（固体力学专业论文）预应力锚固体系的有限元分析及实验研究.pdf

摘要 摘要 预应力混凝土结构在建筑、桥梁、水利等工程领域有着十分广泛的应用。预 应力混凝土结构是通过施加预应力以提高结构承载能力并进一步提高结构刚度， 以缩小结构物尺寸和减轻其自重，从而显著节约工程材料。 我屠从1 9 8 8 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2 0 0 9 年北京奥运会各项设施的建设，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。 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：如锚具内部的力学陛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陛。这势必会影响到预应力技 术的进一步推广和应用。 本文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。 本文采用实验和有限元分析方法相结合，对锚具锚固性能进行研究。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a n s y s 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，从而得封：a n s y s 软件是对锚具进行计算机模拟的有效工具这 一结论。最后，本文对锚固体系进行了优化设计，通过对不回参数，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，本文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。 关键词：预应力混凝土；锚固体系；锚具；有限元分析：结构优化设计 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n s t r u c t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ye n g i n e e r i n ga r e a s s u c ha s b u i l d i n g ，b r i d g e a n d h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n s t r u c t i o nc a ne n h a n c et h es t r u c t u r a lc a p a c i t ya n df u r t h e ri m p r o v et h er i g i d i t yo f s t r u c t u r e ，r e d u c et h ed i m e n s i o no fs t r u c t u r e sa n dl i g h t e nt h e i rw e i g h t s ot h e yc a n o b v i o u s l y s a v et h em a t e r i a l si ne n g i n e e r i n g o u rc o u n t r yh a se n e r g e t i c a l l ya d v o c a t e da n dd e v e l o p e dt h ep r e s t r e s s e dt e c h n o l o g y s i n c e1 9 8 8 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y , s p e c i a l l y ，t h ed e v e l o p m e n to f t r a f f i ca n d e n e r g y , t h en e e d a n d a v a i l a b i l i t yo fp r e s t r e s s e dp r o d u c t i sv e r y o p t i m i s t i c a n dt h ep r e s t r e s s e dt e c h n o l o g yw i l lb em o r ea n dm o r eu s e di ns i t ec o n s t r u c t i o na n d p r e p a r a t i o nf o rt h e 2 0 0 8o l y m p i cg a m e sa n dt h r e eg o r g e sp r o j e c t t h e r e f o r et h e p r e s t r e s s e da n c h o rr e q u i r e dw i l lh a v et o b ei n c r e a s e d ，i ti so fv a l u et or e s e a r c h p r e s t r e s s e d a n c h o r b e c a u s et h ee f f e c to f p r e - s t r e s sd e p e n d so nt h el o a dt h a ta n c h o rs y s t e ma l l o w s ，t h e s t u d yo f a n c h o rs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t b u ti nt h ec o n v e n t i o n a la n a l y s i so fa n c h o r s