（管理科学与工程专业论文）超高强预应力钢铰线锚具的研究.pdf

摘要 随着预应力技术的发展和冶金工业冶炼技术的不断进步，预应力 铡绞线的强度不断提高，由原来1 4 7 0 m p a 提高到1 8 6 0 m p a ，9 0 年代末 期已出现j ，2 0 0 0 m p a 超高强钢绞线，而原来的是在9 0 年代初期按抗 拧强度为1 8 6 0 m p a 的钢绞线标准设计的，因此，原有的锚具已4 i 能适 虑现有超高强度2 0 0 0 m p a 的钢绞线强度要求，在工程中出现j ，断丝滑 移现象，同时，在使用和设计时仍按1 8 6 0 m p a 钢绞线的指标进行设计 心门j ，没能充分发挥材料的力学性能，造成材料浪费。鉴于上述情况。 通过分析国内外锚具发展情况，结合超高强预应力钢绞线( 2 0 0 0 m p a ) 的性能特点，本课题采用理论计算、计算机有限元分析、试制、试验 川、批量生产研制过程，对h v m l 5 锚具进行了研究。本文主要对本课 题研究内容和所做过的工作进行总结报告。 父键词：钢绞线、预应力、锚具、静载、疲劳、锚固 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f p r e s t r e s s i n gt e c h n o l o g y a n d i m p r o v e m e n t o f m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , t h es w e l l g t ho fp r e s t r e s s e dc o n c r e t es t r a n d si n c r e a s e dm e r ea n d m o r ef r o m 也ef i r s t14 7 0 m p at ol8 6 0 口a i nt h ee n do f9 0 t h es t r a n d sw i t h 2 0 0 0 m p as t r e r l g t hb e c a m ea v a i l a b l e b e c a u s eo ft h ef o r m e r a n c h o r a g es y s t e m s d e s i g n e da c c o r d i n gt om a t c h i n g1 8 6 0 m p as t r e n g t hs t r a n d si nt h eb e 百n n i n go f9 0 ， t h e yc a nn o tb es u i t a b l ea n ym o r ef o rt h es u p e rs t r e n g t h s t r a n d sw i t h2 0 0 0 m p a t h e r e f o r e ，s o m ea c c i d e n t so c c u r r e ds u c ha ss t r a n d s s l i d i n g a n db r o k e nw h e n t e n s i o n i n g i na d d i t i o n t h ea d v a n t a g e so f t h en e wm a t e r i a l sa st h e i rh i g hm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e a r en o tb eu s e dc o m p l e t e l ya st h ep r e s t r e s s i n gs t r u c t u r e sw a s d e s i g n e da s p e rt h el8 6 0 m p as t r a n d s w h i c hw i l lr e s u l ti nt h ew a s t eo f m a t e r i a l s i nv i e wo ft h e a b o v e m e n t i o n e d f a c t s ，b ym e a n s o f a n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fa n c h o r a g es y s t e m s h o m ea n da b r o a d i nc o n n e c t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p e rs t r e n g t h s t r a n d s ( 2 0 0 0 m p a ) ，t h i st o p i cm a d e ar e s e a r c ho nh v m15a n c h o r a g e sb yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n da l s oo nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt e s t t h i sa r t i c l ei st h es u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dt h ew o r kw h a tw eh a v ed o n ef o rt h i s p r o j e c t k e yw o r d s ：s t r a n d ，p r e s t r e s s i n g , a n c h o r a g e , s t a t i cl o a d ，f a t i g u e , a n c h o r 超高强顾应力钽j 铰线锚其的研究 日u吾 预应力钢绞线群锚张拉锚固体系是多种后张预应力体系的一 种。它以钢绞线做预应力筋，一般是成柬使用。这些钢绞线在结 构件端部穿过块多孔的锚板，每一根钢绞线分别用一付楔形夹 片夹紧并锚固在锚板上，以建立永久性的预应力。为完成上述功 能，则借助于专门的张拉千斤顶。它具有张拉钢绞线并使锚具按 技术要求进行锚固的作用。由于锚具是用来夹紧锚固钢绞线，所 以我们叫它钢绞线锚具，它主要用于建筑、桥梁、核电站、水工 及其它预应力混凝土结构。 南京理工大学硕士学位论文 超高强预应力铡铰线锚具的姘究 1 项目概述 在援国颈应力技术被厂“泛应臻还是近几年蕊事，蘧羞冶金 工业冶炼技术的不断进步，预应力钢绞线的强度由7 0 年代初的低 强度1 4 7 0 m p a ，发展到9 0 年代高强度1 8 6 0 m p a ，需超高强2 0 0 0 m p a 的钢绞线是在9 0 年代末诞生的。钢绞线锚具的锚固性能经过十几 年不断探索和试验，其性能也逐步适应了钢绞线强度变化。9 0 年 代初的钢绞线锚具是根据l8 6 0m p a 钢绞线研裁豹，瑟鬻了9 0 年 代末超离2 0 0 0m p a 钢绞线出现后，原来的锚具出现不适应的现象 如：断旌淆移，另外，钢绞线的强度己经达虱2 0 0 0m p a ，雨设计 应用对仍按1 8 6 0m p a 来计算，因此，没有充分发挥材料的力学性 能，造成材料浪费，因此，研制新型锚具适应和发挥超高强预应 力钢绞线的性缝是本涤遂静任务。疆究本课题的原尉及壤据麴标 准是： 原嗣 ( 1 ) h v m 锻绞线锚具适用予2 0 0 0 m p a 超嵩强钢绞线，并以 夹持直径为中1 5 2 4 m m ph - v m l 5 为优先系列。 ( 2 ) 有爨好敖张鲁锚凌怒，不耀顼压设备郄哥鑫行锚固，荠 能与现有的张拉设备配套。 标准 h v m l 5 薪型锚具性能应符合铡标预应力筋用锚具、夹具和 连接器( g b 厂r 1 4 3 7 0 9 3 ) 对i 类锚具的各项规定，同时满足f i p 超高强斌应力俐铰缱锚具的研究 后张预应力体系的验收建议。 2 国内外钢铰线锚具概况 钢绞线镁舆经过三十多年的发装，投术一已目臻完善。在本 世纪二十年代，欧洲首先出现预应力混凝土结构。其后，预应力 材料及技术一直在不断发展完善，尤萁麓颈应力混凝理论的关 键性突破和高强钢丝、锥型锚具、双作用张拉千斤顶的成功出现， 使预应力混凝土进入了实用阶段。由于有很好的技术经济指标和 广泛的邋爱缝，二战后欧洲錾建糕闺，鞭应力溜凝开始被大量 推广应用，预应力技术也得以飞速发展，并出现一批圈际著名的 颥应力专监公司弼： 瑞士v s l 公司在5 0 年代中期率先研制成功v s l 钢绞线后张锚 具体系并开始在工程应用，v s l 体系的特点鼹： ( 1 ) 锚叛凌葱为乎蔼，链叛失燕琵墨六边彩排列； ( 2 ) 夹片为直分两片四开式； ( 3 ) 不顶压锚函； ( 4 ) 适月于囊径为o1 3 r a m 和啪1 5 r a m 标准强度为 1 7 7 0 、1 8 6 0 m p a 钢绞线。 法嚣的弗列嚣涅公司是趱界上簸著名殴颈应力专韭公司之。 早在3 0 年代初就在预应力技术方面取得成功，7 0 年代初该公 司也研究成功新的预应力钢绞线锚具，它的特点是：锚扳夹 簸孔是按同心圆方式呈周排列；而且外圈孔洞都是向心倾斜。 趟高谶颅应力荆皎拽锚具曲研究 夹片为直分三法式；需顶压锚固；适用于夹持直径为 1 2 ? m m 和1 5 ，2 m m 标准强度为1 7 7 0 、1 8 6 0 m p a 的钢绞线。 英图c c l 公司是英国最老的预应力专业公司之一，在5 0 年代 初在英国嚣先镬用单根镶绞线镰具，到了? 0 年找初也礤制成 功了多根钢绞线锚具，它的特点是( 1 ) 锚板上表面为平面， 锚扳夹筋孔按圆阁排列盥全部与锚头轴线平行；( 2 ) 夹片分为 三片式和蹲片式。 德国地伟达公司以单根精轧螺纹钢筋体系而著名。