探討鋼構鋼管預應力連接器及其應用

吳志剛，武長民，汪茗祥

（安徽省地質礦產(chǎn)勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

探討鋼構鋼管預應力連接器及其應用

吳志剛，武長民，汪茗祥

（安徽省地質礦產(chǎn)勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

建設工程項目中，鋼結構的使用量越來越大，如：工業(yè)民用建筑的廠房、倉庫、體育場館、景觀設施、基礎施工、巷道的支撐系統(tǒng)等。隨著鋼結構應用增加，鋼構鋼管連結的一些問題也就顯現(xiàn)出來，目前常用的聯(lián)結方法在施工現(xiàn)場因受場地限制很難保證鋼構鋼管的正、平、直的聯(lián)結要求，連接時費時、費勁，且各聯(lián)結方式都會有焊接作業(yè)，而焊接質量又難以控制。有關規(guī)范要求：建設大跨度樓層或屋面梁、板時，為改善視角錯覺，也為了修正自重沉降，設計文件中也要求提前增加跨中高度（起拱）。

預應力連接器；鋼結構的“起拱”；設計計算；應用

經(jīng)過檢索并未見用于鋼結構管材中的預應力連接器，但需要促使我們設計出一種用于鋼結構管材中的預應力連接器，即可高效、可靠的安裝和拆除還可以使剛構鋼管“起拱”。

關于鋼結構的“起拱”，設計文件雖有要求，因沒有統(tǒng)一的“起拱”方案，所以實際施工時或不做或亂做“起拱”。

通常，建筑構件中使用的普通鋼筋也只有在屈服階段前才能保證安全，當鋼筋到屈服階段后會發(fā)生塑性變形直至構件破壞。

利用預應力鋼筋制作構件則可以提高結構的承載能力；改善結構的受力狀態(tài)；提高結構剛度及穩(wěn)定性；降低用鋼量，節(jié)約成本。所以需要把預應力鋼絞線和鋼結構結合一起使用。

預應力鋼絞線，因其具有更好的柔韌性、高強度、低松弛性能等，故較其他預應力鋼筋可以方便的布置，通過張拉施力，就可以使構件在工作前就具有一定應力（預應力），使原本受拉應力段被施加預應力后變?yōu)閴簯?，即“存儲”部分應力，待正常使用時“釋放”出來。

其實兩根鋼管用預應力鋼絞線進行聯(lián)結并不難，但既要可靠聯(lián)結，又要拆卸方便；操作簡單，節(jié)省鋼材；特別是大型鋼結構在施工現(xiàn)場的對正、對接，往往會耗費大量的人工和時間；過長的鋼絞線在高溫、大應力狀態(tài)下其松弛性能也將大打折扣；盡可能的少用或不用焊接；滿足鋼構鋼管的“起拱”要求，都是需要在設計中給予考慮的。

設計一個鋼構鋼管預應力連接器，給鋼構鋼管一個施加預應力的剛性平臺，可以方便的連接和拆除；可以滿足設計要求，使鋼構鋼管“起拱”，“存儲”應力。

我們設計出一種用于剛構鋼管中的鋼絞線（預應力）連接器：

連接器的使用方法

①按計算長度裁切鋼絞線，并分別在鋼絞線的一端安裝擠壓錨頭（見安裝圖1示意），將鋼絞線束依次穿過螺紋墊板，方圓對接端A，穿入鋼構鋼管內。

安裝圖1：

②將擠壓錨端塞入第一個連接器內250mm左右，旋入螺紋墊板到設計位置（見安裝圖2示意）。

安裝圖2:

③在鋼構鋼管的另一端，將方圓對接端B的一端放入第一根鋼構鋼管中，依次、依序將鋼絞線穿入錨環(huán)的各孔中，向鋼構鋼管的兩端順入方圓對接端，給錨環(huán)和鋼絞線裝上夾片，確保錨環(huán)和方圓對接端B對中后就可以實施張拉了（見安裝圖3示意，注意兩個方圓對接端與連接器的關系）。

