑桩技术的质量检测方法来保证工程的安全。预应力锚固技术在公路边坡实际应用中是多方面的, 考虑边坡的地理位置和地质情况, 要对边坡稳定性做出具体的分析, 根据实际情况给出边坡加固方案, 通过对工程勘测的实际情况进行选取, 并且进一步设计加固的方案, 达到边坡加固的目的。这些技术的应用一方面在坡边加固处治的工程中起到了指导作用, 确保了工程质量, 另一方面为以后的坡边工程建设也提供了宝贵的经验。
由于公路建设是巨大的工程, 公路坡边预应力锚固的工程设计方面也是需要考虑经济方面的因素的, 在选择不同类型锚杆和锚索方案时, 其工程造价方面也是不同的, 工程造价要在国家规定的范围之内, 出现超出预算的情况, 要及时调整和改进方案。而预应力锚固技术在公路坡边技术的应用大大优化了公路坡边加固的方案, 不仅有了更多的选择, 也大大提高了经济效益, 使得公路坡边加固在节约经济成本的基础上, 同时保证了公路坡边加固工程的质量, 提高公路坡边加固工程的工作进度和效率。
3 总结
预应力锚固技术在公路坡边加固的应用有不同的类型, 要根据具体的地理环境来选择不同的施工方案。在研究了大量的示范工程数据后, 通过对其进行理论的分析, 现有的一些锚固体系的方法无论是在选型方面还是在锚杆和锚索质量的测试方面都能够有效的提高工程实施的质量, 公路的预应力锚固边坡测试是实体工程测试锚固技术的最简洁方法, 通过测试来分析锚索拉力等一些问题是否到达要求。预应力锚固技术在公路边坡中的应用具有很大的意义, 在公路建设这项庞大的工程中, 施工人员需要不断的努力探索研究来完善施工方案, 在实际工作中也需要大家多方面的努力来提高预应力锚固技术在公路边坡中的应用。
摘要：近年来, 我国的经济取得了稳定较快的发展, 随着我国综合国力的总体提升, 国家对公路建设的规模也越来越大。随着社会的发展和进步, 国家加大了对于公路的建设力度, 使人们的出行更加方便快捷。在公路建设的过程中, 山区高等级公路建设是比较复杂的, 存在着许多艰巨的任务。国家对于山区高等级公路建设过程进行探索, 发现比较突出的问题就是如何保持边坡的稳定性。边坡稳定性对于山区高等级公路的修建起着至关重要的作用, 在保护环境和预防地质灾害的前提下, 我们需要考虑边坡加固的问题, 而锚杆锚索预应力加固技术则是解决这些问题非常实用的方法。
关键词：公路边坡,预应力锚固技术,公路建设
参考文献
[1]叶强, 刘强.岩土锚固技术在公路边坡治理中的应用[J].公路, 2011, (12) :43-45.
[2]李来伟, 连新强.预应力锚固技术在水利水电施工中的应用[J].低碳世界, 2014, (10) :82-83.
[3]李元琴.预应力锚固技术在边坡支护中的应用研究[J].低碳世界, 2014, (19) :189-190.
[4]李英勇, 张思峰, 王松根等.预应力锚固结构腐蚀介质作用下的耐久性试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27 (8) :1626-1633.
[5]李英勇, 张顶立, 张宏博等.边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究[J].岩土力学, 2010, 31 (1) :144-150, 157.