它原无意开 发钢绞线镰其，但近死年看妥诵绞线逯痤曩爨越广泛，也磷发 了钢绞线锚具，它的锚板与众不同，除了圆锚板外，还设计了 钟型锚板。 除了上述这些国家还有透班牙、意大剥、美国等豳家在颓应 力钢绞线锚具研发方面各有自己独道之处。 在中莺，毒舅发锶绞线镰其还蔻跌8 0 年代中期开始豹，蓄先开 发成功的是删型锚舆，仅接着q m 型锚舆研发成功，9 0 年代初又 开发成功o y m 锚具。涨镭灏特点怒( 1 ) 镭板锥孑己呈同心函辩 列， 外圆锻孑l 轴线有一内心倾角；( 2 ) 夹片为斜分积直分三片式；( 3 ) 锚固需采用项压；( 4 ) 适用直径为中1 5 2 m m 强度为1 5 7 0 m p a 的钢 绞线帮铜丝。瓣锚的特点怒( 1 ) 镶援锥琵呈圈，露誊錾舞，锥孔辘 线与锚板轴线平行；( 2 ) 夹片为三片直分；( 3 ) 靠自动跟进锚固； ( 4 ) 适用予馐径为0 1 3 r a m 、中1 5 2 4 m m 、0 1 5 7 m m 标准强度为 1 8 6 0 m p a 豹钢绞线锚具，它代表了我国9 0 年代钢绞线锚固技术水 平。国内外主要的铡绞线锚具构造型式如表2 1 。 南京理工h 凡学硕士学位论文 穗高强颡虎力锅铰线锚具的研宄 国内外主要的钢绞线夹片式锚具构造型式( 表2 + 1 ) 馥板锥锥i l 毒蠡线与 名称国家夹片形式 孔排列形式锚扳轴线关系 v s l 傣系瑞士呈六逸形平行壹分掰片四开式 弗莱西淫体系 法国呈同，c i 园向心倾角 直分三片式 ( f r e y s s i n e t ) 追韦选克体系 戆国量嗣心霆平行蠢势三片式 ( d y w i d a g ) s t r o n g h o l d 毡班牙呈同心同平行直分两片式 体蓉 直分两片式和三片 c c l 体系英国呈同心园平行 x m 体系中国呈同心园向心倾角直分、斜分三片式 q m 体系 中国呈黼心园平行直分三片式 o v m 体系中国呈脚心园平行直分两片四开式 在2 0 世纪出于钢绞线锻具经不断研究与改进，其技术已日臻 完善，并被广泛应用。9 0 年代末期由于出现了超高强2 0 0 0 m p a 预 应力钢绞线，9 0 年我零刃研翻的罐具已不粪芝截好锚圈超裹强镳绞线， 在工程中出现了滑丝、碎裂现象。如何提瀚锚具锚固性能，解决 工程质量问题是本课鼷主要任务。蔹然国外还没有开展这项研究， 但我 | 、j 根据目翦材料黪状况借鉴国内辨的经验，采用理论计算一 一机算机有限元分析试制工业试验，修正小批量生 产豹开发模式，着重对 硪l s 系列遴行磺究。 南京理工大学碗士学位论文 怒搿强预露力钢铰线链其麓群究 3 锚圈单元麓力学性能分罨匿 3 。1 镶爨舱维构图3 。1 ) 鼙 j # 她l l l 甜艚s 凇女馘& # ￥聪章譬莽i 毒毯 魁3 。1 3 2 锚固单元的作用机理 h h 5 系翔锫其聚耀楔澎夹片链固聚邋。每个锫霞蕈元密一纣 夹片及个锥孔组成，个锚圊单元锚腻根镧绞线。要使夹片 夹紧诵绞线缀经过三个阶段。 第阶段：工作锚扳穿入钢绞线、将夹片塞入锚板孔打紧， 套天予厅顼，安装_ 工爨镶、灌泵惫于厅磺避濑，手斤璎滠塞 孛凌， 工具锚抓紧钢绞线，随蕾千斤顶活塞不断向外移动钢绞线在弹性 范围肉不瞬静长，千斤顶压力不断升窝，互佟锚夹片毽隧锈绞缓 伸长而向外移动，由于有限位檄的限制，夹片移幼的长度只有8 m m 。 南京瑗工太举硕士学位论文 超蕊强蕊绒力铡故线锚具的研究 此时夹片麓张开的。这阶浚日珥张拉阶段。 第二阶段：当千斤顶活塞移动到规定行程时，油泵回油、千 斤顶活塞围缩( 也就是放张阶段) ，千斤顶缓慢缸压，钢绞线圃缩 著带夹冀囊锥孔移动，当夹片囱镂孔移动铡不麓动时，就夹往镄 绞线，这时铺绞线受到斡穰囱夹紧力逐渐壤大，夹片丝牙n i e 钢 绞线内缩的阻力也随之增大。在此过程中，钢绞线相对夹片丝牙 产生滑移，至一定距离后被自锁。 第三盼段：钢绞线被夹片自锁后不产生桷对滑动，随蓉千斤 顼的继续黼灌，钢绞线与夹片连成一藩魏缕淘魏一定深度，稳成 机械啮合。最终型成对钢绞线的锚固，同时通过锚垫板将张拉力 传递到混凝土结构上。 3 ，3 锚翅举元的力学性能分析 镶其懿每一拿链孔均瓣一嚣二冀式夹片锤匿一蔽镶绞线，形 成一个铺阐单元，无论锚板上有多少孔和孔的规格大小，锚固单 元的力学性能分析是相同的。 a 锚阑单元的内力平衡及锚固条件 锤嚣擎元翻溺二令夹片共圈擐钢绞线，影藏一个楔銎镶钵， 籍以在锚投的锥形孔中沿轴向楔入，达到“越楔夹得越紧”的作 用。用图3 3 表示锚固单元和夹片的受力情况。 南京理工夫学硕士学垃论文 超商强j 虿碰力捌铰线锚具的研宄 r i | | | y 稚。牲 舯i 舳日 图3 3 锚固单元、夹片受力简图 翻3 3 中：关片与钢毁线之测瓣摩擦系数f ：必片与钢绞线之闻的摩攘舄 ：夹片与锩板之翔薅攘系数：戎嚣与锚援之目静摩擦麓 o ：夹片外锥度r ：镣孔锥面对夹片的反力 h ：为作用于夹片的水平力f ，：为作用于一片夹片垂赢力 从图3 3 可以看出，如能用同时满足下列三个重要条件，则锚 固单元的锚固作用就能建立： 臻投支撑在匿定平甏上，且锯绞线受到囊下酶翌力f 。 