y s t e ms t i l ls t a y si n t h e s t a r t i n gp o i n t t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fa n c h o r s y s t e mi ss t i l lo n t h eb a s i so f e x p e r i m e n t ，a n dc a n n o tf o r m at h o r o u g ht h e o r ys y s t e m f i r s t ，t h et e c h n o l o g yo ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ea n c h o ri sac o m p r e h e n s i v ef r o n t i e r s c i e n c e i tt r a v e r s e sm e c h a n i c a l ，s t r u c t u r a la n dm a t e r i a ls c i e n c e s ，e t c m o r e o v e r ，t h e s t u d y o fa n c h o r s y s t e m h a s m a n yo t h e r d i f f i c u l t i e s f o ri n s t a n c et h ei n t e r n a l b e h a v i o ro ft h ea n c h o r a g ec a n n o tb ea n a l y z e dt h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e s h a p eo f a n c h o rs y s t e mi sc e r t a i n t l yac o m p l e xs t r u c t u r a l ，a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw e d g e a n da n c h o rr i n gc a n n o tb ek n o w nt h r o u g he x p e r i m e n t a tp r e s e n t ，t h e s t u d y o f a n c h o rs y s t e mi sn o tc e r t a i n t l yc o n s u m m a t e t h i ss i t u a t i o nw i l lo b s t r u c tf u r t h e r a p p l i c a t i o no fp r e s t r e s s e dt e c h n i q u e t h es t u d y o b j e c t i v e o ft h i sa r t i c l ei st h e a p p l i c a t i o n s o fp r e s t r e s s e d a n c h o r a g e t e c h n i q u ei ne n g i n e e r i n g o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gal a r g ea m o u n to fr e f e r e n c e m a t e r i a l ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ei s s u e sr e l a t e dw i t ht h e b a s i c t h e o r y ，t h e d e v e l o p i n gf e a t u r e sa n dd e s i g nt h e o r yo fp r e s t r e s s e da n c h o r a g et e c h n i q u e s oi tm a y b ev a l u a b l et oo t h e r e n g i n e e r i n g t h ep a p e rp e r f o r m se x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rw e d g ea n da n c h o r r i n g b ym e a n so f s t a t i cl o a dt e s t ，t h es t r a i nv a l u eo fw e d g ea n da n c h o rr i n gc a nb e m e a s u r e dw h i l ee a c hl o a dc y c l ei n c r e a s e d ，a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fe a c hp e r i o d c a nb eo b s e r v e d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t ，t h en u m e r i c a la p p r o a c ho fa n c h o r s y s t e mw i l lb ea n a l y z e dh yf e m w i t ha n sy sp r o g r a m t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n w e d g e