安裝圖3:

④張拉過程應遵守相關規(guī)程，張拉結束后錨環(huán)外出露的鋼絞線應留有開始張拉時的余量，待拆卸（放張）時用。

⑤旋入第二個連接器（見安裝圖4示意），即可聯(lián)結第二根鋼構鋼管。

安裝圖4:

⑥設計中鋼絞線在穿過方、圓對接端B時可做基本定位，但因錨環(huán)與方、圓對接端B為平面接觸定位，所以在張拉鋼絞線時應加裝對正裝置（護罩）確保錨環(huán)和方、圓對接端B的位置，方便后續(xù)旋入連接器。

⑦需要注意的是：拆卸過程絕不能看成簡單的安裝逆過程，特別是鋼絞線的放張，須有一定經(jīng)驗的作業(yè)人員來完成，禁止單根鋼絞線一次性完全放張，使其他鋼絞線承受額外的拉力，引起不測，必須逐級釋放錨環(huán)鋼絞線上的拉力。

設計計算

為了說明其原理，本設計中只是選擇了一種常見的配置。

①設計中安全系數(shù)的選擇

構件受力簡單的拉、壓時安全系數(shù)取1.5。較重要的構件且受力狀態(tài)復雜時用綜合系數(shù)法確定其安全系數(shù)：S=S1·S2·S3。(選擇過程略)。

于是：S=S1·S2·S3=1.25×1.35×1.25=2.109，故取S=2.11[1]。

②本設計中選擇被連接的鋼管材質為Q345，尺寸為150×150mm的方管(如選擇被連接的鋼管為圓管時其幾何尺寸和連接端部略有調整，連接方式不變)，壁厚為8mm，長度5m，鋼材的屈服強度為345MPa，抗拉強度為470MPa，安全系數(shù)選擇1.5，許用應力[σ]=345/1.5=230MPa。

鋼絞線選擇公稱直徑15.2mm，公稱抗拉強度1860MPa，公稱鋼材面積140mm2，斷裂荷載260kN、屈服荷載229kN。

取屈服荷載的80%為最終張拉力，即：229×80% =183.2kN，用5孔錨具對其實施張拉，于是有：5× 183.2=916kN。

先對Q345的鋼管進行強度及穩(wěn)定性進行校驗，根據(jù)鋼材的拉、壓公式：

σ=N/F=916×103/（0.152-0.1342）=201.6MPa＜[σ]，說明該狀態(tài)下滿足鋼管的強度條件。

該狀態(tài)下鋼管的穩(wěn)定性能校驗：

將各參數(shù)分別代入上述公式并計算：

即：λ（=86.06）＞λp（81.15），根據(jù)公式的應用條件，故選擇歐拉公式對其進行穩(wěn)定性校驗：

σlj（=267MPa）＞σ（=201.6MPa），即臨界應力大于工作應力，該鋼管在以上條件下應用是安全的。

式中各符號[2]：

σ：正應力，單位：Pa；

σp：鋼材的比例極限，單位：Pa；

N：鋼管受到的軸向力，單位：N；

F：鋼管的橫截面積，單位：m2；

λ：鋼管的柔度（又稱長細比）；

λp：與比例極限相應的柔度；

i：鋼管的慣性半徑，單位：m；

J：鋼管的慣性矩，單位：m4；

μ：稱為長度系數(shù)，它反映了各種不同支撐情況對臨界力的影響；

μl：稱為相當長度；

b：鋼管橫截面的寬，b1鋼管橫截面的內寬，單位：m；

h：鋼管橫截面的高，h1鋼管橫截面的內高，單位：m；

E：鋼材的彈性模量，單位：Pa；

③對連接器的連接及螺紋部分進行校驗

a.連接器選擇 40Cr調質后加工而成，其σS=800MPa，σb=1000MPa。安全系數(shù)取 2.11，[σS]=800/2.11=379.15MPa，