夹片和钢绞线有足够大的摩擦力，髓二者之间不产生相对滑 动。 夹片和锚板之间的艨擦力必须尽量减小，且保证二者之间能 够产生绷对瀑动。 锚围单元的内力平衡分析：设钢绞线与夹片之闻的摩擦系数为 f ，相应的摩擦角为y ，即f 。- - t gy 。又设夹片与锚板之间的摩擦系 南京理工走掌硕士学位论文 趣高强慧痘力钢铰搜链其翁麟究 数为，翅应豹摩擦建为叠，即f 。= t g 。 图3 3 中的基本座标轴为x - y 轴，x 轴在合力作用点的水平上。 为筐予分析力的平衡状态，在夹片与锚板静接皴蓬上o z 点灸，并 旋转a 角，作出另一座标轴x i - y ，。 在力f 的作用下，由于楔入作用，夹片背面产生垂直分布压力， 设其台力在点o 。处著治x ，期魄方向。但酲有摩擦力存在，其黪攘 角为0 ，所以反力的合力r 将与x ，轴成0 角方向。因为h v m 锚具 为二夹嚣式，设每一t h g 夹片承受的外力为f 。所以每一夹片背 丽承受的总反力r 在y 轴上和外力的平衡式为：r s i n ( 旺+ d ) = f ， 而总反力r 在x 轴上的水平分力则为： r c o s ( 毡+ ) = 将两式合并憋理后可得 1 f = ：一 t g ( q + b ) 款图3 。3 霹吸看塞，与力秘平鬣瓣力必定是夹片与钢绞线之闻 的夹紧力n ：即n _ h 。因此，夹紧力与钢绞线拉力的平衡关系式为 ，l ( 1 ) 一 ( 1 ) t g ( q + b ) 兔绻持这一平衡，檄蕹懿述三个重要条释中躲第条，器i 镶绞 线和夹片之间不得滑动，因此必须满足下面的条件式。 n t gy f 。( 2 ) 对式 1 ) 、( 2 ) 的讨论： 在式( 1 ) q 角为定值，夹紧力n 随b 角而变化，即夹片与 键板闻的摩擦系数越夺，裁司。褥妥较大麓夹紧力n 。翔采嚣者之闽 南京理工大学硕士学位论文 超高强预应力钢铰线锚具的研究 的接触而粗糙，或施工时掉入砂粒等高硬杂物，致使夹片不能向 前楔入，此时摩擦角b 急剧升高，随之夹紧力n 也就骤然降低， 这时就会出现“夹不住”的滑动现象。 从式( 2 ) 可知，钢绞线和夹片之间必须有足够大的摩擦系 数，否则，因t g y 太小而不能满足( 2 ) 的要求。 式( 1 ) 、( 2 ) 是二夹片中的一片力系平衡式。它是以假定在 平面呈1 8 0 。分布的二个夹片均能正常工作为基础的。不论二个夹 片是否碎裂，二个反力r 在空间上鼎力平衡着钢绞线的拉力f 。如 果其中一个夹片破碎，该夹片的反力r 值不变，其结果是大幅度 提高了夹片残存部分的应力，即为n 和r 作用在一个较小面积的 残存碎片上，如果残存片面积为原来的1 2 ，则残的各种应力将增 加一倍，形成这种危险锚固后，将导致结构物出现“不安全可靠” 的迹象。 b 锚固单元的自锚条件： 将( 1 ) 、( 2 ) 式合并整理后可以得出 t gy t g ( q + 0 ) ( 3 ) 为获得自锚条件，钢绞线与夹片不得产生相对滑动，就 必须满足y ( q + b ) ( 4 ) 式( 4 ) 就是锚具的自锚条件式。具有自锚功能的锚具要求预 应力建立全过程都满足( 4 ) 。式( 4 ) 中d 为常数，b 在理论上也 应为常数，在保持滑动而清洁的条件下，b 即使出现一点波动， 变化也不大。而钢绞线与夹片间的摩擦角t gy ，因夹片有坚硬的 倒齿，随着拉力f 的增加，正压力n 值接线性关系提高，夹片倒 南京理工大学硕士学位论文 趣赢强鬣磨力钢铰线链熙懿研究 塞隧辩键入镪绞线，镬t gy 怒澍主秀并憝两无穷大。 3 4 齿肜分析 夹垮鸯形直接影响夹持钢绞线的掇陡破凝强度和疲劳寿鑫， 因此潜重进行理论计葬善西分析对比，根据其结果选定齿形。 3 ，霹。1 溪论计葵 r 躺3 , 4 + 1 - 1 非对称压头的力学模型 夹片齿嵌入钢绞线建一个疆痕淹题。压痰瓣题已经有百多年 的历史，由于接触问题以及联痕表面形状的复杂性，至今没有 拿完备的解析答案。我们只是从当前斑用的霸度( 为了解决釜澎 影唆翘题) 进行穗瘟凳纯惹瓣瑾论分褥萋羹诗算。鎏3 4 1 中，溅头 关于y 轴是不对称的，目口0 1 0 2 ，为了便于分析，我们先解决对称 闲题，然惹器夕 延裂薯对嚣麓题。藏蘧先稷设0 ，= 0 2 = 0 ，懿下强 3 。4 ，1 2 ： 南京联王太学颧士举位论文 越蒜强臻寂力钢铰线舔具魏翠魂 艨袭魁 变形静裘 图3 4 卜2 对称压头的力学梭瑙 压入的接触半径a = h 。t a no ，先假设压头是刚性( 理想情况) 的，被溢平蔼晌杨氏模爨蹙黾泊橙魄是v ，藤糇强度愚￥，平均 接簸压力 l = 一f 。存在瓣嚣个隧变量f 籁h o 分嗣楚e ，v ，y ，h ，。 的函数，下蕊通过量纲分毒厅的方法写出遮两个函数： 暇设f = f ( e ，v ，y ，h ，e ) 魏。