a n da n c h o rr i n gc a nb ea n a l y z e du n d e rt h el o a dc o n d i t i o n ，w h i c hs h o w st h e w h o l ec o u r s ei nt h ea c t u a lt e n s i o nc o n d i t i o n s u b s e q u e n t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h e d a t ao fe x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h en u m e r i c a l a p p r o a c h o fa n c h o rs y s t e mc a nb e a n a l y z e db y f e mw i t ha n s y sp r o g r a mi s o b t a i n e d a tl a s t ，t h ep a p e rs e e k st od e t e r m i n ea no p t i m u md e s i g n t h ea n a l y z ed e a l w i t h e v e r yv a r i e t yo f f a c t o r ss u c ha sh e i g h t ，v o l u m e ，t h et a p e ro fa n c h o rr i n g ，e t c o n t h eb a s i so ft h ec o n c l u s i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e sam o d e lo fa n c h o rs y s t e m ，s ot h a tt h e a n c h o rs y s t e mi sa se f f e c t i v ea sp o s s i b l e k e y w o r d ：p r e - s t r e s s e dc o n c r e t e ；a n c h o rs y s t e m ；a n c h o r a g e ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； s t r u c t u r ed e s i g no p t i m i z a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声晴：所叠交的论文是本人程导师的指导下独立进行研 究掰取褥鲶薹 究成果。除了文中 特别加以标淀引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写鹃成采律晶。对本文酌硗究徽毒重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承摄。 作者签名： 穸甥日期：膨年7 月岁e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文t 仁者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或枫构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅魏借阕。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或捆 播等复副手段傈存耘汇编本学位论文。 保鬻口，在年解鬻后适用本授权书。 本学谴论文属子 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 静少弦 导师虢呵效 日期：矽哆年7 月多e 1 日期：a 哆年7 月多酲 第一章绪论 1 1 课题技术背景 第一章绪论 预应力是指为了改善结梅或构件在各种使用条件下的工作。陛能和提高其强 度而在使用前预先施加的永久性内应力。预应力的设想起源于人们对木桶加箍， 以及对木轮加缩紧的轮箍。 目前最常见的情况是将预应力施加于混凝土上，形成压应力，以部分抵消或 全部抵消结构使用中本会出现的拉应力。顸应力混凝土结构技术的应用和发展主 要是在第二次世界大战之后，战后由于有大量的工厂、桥梁需要恢复，而当时钢 材供应异常紧张，采用预应力混凝土可比常用的构造型式节省更多的钢材，由此 促使预应力技术的应用和发展。而预应力混凝土结构所具有的较高技术经济指标 和广泛适用性的特点，促使其被广泛地应用于建筑、机械等行业，如桥梁、高层 建筑、水工结构、地下工程等i l j 。 由于预应力技术的发展是与预应力钢材和预应力锚固体系的发展休戚相关， 所以锚具和夹具作为制作预应力时锚固预应力钢筋的重要工具，其重要性也就不 言而喻了。一般认为，构件制成后能够取下重复使用的称为夹具；留在构件上不 再取下的称为锚具。锚具的设计与选择作为一个重要的环节，决定锚具所能承受 的载荷，而这将直接关系到预应力的效果。因而在工程结构中应用预应力技术， 既有对锚具各组成元件形成预期的预应力性能的要求，也包括在张拉过程中各元 件本身能否正常地达到预期的工作状态的要求。而实现上述要求不仅有赖于规范 的施工操作，更主要是依赖于正确选取预应力钢筋、锚环、夹片等构成元件的结 椅参数。因而可以这样说，锚具的优良特性是至关重要的，它直接影响到预应力 的效果和结构安全性。 现如今，预应力锚固体系的发展趋势是提高单束预应力筋的张拉力，及提高 锚具的可靠性和操作的灵活性，而预应力钢材发展的趋势是高强度( 屈服强度、 抗拉强度、疲劳强度) 、低松弛、耐腐蚀和高粘结性。 