预应力锚固 篇7
国内外已研究开发的钢材锈蚀防护措施包括:修补法、钢筋涂 (镀) 层法、阴极保护法、钢筋阻锈剂等。涂层法由于锚固工程张拉变形量太大, 目前基本不可行。钢筋阻锈剂由于特有的经济性和实用性, 已得到工程界的普遍认可, 如能在水泥浆中掺入阻锈剂防腐, 具有巨大的应用前景。
自制一种氨基醇类阻锈剂, 通过力学性能、盐水浸烘环境中防锈性能、张拉钢绞线盐水浸泡、盐雾等试验对其阻锈效果进行评价。
1 试验方案
1.1 力学性能试验方案
试样制备和试验方法参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行。其中水灰比为0.5, 采用基准水泥, 阻锈剂掺量为胶凝材料的1‰。一组为3条试体, 试体为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体。
1.2 盐水浸烘环境中防锈性能试验方案
1.3 张拉钢绞线盐水浸泡试验方案
1.4 净浆盐雾试验方案
2 结果与分析
2.1 力学性能试验
通过内掺与未掺阻锈剂的1 d、3 d、7 d、28 d龄期净浆的抗折抗压强度, 研究阻锈剂对净浆不同龄期力学性能的变化规律。
制备的未掺阻锈剂净浆、内掺阻锈剂净浆不同龄期的抗折、抗压强度见表1。
从表1可以看出, 内掺阻锈剂对净浆的力学性能影响不大。
2.2 盐水浸烘环境中防锈性能试验
4个循环后, 劈开净浆, 观测钢筋锈蚀面积。试验结果表明, 该阻锈剂具有一定的防锈功能。
2.3 张拉钢绞线盐水浸泡试验
目前绝大部分锚索工程都为拉力型, 模拟现场高应力状态, 观测阻锈剂对钢筋锈蚀的作用 (见图1、图2) 。
从图1、图2可以看出, 未掺阻锈剂的钢绞线锈蚀比较严重, 因腐蚀产物溶液变黄, 而掺入阻锈剂的钢绞线表面光亮, 溶液清澈。
2.4 净浆盐雾试验
在高温、高湿、高腐蚀性的盐雾试验条件下, 对比未掺阻锈剂和掺阻锈剂净浆锈蚀的情况。盐雾腐蚀试验设备和试样见图3。
经过一段时间盐雾试验后, 未掺阻锈剂试样出现点蚀, 而掺阻锈剂试样暂时没有出现锈蚀状况 (见图4) 。
3 结论
(1) 自制氨基醇类阻锈剂对净浆的力学性能没有影响。
(2) 该阻锈剂在高温、高湿、高腐蚀性介质环境中, 展现出较好的阻锈性能。
(3) 阻锈剂在高应力状态下仍具有阻锈效果。
参考文献
[1]郑靓, 余其俊, 杨墨.阻锈剂在钢筋混凝土结构中的作用研究[J].广东建材, 2007 (11) :38-41.
[2]朱帆.钢筋阻锈剂的钢筋砼结构中的应用和发展[J].科技信息, 2007 (26) :315.
[3]洪定海.钢筋腐蚀引起混凝土结构破坏的修复对策[J].建筑材料学报, 1998, 1 (3) :271-277.
[4]陈喜旺, 黄天贵, 史忠, 等.海洋冻融环境防腐阻锈混凝土的研究与应用[J].建材技术与应用, 2008 (11) :9-11.
预应力锚固 篇8
1 预应力锚固技术的设计概述
1. 1 预应力锚杆的材料设计
近些年来, 预应力锚固技术发展迅猛, 在不同的支护工程中, 使用的锚杆材料也有所差异。其中, 灌浆型预应力锚杆是坑边坡支护中最为常用的, 施工条件较低、操作简单、加固效果显著。在灌浆型预应力锚杆设计中, 可以分为土层锚杆和岩层锚杆两种, 根据锚杆承载力设计值大小, 选用的材料分别是钢筋、钢绞线或高强钢丝、精轧螺绞钢筋。
1. 2 预应力锚杆的受力设计
( 1) 预应力锚杆受力分析。在岩土体锚固支护中应用的预应力锚杆, 其受力主要是拉力, 其对岩土体的锚固作用原理为: 深入到岩土层中的锚固杆对岩土层有一定抗拔作用力, 在锚固段杆体受力时, 由于锚杆与水泥砂浆之间有粘结力, 会先将受力传递到砂浆中, 然后经砂浆传递到土体中。在力的传递过程中, 荷载增加时, 锚杆与水泥砂浆间的粘结力会逐渐向锚杆下端发展, 当锚固段粘结力达到最大时, 就会与土体间发生相对位移, 直到最大摩擦力为止。锚杆位移量在一定范围内是与拉力大小成正比的, 但当超过一定值时, 会出现位移突然增大。在不增加拉力的情况下, 依然会持续位移, 锚杆功能被破坏。在预应力锚固技术中, 锚杆的承载力是此技术应用的核心所在, 其影响因素主要有: 锚杆材料本身的极限抗拉强度值、锚杆与锚固体间极限粘结力值以及锚固体与岩土体间极限侧阻力值。在各个影响因素中, 其决定性作用的是岩土体与砂浆间的极限侧阻力。
( 2) 预应力锚杆的设计计算。根据锚杆的受力原理, 在预应力锚固技术应用时, 需要分别计算以下几个值, 以确保预应力锚固技术达到预定效果, 具体有: 首先, 锚杆截面积的确定。在确定锚杆截面积前, 需要先明确锚杆的轴向拉力标准值 ( Nak) 和设计值 ( Na) , 其公式分别为:
其中, Htk是锚杆水平拉力标准值, α 是锚杆倾角;
γQ是荷载分项系数。根据公式 ( 1) 和 ( 2) , 可以确定锚杆截面积 ( As) 为:
公式中 γ0、fpy分别表示边坡工程重要性系数、锚杆抗拉强度设计值, ζ2为锚筋抗拉工作系数, 永久性锚杆和临时性锚杆分别取0. 60 和0. 92。
其次, 计算锚固体与岩土层间的锚固长度, 其公式为: la≥Nak/ ζ1πD frb, la、D分别表示锚固段长度和锚固体直径; 为锚固体与岩土层间粘结强度特征值, 采用规范规定值或现场试验值; ζ1为锚固体与岩土层粘结工作系数, 永久性锚杆和临时性锚杆分别取1. 00 和1. 33。
( 3) 计算锚体材料与锚固砂浆间的锚固长度, 公式为: la≥γ0Na/ ζ3πnd fb, 其中, la、d、n分别表示锚杆钢筋与砂浆的锚固长度、锚杆钢筋直径以及钢筋数量; γ0表示边坡工程重要性系数, fb为锚杆钢筋与砂浆间粘结强度设计值, 采用规范规定值或现场试验值; ζ3为锚杆钢筋与砂浆间粘结工作系数, 永久性锚杆和临时性锚杆分别取0. 60 和0. 72。
2 在矿坑边坡支护中的实践分析
2. 1 矿坑概况
以某尾矿坑边坡治理工程为例, 矿坑为凹陷坑, 坑长约为400 m, 坡高在15 ~ 32 m左右, 坡角约为70 ~ 85°。矿坑周边岩体虽然是单斜岩层, 岩面与坡面相反, 岩层倾角小于边坡角, 但岩体中存在大量节理裂隙, 容易发生崩塌。同时, 在矿区开采作业中, 经大量开采后, 形成了较为陡峭的边坡, 在暴雨时, 容易发生滑坡、泥石流等灾害。此外, 矿坑附近有居民楼, 最近居民楼与矿坑距离为12 m, 一旦发生滑坡等自然灾害, 会严重威胁周边居民的生命财产安全, 故而, 此尾矿坑边坡定为一级边坡进行处理。
2. 2 预应力锚固技术的设计与施工
( 1) 预应力锚固技术的设计。在预应力锚杆设计中, 收集本尾矿坑工程的岩土工程参数, 包括边坡场地岩石密度、岩体坚硬程度、抗剪强度和基本质量等基本材料, 通过变坑整体稳定性分析, 来确定边坡支护设计的参数。然后根据上述预应力锚固设计的相关计算公式, 就可以确定各项设计值, 其中, 锚杆总轴向拉力标准值Nak≥2 157 KN, 锚杆总轴向拉力设计值Na≥2 805 KN, 锚杆总长度超过37 m, 截面积为3. 55 × 10- 3㎡。
( 2) 预应力锚固技术的施工。为确保预应力锚固技术起到预定的锚固效果, 还需要做好施工过程的控制, 具体要点有: 首先是边坡喷锚施工。钻孔过程要根据设计的锚杆直径来确定孔径, 按照图纸的角度做好钻孔工作, 水平和垂直方向的孔距偏差应分别控制在50 ~ 100 mm以内。其次是做好注浆压力控制, 浆液中要添加适量膨胀剂, 注浆管要与锚杆同时放入钻孔中, 边注浆边提注浆管, 至孔口冒浆为止。在预应力张拉过程中, 要在砂浆强度、喷射砼强度达到设计标准后, 才能开始张拉锚杆, 先张拉至设计荷载1. 05 倍并维持5 ~ 10 min, 后张拉至0. 65 倍设计值将锚杆锁定。
( 3) 重视防腐施工。防腐对于锚杆使用寿命起着重要保护作用, 杆体表面要用防腐漆处理, 再包裹塑料布, 重复三次形成三度防腐, 最后还需要2. 5cm以上厚的水泥浆层来封闭防腐; 锚头的防腐要经两次除锈、涂防腐漆, 然后用5 cm以上厚的混凝土层保护。
( 4) 做好排水施工。矿坑边坡的排水包括顶部排水和坡面排水, 前者可以直接开挖排水沟, 后者需要在坡面设置泄水孔, 并在孔后做反滤层。
3 结语
综上所述, 预应力锚固技术可以起到良好的矿坑边坡支护作用, 能够有效对矿坑作业的安全。随着我国矿产资源需求的不断增加, 矿坑作业规模越来越大, 加强预应力锚固技术的研究, 将其正确应用于矿坑边坡支护实践中, 有着重要现实意义。
参考文献
[1]陈发达.岩土工程中的预应力锚索设计[J].路基工程, 2005, (3) .
[2]陈祖煜, 杨健.岩土预应力锚固技术的进展[J].贵州水力发电, 2004, (5) .
[3]刘玲, 赵中夏, 程智.岩质高边坡预应力锚固的几个问题[J].交通科技与经济, 2004, (3) .
[4]苗国航.我国预应力岩土锚固技术的现状与发展[J].地质与勘探, 2003, (3) .
[5]杨松林, 荣冠, 朱焕春.混凝土中锚杆荷载传递机理的理论分析和现场实验[J].岩土力学, 2001, (1) .