= g ( 芝，v ，￥，h ，8 ) 上述e ，v ，y ，h ，0 五个参数中，e 和h 具有独立的量纲， 萁缝参数豁瑟缡遽过它们窳表示： ￥ = 岛 v = e o h 。 8 = 嚣】。强】。 f = e h 2 h 0 3 = e h 南京理王走举礤士学位论文 超尚强露黛力刑铰线锚其薛娇究 应用n 量缁理论，得到： f = 点矗2 f 1 。( i y ，v ，固 趣= 艄( ，虬毋) 上式中h n 2 而f ，秘e 一墨h ，疆：= 善，v ，e 均为无鬃缀蘧。 通过h 述餐纲分析公式，可以看出，外力f 和压头位移h 的 平方成正眈；接触深凄h 。和h 成正院，并且院俪系数只和羔， b v ，0 有关，也就怒说，魏果。一定，院铡系鼗就赉材料参 数决定。褥把上式代入平均接触压力的计算公式，可以得到： 鼢孑f 。丽f = 蔫一e y ， 上式袭明，在0 一定的情况下，平均接触压力只和村料参数 有关；或赣在材料定的情况下，h 只和0 有关；和外力f 没骞关系。 在实际烤况下，愿头的顶部是不可能绝对尖锐的，必然会有一 个圆热，设这个圆角的曲率半径是r ，只要r 4 0 h ，它对压癜形 状以及f - h 静关系式都没窍明显酶影响( p 。- l l a r s o n ，i n t 。j 。 s o l i d ss t u c t 。1 9 9 6 ) ，联数我嚣l 可以不考虑圆热的影魄。 南京理工犬掌颂士学也论文 超高强预应力钢铰线锚具的曰f 究 图3 4 1 - 3 是被压平面的弹塑性区分布： 图3 4 1 3 如上图所示，压头下面有存在比较明显的特征塑性应变，把各 个弹塑性应变区分开。最靠近压头的部位有一个塑性滑移区，如 果压头位移h 足够小( 和材料的内秉长度具有可比性) ，滑移区下 面还会有个应变梯度比较明显的区域，关于这一部分的分析， 可以参照固体本构关系第六章( 黄克智等，1 9 9 9 ) 。再往外是 南京理工大学硕j 二学位论立 一1 4 超高强颓应力刑铰线锚具豹研究 经典弹塑性变形区，弱用蝥遂的弹塑往理论就可以解决。潮中所 标注的商关数据取自a e g i a n n a k o p o u l 0 8 在1 9 9 8 年的计算和实 验结果，a + e g i a n n a k o p o u l o s 的计算和实黢还表明，这些数据基 本不受歪头形、捩( 和努力 ) 的影响，下面我露】应震a b a q u s 高 级有限元软件模拟o 。8 。的压头施压时，也证明了这一点。 3 4 2 肖限元分析对比 我翻分潮驭。= 2 0 。，e 。= 5 0 。( 图3 。4 + 2 一1 ) 翱ot = 2 0 。， e ：= 6 0 。( 圈3 。4 2 2 ) 以及0 。= 2 0 。，0 。- - - - - 8 0 。( 图3 4 2 - 3 ) 三种情况进行有限元模拟( 材料的屈服强度是1 8 6 0 m p a ) 。 罄3 。4 2 10 。= 2 0 。，趣= 5 0 。对的m i s e s 应力分声 图3 4 2 1 中e 。= 2 0 。，0 2 = 5 0 。，施加的外力为1 5 0 0 n ，在压头 附件出现屈服，并且在屈服区附近应力分布出现近似的对称状态。 南京理工太掌颟士学位论文 1 5 超向强祯艟力制铰线锚具的研究 圈3 4 2 28 ，= 2 0 。，& = 6 0 。爵的m i s e s 应力分布 图3 4 2 - 2 中0 。= 2 0 。，0 。：6 0 。，施加的外力为1 5 0 0 n ， 和图3 4 2 一l 中的情况基本相同，也在餍头附件出现藤服，并且 程屈服隧附近应力分耀宝现近 菠的对称状态。只是井黧部分瀚小 应力分森有所不同。 圈 4 ：2 3 7 9 声2 矿萨开嚣弼雠孺s e sl 夏刃j 于两 图3 4 2 - 3 中0 ，= 2 0 。，9 。= 8 0 。，当旄加外力为1 5 0 0 n 时， 南京理工夫学硕士学位论文 趱赢强臻瘴力钢镀线锚具的姘究 并没有出现屈服现象，施加的外力增加到4 5 0 0 n 时才国现图 3 4 2 - 1 和图3 4 2 - 2 中的应力分布状态，压头附近出现屈服，在 屈服区附近应力分布出现近似的对称状态。外圈部分的低应力分 布和嚣两晕孛溏援差剽较大。 结论 有关数据和图形表明，在压头中心地带，由于材料已经达到屈 i 受极限，并且靠近尖锐静压头部位，所以对角凄酶变纯比较遨钝， 稻a e 。g i a n n a k o p o u l o s 的结果稆箝。屈服区的形状和靠近聪服区 的应力分布对角度。和外力f 的变化反应都比较迟钝。但0 特 别大时，达到屈服的难度增加，主要是这时等效压头曲率半径r 已经不，j 、- y4 0 h ，不过。避大已没有实际瓣应用徐篷。不论傣耱 情况，程外围部位，应力分布都受角度变化的影响，正如我们在 前面的分析的那样。 裰据上述结果，蓊型夹片懿螺纹塞酶牙燕熊选致8 ；- - - - - 2 0 。， 8 ：= 6 0 。 