我国推广、应用预应力技术起步于5 0 年代，随着材料的发展，我国预应力 锚固体系也不断发展。但是长期以来，我国预应力锚固体系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：如锚具本身的复杂形状，探索锚具内部信息的实验手段 有限，另外还有锅绞线与夹片，夹片与锚环锚环与垫板之间的相互作用和它们 华南理工大学工学硕士学位论文 在载荷作用下变化的力学和几何特性。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， 然而随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，人们开始尝试借助计算机模拟 锚具的承载机理，对锚具的结构分析进行一些探索性研究。作为计算机辅助工程 c a e 的一种方法一有限元法，也随着计算机的发展而迅速发展起来现己成为 一种现代计算方法。有限元法是以计算机和矩阵运算作为工具，对复杂工程问题 或结构进行计算和分析的数值方法。有限元法也称为有限单元法或有限元素法， 其基本思想就是将连续体划分为足够小的单元，这些单元通过节点和边连接起 来，通过选择简单函数( 比如线性函数) 来近似表达位移或应力的分布或变化 从而得到整个连续体物理量的分布和变化。 综合来说，有限元法的优点是显而易见的。 1 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方 程。从而可以用多种方法对其求解： 2 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整个代数方程后再引入 边界条件。这样，内部和边界上的单元都能采用相同的场变量模型。而且，当边 界条件改变时内部场变量模型不需要改变t 3 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续 的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点t 4 有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或单元 采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用； 5 该方法能够容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性则很困 难； 6 适用于线性或者非线性场合； 7 该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人来说， 完全可以用数学语言来描述，并获得严格推理。而对一般工科学生来说，可以只 从物理层面上得到理解。 目前国际上较大型的面向工程的有限元( f e a ) 通用软件主要有a n s y s 、 m a c 、s a p 、a d i n a 等。a n s y s 作为工程数值模拟软件的代表，是由美国a n s y s 公司研制的一个多用途的有限元法分析软件，它具有强大的求解功能，可用来求 解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因而被广泛的应用于各行业的几乎 所有类型的有限元分析，如：汽车、宇航、铁路、机械、电子、电力、生物等工 程中。而其可靠的技术保证又使它在1 9 9 5 年5 月成为第一个通过 s o 9 0 0 1 质量 标准的分析设计软件。a n s y s 软件包含了前置处理、解题程序以及后置处理， 它将有限元分析、计算机图形学和优化技术有机的相结合，从而已成为解决现代 工程学问题必不可少的有力工具。因为a n s y s 软件在工程上应用相当广泛，而 2 第一章绪论 它在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用过程中，颇获各界好评，并都 能达到某种程度的可信度，所以成为本论文选用的计算软件。 1 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 2 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、j m 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 3 1 。 而国家标准g b t1 4 3 7 0 - - 9 3 预应力钢筋用锚具、夹具和连接器【4 】及行 业标准j g j8 5 9 2 预应力钢筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程 5 1 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2 0 0 万次的疲 劳性能试验，在抗震结构中，还应满足循环次数为5 0 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。 i i 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 6 】。 依靠摩擦阻力锚固的锚具。如锥形锚、波型夹具、j m 1 2 锚具、x m 型锚 具及q m 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。 1 3 主要研究内容 作为初步的理论研究，本研究的基本思路是：首先对锚具进行初步的力学性 能分析，以对锚具的力学性能有一个基本的认识，在此基础上，对锚具进行实验 研究，以获取必要的实验数据，从而对锚具进行有限元分析提供必要得支持，最 后用a n s y s 软件对锚具进行数值分析，通过把数值分析的结果与实验研究的结 果进行对比，从而得到最终的结论。 本论文根据时间和现有实验设备条件，从而确定本研究将以钢绞线锚固体系 华南理工大学工学硕士学位论文 为主要研究对象。因为锚具内部受力状况极为复杂，手工难以计算所以本论文 通过实验对其进行研究，并在实验的基础上，运用a n s y s 软件对锚具进行数值 模拟分析，从而实现对锚具的结构进行尝试性研究，以期获得科学的理论依据， 从而为锚具的理论研究提供一定的借鉴作用。本研究将通过实验获取相关的实验 数据，如锚环与夹片的相对位置沿锚具外周表面的应变分布等。但是由于试验 不能提供锚具内部信息，如内部应力一应变分布，应力集中及屈服百分比，因而 借助a n s y s 有限元软件进行数值模拟分析，并通过与实验结果的对比来验证此 种模拟是能够提供上述内在信息。此外，将实验结果与a n s y s 软件的分析结果 进行比较，可进一步说明采用a n s y s 模拟锚具是能对锚具特性进行可行的和有 效的预测。由此，我们可依据a n s y s 软件所得到的应力结果，来揭示锚具内部 的应力分布状况，为进一步改进和优化锚具设计提供理论依据。 本论文的正文包括以下三个部分： 第一部分为绪论，主要阐述本研究课题的学术背景理论与实际意义，及本 研究课题的来源，并对主要研究内容作初步概括。 第二部分为本论文的主体，在此部分里，首先运用力学知识对锚具进行力学 性能分析，其次通过实验对锚具进行实验研究，最后使用a n s y s 软件对锚具作 进一步的分析和总结。本部分包括了第二章第五章。 第三部分为本论文的结论。通过对整个论文主要成果的总结明确指出本研 究内容的创造性成果，并对其应用前景进行预测和评价，同时还将进一步指出今 后在本研究方向进行研究工作的展望和设想。 4 第二章钢绞线锚固体系的性能及受力分析 第二章钢绞线锚固体系的性能及受力分析 2 1 引言 锚具锚固的可靠与否，是否产生滑丝、断丝等现象在很大程度上与锚具的 形状尺寸，加工精度，材质和顶压措施有关。然而最主要的是在设计锚具时， 锚具本身必须满足自锚条件。自锚就是使预应力筋可靠地锚固。不致产生滑移现 象。本章将对钢绞线锚固体系的锚固原理、性能及受力情况进行分析，同时对锚 具在实际应用过程中出现滑丝、断丝现象的机理进行初步分析，并提出结构改进 方案。 2 2 单孔锚锚具组装件性能分析 钢绞线锚固体系，无论是群锚还是单锚，都是以一个独立锚固单元锚固一个 预应力筋单元( 一根钢绞线或6 7 根一束的钢丝束) 。每一锚固单元由一个锥形 孔内安装一副外锥面光滑、内表面有齿( 锯齿形、三角形或倒圆弧形) 的夹片( 三 片或两片) 组成。夹片内表面的齿是增加夹片和预应力筋间的机械啮合能力。单 孔锚具结构及各元件如图一。 翰麓 臻 鬻垫板落 ， 图2 1 单孔锚具结构 f i g 2 ta n c h o r a g e s t r u c t u r e 5 华南理工大学工学硕士学位论文 2 2 1 锚固单元受力分析 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) ，进入锚环锥孑l 内。由于楔形原理，越楔越紧 ”。其受力分析如下，受力简图见图2 2 。 x y 预应力筋 y 二少预应觞 广l 1 x 慑水 i 1 hl ! 图2 - 2 锚固单元工作原理 f f i g 2 - 2 w o r k p r i n c i p l eo f a n c h o rs y s t e m 图中f 表示预应力筋所受的拉力： d 为锚环的斜角； u1 表示夹片与锚环之间的摩擦系数，相应的摩擦角为b ，即ul = t g0 ； u2 表示夹片和预应力筋之间的摩擦系数，相应的摩擦角为y ，即“2 = t gy ； n i 为锚环对夹片的垂直反力与它们之间摩擦力的合力； h 为n ，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【引， 即 r t gy f ( 2 - 1 ) 在x 轴、y 轴上取平衡方程式，得： n 1 s i n ( + b ) = f ( 2 - 2 ) n 1 c o s ( a + b ) = h ( 2 - 3 ) 6 隶川=二飞薅冉叫 第二章钢绞线锚固体系的性能及受力分析 因为h = r 所以f = r t g ( q + b ) ，r = f t g ( a + b ) ( 2 - 4 ) 将( 2 - 2 ) 代入( 2 1 1 ) ，得 r t g y r t g ( a + 且1 即 r t gyt r t g ( d + 目) ，y d + 0 ( 2 - 5 ) 这时，锚具能够自锚。 当o b 时，锚具能够自松。 由( 2 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a ，0 有关。对于a 角，己做过大量的探索研究，a 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；a 角过大时，夹持力减小，易出现滑丝 和夹不住的现象。 由( 2 - 3 ) 式可知，要保证锚固可靠，必须增大y 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y 值的同时，应减小d + b 值，其中，一般值以5 5 。7 5 。为宜；而且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。为降低且值。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b 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k f ，由于k f 力作用，夹片内齿面产生对钢绞线的r 7 力，其与r 力方向相反。