4 锚具的设计计算 为确保锚固的可靠性，有利于锚具加工和张拉操作，h v m l 5 型 系列锚爨在扮造形式上采耀一个镄曩单元镌强根钢绞线的群链 结梅，锈其由锚板、夹片、锚垫板和螺麓筋缝成。各部件静设计 计算采用理论计算，有限元分析和试验相结合的方法进行参数结 构优化设计。 南隶理工太犟磺士学位论文 越薅强礞虚力钢毁线锚最静麟究 4 。l 夹片设计计算 4 1 ，1 夹片原材料：为使夹片具有良好的韧性、耐磨性和抗疲 劳性餐，夹片采用2 0 c r m n t i 。 4 。1 2 夹片外锥度角娃：在满足自锚性能的条件下，还必须使夹 片具餐反复张拉篦要求，逶过试验优选确定程= 7 。1 0 。 4 1 。3 夹片牙距t ：夹片的牙距是关键参数，牙距越大，钢绞线 承受舱集中应力区掴躐越远，应力叠加形成的极值较小。因此， 夹片盼牙距t 不宣较小，设计确定为l + 2 5 - u l m m 。 4 。l 。4 夹片螺纹牙豢篱h ：根据孝才辩力学理论，保证钢绞线不发 生破断必要条件是轴向拉应力o 。 o 。( 材料的屈服极隈) 考虑一 个截脚铡绞线要达到9 5 的锚固系数。 0 。9 5 f p k s l = al o 9 5 s z 式中：f p k 拉索极限破断力 8 。拉索自由段截面积 黠予袁径必审1 5 。2 4 懿钢绞线，钢绞线鼗藤l 蟊稷 s i 拜d z l 4 + 6 d 2 z ( 2 嚣一0 ) 1 8 + d 2 2 s i n 0t 8 o 。9 5 【“d z l 4 + 6 d 2 2 4 】 e s i ne 0 3 7 e 7 7 0 d 。 齿怒h 二c o s0 = 0 。5 4 ( r e m l ) 2 式中：d ；d 广镪绞线中心鄂多 援丝的拳径2 ，6 和2 。f i r m 0 丝牙咬入钢绞线部分的扇形角。 南赢理重丈举颈士学位论文 超岛焱颤威力钢铰线锚其韵研究 前牙面( 筒积s 1 ) 一径向截面 轴向截面 图4 。l 。4 镪绞线皎合段的截灏示意图 根据计算结果，要求夹片的齿高h 0 5 4 r a m ，根据工程骚求和 经验，要使夹片既能咬住钢绞线又不滑丝，夹片齿高控制在0 4 0 5 r m n 之间。 。 4 ，t ，5 夹片长凄l ：夹片长度l 与夹片齿数有关，要稳定夹片长 度，必须先确定夹片最少荫数，即夹片有效咬合长度l 0 夹片有效 长度是保诋夹片能否咬紧钢绞线重要参数之，由于它的受力比 较复杂，我们采用理论分拼朔有限分析的方法来确定夹片皎合长 度。 4 1 5 。1 分析应力集中系数l ( t ，夹片牙距t 殿最小齿数n 的关系 根据材料力学第三强度理论o 。一o 。且在钢绞线各危险 截面的应力集中处，第一效应力o ，基本上就是轴向拉应力，第三 主应力。大致土就是法囊疆瘟力甏： d l = k i t g l i ，0 3 = k ，3 ( y n i i 2 1 ，2 ，n 南哀理工大学磷士擎谴论文 劳 式中g n i ：钢绞线截冠i 幽于法向联紧力n ；丽在该段 夹片齿闻产生的平均压应力， k k ，：应力集中系数。 若各截面酌应力巢中系数稻同( 实际上，夹片全牙部分的应力 集中系数基本上是一致的，内锥部分的较小) ，即均为k 。和k ，可 得 k ig i i k 3 a n i a ； i = 1 ，2 ，n ( 1 ) 所以，簧使褥钢绞线不易损伤断裂，最好 k t g l i k 3 器n i 。k 1 6 l j 一靶3 巷楚 ( j ，i 2 i ，2 ，n )( 2 稷攒 2 ) ，簧求各蔻陵截嚣酶痰力集中区域冀羹壤强度耀等。 弼采k e = l c ，刚娶求危险截筒其剪弼强度捆等，简称等强度。 且由于各截面面积相差不大，令s = s 。一s 。= s = s ，可褥 i l卜 i ( ( f ! - xf 1 ) + k ；。n ；= k ；( 毛- xf 1 ) + k 3 n j l * 扛| 式中 ：斑 力集中系数 = 可面历法l ( ，* 面n d2 4 款，= 杀j ( ，t 为夹嚣藩 薤，s 、s ”、e ，霸0 “魏篷2 掰示。 ；一l 根据式( 3 ) ，出于越楚在豁蕊酌截丽i ，蕊( k 一瓦臻墓大，可稚出 n l n2 n n ( 4 ) 磷京理工大学硕士学位论文 超岛强项应力钢饺线锚具的研究 即夹片后端应当夹得紧一些。因此，夹片与锚孔之间应当存在 一角度差，迫使夹片后端先收紧，增大后端的径向压紧力。而且 由于存在该角度差，夹片对钢绞线是从后端向前端逐步夹紧，有 利于减小夹片对钢绞线前端的划伤。 为分析问题简便，令s 。= s ：= 一s 。= s ，由( 2 ) 式可得 e k ，6 l i so n is n o 。s z j k 。窆( f 一艺f j ) + k ，7 杰n 。f p k l _ l j = l i = l k l r a 1 3 a i n ，与理论分析所描述的结 论是鼗露。遴过强4 。l 。2 2 ，可鼓毒中算毫各齿阗瀚轴囱隘 力如图4 。1 5 2 - 3 魇示。图中轴向阻力大致在2 9 齿处最大，整 个趋势是由右向左逐渐减少。