在r7 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2 2 。 由脱离体沿x 、y 轴的平衡条件有： n s i n ( + b1 = k f + f = ( i + k ) f n c o s ( d + b 1 = h 叉h = r 7 华南理工大学工学硕士学位论文 r t gy f 所以 ( 1 + k ) t gy t g ( + b1 ( 2 - 6 ) 和( 2 - 3 ) 式相比，( 2 - 4 ) 式中l + k l ，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，不项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l m m 左右， 对于较长的预应力筋来说，差l 2 m m 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。 2 2 2 两片式夹片锚的组装件性能分析 在前一节，本论文对夹片式锚具作了初步的力学性能分析，而在本节中， 将对工程实际中常用的两片式夹片锚具进行进一步的力学性能分析。 目前广泛使用的夹片有直割三片式、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t 8 0 ，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。 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y c w 千斤顶的广泛使用，也使两夹 片更易于推广。所以本论文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。 图2 3 为夹片锚的受力情况。在千斤顶逐渐放张至零时，预应力筋将逐渐 回缩，犹如有压力迫使夹片和钢筋向锚环内移动6 ( 放松张拉时的回缩量) 。为 了保证夹片的自动跟进，夹片与钢筋之间不应有相对滑动，夹片与钢筋接触面的 摩阻力f 应小于u2 r 。夹片与锚环之间有相对滑动而形成6 ，夹片与锚环之间的 摩阻力则达到极限摩阻力( 动摩阻力) 。 图中f 表示预应力筋与夹片之间的摩阻力； a 为锚环的斜角； u1 表示夹片与锚环之间的摩擦系数： 8 第二章钢绞线锚固体系的性能及受力分析 uz 表示夹片和预应力筋之间的摩擦系数； n 为锚环对夹片的正压力： r 为预应力筋与夹片之间的正压力； r 。为夹片之间的环向正压力。 y _ j uz r i f 瑶 e 卜 毓 i f 图2 3 放张后夹片受力图 f i g 2 - 3t h es t r e s sp l o to fw e d g e 取夹片作为脱离体，由脱离体平衡条件有： n c o s a 一卢i n s i n c r = r + r = k r ( 2 7 ) 式( 2 - 5 ) 由式 虐些c o s o d e = 虐嘉c o s e d e 砌上三 2 兀 。 上；2 兀 而得，并令r = 2 r 系数( 量1 ) 。 n s i n c t + p i n c o s c t = f ( 2 - 8 ) 由此可见，对于锚具组装件，k 反映其固有特性，其值大于等于1 ，它与夹 片内径、钢绞线直径相对大小夹片线性弹性模量，夹片厚度等有关。 f 2 胄 ( 2 - 9 ) 为得到夹片自动跟进的条件，将式( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 9 ) 得： ( “2 k x c o s 7 一ls i n c t ) s i n n + “i c o s o l( 2 - 1 0 ) 由于0 。 0 ，即c o s ( x 1 s i n 旺，故 鹳 1 1 ( 2 - 1 1 ) 另由式( 2 1 0 ) 知： 9 华南理工大学工学硕士学位论文 “2 k “i ( c o s s i n a t j l ) ( c o s a p ts i n a ) ( 2 1 2 ) 偿u ( p 2 k p - i ) ( 1 + p 1 “2 k ) 且0 。 9 0 。 ( 2 - 1 3 ) 比较式( 2 - 5 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 知，锚环锥孔锥度或夹片锥度由( 2 1 3 ) 式控制。 由式( 2 - 1 3 ) 可见，( u2 k u1 ) 的差值愈大，p1u2 ，k 的值愈小，允许 的锥角愈大，但u2 k 必须大于ul 。故锚环锥孔与夹片的接触面都做得较光滑， 而夹片与预应力筋接触的夹片面上刻有齿形螺纹，以增大摩擦。 例：设u2 k = o 3 0 i zl = 0 1 5 8 f9 1 。代入式( 2 1 2 ) 得：0 c s 8 1 79 ，即锥度 2 c t 1 6 3 4 。 式( 2 1 2 ) 或者式( 2 1 3 ) 成为夹片锚夹片自动跟进、锚固的条件。 由预应力筋的平衡条件( 放张以后) 可知，预应力筋在锚下截面的预加力t 等于它作用于夹片的摩擦力厂，即 f = ( 2 1 4 ) 将式( 2 - 1 4 ) 代入式( 2 - 8 ) ，并与式( 2 - 7 ) 联立求解得： n = f ( s i n a + “c o s c 0 ( 2 1 5 ) r = ( c o s c 一ts i n c 0 ( s i n 旺+ “lc o s i f , ) i t k ( 2 1 6 ) 可以证明，当满足式( 2 13 ) 的规定、预加力f 一定时，a 愈大，锚环和 夹片所受正压力n 、r 均愈小。故设计时宜取 o r , = a r c t g ( 1 - l 2 k 一1 ) ( 1 + p 1 斗2 足) 】且0 。 