这说明夹片夹紧钢绞线的原理与 南京理工夫学硕士学位论文 超高强硪应力钢铰线锚且的研究 一般的螺纹连接原理有着本质的区别。一般的螺纹连接中，对 效率系数的要求不篱，螺杆的强度是足够的，基本上都是在前 尼个螺纹丝牙承受大蒸分轴囊拉力；瑟i w m 镌置单元单元经过 精心设计，各丝牙承受的聋由向控力分布得比较合理，因此可以 达到较高的锚固效率系数。 j 一， 、 ，一 一、 - 单位：齿鬣 图4 1 5 2 - 3 钢绞线咬合段各截丽的轴向阻力分布 锚固单元中钢绞线的径向应力分布规律 溜3 4 2 一l 亦为计算褫有限元分析褥窭静h v m l 5 v 镶露单 元中钢绞线的经商应力分布图。从图3 4 2 1 中我们可以总结出 钢绞线模型在咬紧段备截面的平均径向威力分布曲线图 辩京理工大学硕士学位论文 越勰鞋臻窿盘锶铰线诲曼雏臻究 豳4 ，l 。5 2 - 4 钢绞线唆合段器截蔼豹径囱应力分布 簸上鋈爵冤，爱斑藏力蕊绝霭镶在罐绞笺薮浚紧羧 2 2 辫由右燮左逐渐增大；瘿予夹片詹溃不受锤板压力，肼以从 2 3 3 3 齿该应力值逐渐减少。k ，大致为1 。 4 。l 。3 确定最枣嚣数 掇瓣上述2 释3 掰节黪分析，墩k ；= l 。4 、k ；= l 、叠一1 3 8 ( 弘 一o 2 3 ，经验蝮) 、蹴一7 。，令麓。= 1 ，燃公式( 8 ) 麓走 2 为了确认h v m l 5 镄具数静载锚固性能，除了在公司进彳亍静载 试验之外，还选择了h v m l 5 。l 、4 、7 、9 、1 2 及1 9 孔锚具在豳家 建筑工程蒺量溢督检验中心进行了静载萃嚣低震试验。试验在强拉 台座进行，钢绞线自由长度大于3 m ，试验设备及仪表包括： y d c 2 4 0 q 千斤顶2 台、y c w l 5 0 千斤项2 台、y c w 2 5 0 顶2 台、 z b 4 5 0 0 型油泵2 台、3 0 0 k n 、5 0 0 0 k n 测力传感器务1 个，游 标卡尺o 0 2 0 1 5 0 一把。按不同锚具型配用相威的千斤顶及传感 器、试验装置按图6 ，l ，试验步骤是张拉千斤矮7 按钢绞线撬l 囊强 度值1 0 预紧，然后按2 0 、4 0 、6 0 、8 0 分4 级等速加裁， 加载速艘每分钟为1 0 0 m p a ，达8 0 后持荷一小时，随后用千斤顶 2 逐步加载至破坏。 南京理工太举硕士学位论文 超高强联应力钢皎线锚具的研究 试验锥具2 ，千斤珥3 ，测量蚤【器4 、试骚自应5 ，钢袭裴6 ，试验锚具7 、氍拉千斤疆8 ，工具锚具 固1 试验粗示意理 图 6 1 试验张拉台座装置示意图 试验结果汇总于表6 1 1 、表6 1 2 。 国家建筑工程质量监督检验中心静载试验结果汇总表表6 1 一l 锚具组钢绞线锚具组装件破 破断状态 序号型号装件破破断荷效率断时总应 断荷载载( k n )系数变( 5 ) 破断位置破断腈况 jh v m l 5 i2 8 02 8 0 8i o o4 2未 2h v m l 5 _ 41 1 2 32 8 0 81 o o2 9 未断 3h v m l 5 71 9 6 62 8 0 。8l 。0 03 - 3耒断 4 h v m l 5 _ 92 5 2 72 8 0 81 0 03 | 3未断 5h v m l 5 j 23 3 7 02 8 0 81 o3 4 未断 6h v m l 5 1 95 2 3 22 8 0 80 9 83 0夹片处断丝 平均0 9 93 3 5 南京理工大学硕士学位论文 超高强预应力钢饺线锚具的研究 h v m 黧锋固体系爨其静藏试验( 厂肉) 结蘩汇愁表表6 1 - 2 斌 破断辩计算极鲳件锚围总 件锚具传感器限拉力初始效率应破坏 编型号读数 之和 长 象数变情况 号r k n )( k n ) ( m m ) m ) ( ) l i v m l 5 12 8 3 2 8 0 87 0 6l o o5 3张拉端颈熔2 丝 l 一2 差v a 1 5 一l2 8 l 2 8 0 。87 0 3 。5l 5 。5张拉端颡缝6 堑 1 3 量v m l 5 一l2 8 2 2 8 0 87 i 6l 5 2张拉端颈禳2 堑 2 1h v m l 5 12 7 7 2 8 0 87 2 l9 94 1固定端剪切2 丝 2 2h v m l 5 t2 7 5 2 8 0 87 0 99 84 1固定端螂切2 丝 2 3h v m l5 12 7 42 7 3 07 0 3 ，5l o o5 5 张拉端颤缩6 丝 3 1h v m l5 i2 7 62 8 0 83 7 5 59 83 5 固定端1 熊剪切、1 丝 颈缩 3 2瓣v 麓】5 一l2 7 毒2 8 0 ，83 7 争59 83 - 3 盈定端势秘2 照 3 。