c t f 5 对， 夹片产擞回缩，从而使夹片楔进锚环以保持一定的夹紧力。 6 逶蓬夹片簧逮黧锤茚豹过程戴鏊3 4 。 r 一善 l a r f 6 辩 b 匿3 - 4 镶具受力分析圈 f i g3 - 4m e c h a n i c sa n a l y s i so fa n c h o r a g e 图3 - 4 中： f ，为夹片传递的挤压力； f s 为夹片内缩力； f 9 为摩擦力。 在腮3 4 a 巾，当哭片内缩时，受f ，作用，在必片与锚环闻产生了摩擦阻力 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 f 。以阻止内缩。 在图3 4 b 中，f 7 、f 8 是f 6 的分力，f 7 的作用是使夹片向锚环产生挤压 h 的作用是使夹片楔入锚环产生内缩。 3 2 6 实验方案 本实验在试验机上模拟锚具工作状态，对单孔钢绞线夹片式锚具进行静载 锚固性能实验。通过压力传感器测定张拉力，用d h 3 8 1 5 多通道静态应变仪测定 沿锚具的外圆周的各个测点。1 9 个应变片分布在锚具的外圆周表面上( 如图3 2 所示) 。应变片用来监测在每一级载荷下，锚具的外圆周表面的变形特性。千分 表则是用来跟踪夹片跟进尺度，以获得力与夹片跟进距离的关系。 单位 图3 5 应变片分布图 f i g 3 - 5p a r t i c u l a ro r d e ro f s t r a i ng a g e s 将试件安装在试验架上，将各量测仪表与数据采集系统相连，起动张拉千 斤顶对试件预加载约1 0 f p y ，使各仪表进入工作状态，张拉千斤顶回油，卸载 0 f p y ，各仪表调零，试验准备完毕。实验载荷按规定以1 8 6 0 m p a 级钢绞线的 强度为标准，分2 0 f p y 、4 0 f p y 、6 0 f p y 、8 0 f p y 四级等速加载，加载速 度为1 0 0 m p a 分钟，达到8 0 f p y 后，持载1 小时，其中f p y 为l 8 6 0 级钢绞线 的抗拉强度。 ，2 a ，。a ( 3 - 1 ) = 1 8 6 0 m p a x1 4 0 = 2 6 0 4 尼 式中。为钢绞线的极限强度：a 为钢绞线的公称截面积。 第三章钢绞线夹片式锚具的实验研究 3 3 实验数据和结果分析 表3 2 力与千分表实验记录表 t a b 3 - 2e x p e r i m e n t n o t i n g o nf o r c ea n d m a g e n t i c 力( k n )压力传感器( u ) 千分表( m m ) 2 04 32 2 0 4 08 83 1 8 6 01 3 23 8 8 8 0一1 7 84 4 3 1 0 02 2 04 9 l 1 2 02 6 65 3 1 1 4 03 0 75 7 3 1 6 03 5 l6 0 6 1 8 03 9 66 4 0 2 0 04 4 36 7 3 2 1 64 7 87 0 5 实验结束时，夹片与锚环两上表面的距离为o 3 5 5 m m 。由此，再依据上表就 可以计算出在不同荷载下夹片的跟进尺度，即可以准确地算出在不同荷载下， 夹片与锚环的相对位置，以及夹片与锚环之间近似的接触面积。这样，在以后运 用a n s y s 软件进行数值分析时，所建立有限元模型将以实验数据为依据，确定 力的大小，力的加载区域：或夹片与锚环之间的相对位置，以尽量实现对锚具工 作状态的近似模拟。以使数值模拟分析能更接近实验的实际工作状态的情况下， 使得本研究的最终结论的可信度，即通过实验结果与a n s y s 软件的计算结果的 对比后所获得的结论，将大大提高。 2 l 华南理工大学工学硕士学位论文 表3 3 锚具环向应变实验记录表 t a b 3 - 3e x p e r i m e n tn o t i n go nt h er i n gs t r a i no f a n c h o r a g e abcdef l5 61 0 62 32 2 0- 4 0 24 8 l 23 16 65 5一1 1 0一1 8 22 5 7 31 55 l1 2 61 8- 5 6一1 0 6 495 22 3 31 1 17 85 9 51 28 44 1 03 3 62 9 63 0 5 62 81 6 07 0 57 1 46 6 26 9 2 75 42 7 21 0 l l1 1 3 4i 0 7 91 1 2 2 81 0 04 3 11 2 9 l1 5 4 21 4 9 61 5 4 7 91 6 85 5 31 4 1 61 7 8 21 7 7 01 8 2 5 1 01 9 65 8 91 3 0 51 6 8 l1 7 2 31 7 3 9 将上表绘制成图，如下所示 _ j 、一 制 埕 2 0 0 0 0 e 0 0 o 102 03 0 高度( ) 图3 - 6 锚具环向应变图 f i g 3 - 6t h er i n gs t r a i no fa n c h o r a g e 啪哪啪啪三批啪枷|暑。 第三章钢绞线夹片式锚具的实验研究 表3 - 4 锚具轴向应变实验记录表 t a b 3 - 4e x p e r i m e n tn o t i n go nt h ea x i ss t r a i no f a n c h o r a g e abcdefg 13 0 6- 8 5 61 0 6 61 1 1 91 3 3 6一1 6 8 71 7 5 7 22 3 88 2 2i 0 2 71 0 5 9一1 0 9 81 1 7 5一1 2 5 4 3 3 3 96 5 88 1 3- 8 4 7- 9 3 4一1 1 0 5- 8 7 5 42 8 34 5 75 8