3 v m l 5 1 2 7 92 8 0 83 6 8 59 93 8张拉端颓缩6 丝 4 1h v m l 5 _ 41 1 2 01 1 2 3 23 4 3 91 0 03 1 固定端辫切1 丝 4 - 2h v m l 5 _ 41 1 2 2 1 1 2 3 23 8 0 61 0 03 7张拉端颈缩4 丝 4 。3h v m l 5 _ 41 1 2 01 1 2 323 8 0 01 0 03 5固定端剪切1 丝 5 1h v m l 5 71 9 3 01 9 6 5 63 7 4 19 83 3剪切l 熊 5 2量垩v m l 5 - 71 9 5 21 9 6 5 。63 7 6 39 93 ，5颈辖1 丝羹韬2 丝 s 3h v m l 5 71 9 4 0 1 9 6 5 6 3 9 l l9 83 ，2 固定端剪2 丝颈i 丝， 张拉端剪1 丝颈1 丝 6 1h v m l 5 1 2 3 3 0 93 3 6 9 63 7 5 09 83 ，1固定端剪切l 丝 6 2| f v m l 5 1 23 2 4 23 3 6 9 63 7 6 99 62 8张拉端剪切i 丝 6 3h v m l 5 1 23 3 1 73 3 6 9 ，63 8 0 19 83 0张拉端颈l o 丝其中一 丝在锚是终3 0 m m 熊 7 1嚣! 唾1 5 a 4】0 8 51 1 2 3 。23 8 7 59 73 0 霾定臻赘秘i 丝 7 2b m l 5 a 4l 。9 01 1 2 3 23 8 7 。9 73 2固定端断3 撮，1 狠颈2 丝，1 根颈4 丝，l 根颈6 丝 7 3b m l 5 a - 41 0 6 41 1 2 3 23 8 7 l9 52 6张拉端剪切l 丝 8 。lh v m l 1 5 12 6 72 8 0 81 5 2 09 52 3固定端颈6 魑 8 2h v m ，l 1 5 一l2 8 02 8 0 81 5 8 0| 0 4 。0 连接器处聚拜，6 丝紧绥 8 3娃v m l l5 12 7 32 8 0 ，8 1 5 2 29 72 6 固定臻颈5 旌，剪l 丝 从畿6 1 - l 、6 1 2 可以看出，无论是在公司内部的自行试验， 南京理工夫举颁学位论文 - 4 2 超离搬预应力钢铰线锚具的研究 还是在黧家级检验中心鲸试验，镨具效率系数q 。均丈予o 9 5 ，平 均值在0 9 8 以上，破断时憨应变最小为2 ，平均3 o 以上。h v m l 5 型系列锚具的静载锚固性能完全达到国标掰求。 6 2 疲劳锚固性能 为了傺证蘸应力结稳在使篇过程中酶安全往彝耐久蛙，潜际 预应力混凝土协会( f i p ) 后张预应力体系的验收和应用建议 和国标g b h 1 4 3 7 0 9 3 预应力用锚飙、夹具和连接器 ( g b t 1 4 3 7 0 9 3 ) 对锚具的疲劳锚固性能作出了明确的规定。按 重标要求，在上限为6 5 n 应力将薤强瘦，瘟力槎凄为8 0 m p a 的 情况下，组装件应能承受2 0 0 万次疲劳加载，且试验后铺绞线因 锚具影响发生疲劳破坏的面积不应大于试件颟积5 。 为了验证h v m l 5 型系列锚具的疲劳锻濒性能，我们在图家级 检验中心遴雩亍了h v m l 5 。l 、h v m l 5 - 4 镬嶷疲劳试验，均麓满足拣 准要求，由于受到试验概熊力限制，1 9 孔的锚具不能按1 0 0 受力 条件进行试验，根据f i p 9 3 规定，当试验力受采用的试验机能力 限制时，被测组装件中所用的钢绞线数量可以减少，因此，我们 疆到火烫为了慎重超见，袋怒h v m l 5 1 9 罐其，按镊绞线强度为 2 0 0 0 m p a 标准进行了2 0 0 万次疲劳试验，结果没有一丝断裂，断 丝率为0 ，夹片拆下来检麓，没有发现碎裂现象。这证明h v m l 5 锚具的癜努性能满足2 0 0 0 m p a 及其以下强度级别的预应力材料要 求。 南京理王大举硕士学拉论文 超商强颊应力钢铰线锚具钓硝究 疲劳锚固性能试验结果汇总表表6 2 序钢绞钢绞蟪上限荷下限赫 应力幅疲劳次疲劳 号锚具型号线根标准强载( k n )载( k n )艘( s p a )数( 劳试验 数度次)结果 ih v m 5 il1 8 6 。5 0 8 44 7 4 。8 8 02 0 2通过 l 2 珏v m l 5 - 4 4 1 8 6 06 7 7 ，46 3 3 08 02 0 2 遴过 i 3h v m l 5 - 1 91 22 0 0 02 1 8 4 2 0 5 08 02 0 0通过 6 3 周期赫载试验 我嚣为地震多发速，许多重要结构都有貌震要求，按豁推妥 求规定试验应力上限取预应力筋抗强度标准德0 8 昂咄，下限取预应 力筋抗强度标准值0 4 f p 咄，试件经5 0 次循环荷载后预应力筋在锚 具夹持区域不应发生破断。在公司内部进行了h v m l 5 1 2 的锚具 矮期萄载试验，应力上限敬2 0 0 9 鹾魏该应力镧耪菰拉强度掇礁毽 的8 0 ，下限取2 0 0 0 m p a 预应力锯材标准强度的4 0 ，试骏步骤