[σb]=1000/2.11=476.2MPa，

[τ]=0.7×[σS]=0.7×379.15=265.41MPa，

連接器實體部分的強度校驗：

σ=N/F=916×103/[(0.152-0.1342)×л/4]=256.7MPa＜[σS]，故連接安全。

b.螺紋部分，螺母的大徑134mm，小徑131mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋。假定螺紋的荷載集中作用在平均直徑的圓周上，然后把螺紋展開，并作為懸臂梁來計算，根據(jù)相關經(jīng)驗：螺桿螺母材料相同時，只需校核螺桿螺紋的強度：

式中：

N：為連接器受到的軸向力，用于深基坑內支撐的連接時，該螺紋上受力很小，但用于其他方面的連接時就必須進行相應的校驗。

d3：外螺紋的小徑

b：螺紋牙根部的寬度，矩形螺紋b=0.5P,b=0.5× 6=3mm；

H1：基本牙型高度,設計牙高1.5mm；n:旋合圈數(shù)，n=H/P≤10-12，即：n=H/P=60/6=10≤10-12

H：螺紋長度，設計螺紋長度60mm；

P：螺紋牙距為6mm；帶入相應參數(shù)，剪切強度：τ=N/лd3bn=916×103/л×131×3×10=74.19 MPa≤[τ]；

帶入相應參數(shù)，彎曲強度：σb=3NH1/лd3b2n=3× 916×103×1.5/л×131×32×10=111.28MPa≤[σb]；

螺紋設計滿足強度要求。

c.螺紋墊板的螺紋強度校驗

螺紋大徑124mm，小徑121mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋，有：

剪切強度：τ=N/лd3bn=916×103/л×121×3×10 =80.32 MPa≤[τ]；

彎曲強度：σb=3NH1/лd3b2n=3×916×103×1.5/л× 121×32×10=120.48MPa≤[σb]；

螺紋設計滿足強度要求（螺紋的自鎖性能校驗略）[3]。

本例中給出的尺寸均為試驗用尺寸。通過制作的實物驗證也說明該方案是切實可行的（見照片,因錨具等已標準化生產(chǎn)，可以外購，這里就不贅述）。

連接器在系統(tǒng)中的應用：

①在兩個連接器(錨夾具)之間的鋼構鋼管中使用異位墊板、約束支架等可控制鋼絞線在鋼構鋼管內的分布路徑，改善其受力狀態(tài)及變形（起拱），發(fā)揮鋼構鋼管和鋼絞線的綜合性能（見安裝圖5示意）。

②如將兩根鋼管的對接接口制作成一定角度，連接后的兩根鋼管的軸線也將按該角度產(chǎn)生相應的安裝夾角（有別于“起拱”）。

③深基坑的作業(yè)時間較短所以內支撐時張拉后不需注漿，方便拆卸。用于深基坑內支撐時在鋼構鋼管的節(jié)點上應設置托樁或懸掛裝置。

④如需對鋼構鋼管注漿時，注漿孔的位置應低于排氣孔，采用邊注入水泥漿邊震動的方法，輔助排出鋼構鋼管或水泥漿中的空氣，確保注漿質量。

⑤因各部件在使用過程中需承受較大拉、壓力的作用，所以對連接器應進行探傷檢驗，不符合要求的部件不得使用，防止發(fā)生意外事故。

⑥對稱、依序安裝鋼絞線在錨具中的位置，可以保證各構件受力均勻。

⑦此連接方式可用于深基坑內支護、巷道支護、鋼結構廠房等方面。

結論：

①加強試驗工作，探索在兩個連接器（錨夾具）之間的鋼結構（鋼管）的“起拱”規(guī)律，發(fā)揮鋼構鋼管和鋼絞線的綜合性能。

②探索將兩根或多根鋼構鋼管對接接口制作成一定角度，連接后的狀況及規(guī)律。

③探索注漿的剛構鋼管“起拱”后的抗彎性能。

④優(yōu)化設計，選擇更優(yōu)方案，面向實用。

⑤鋼構鋼管預應力連接器及應用已申請專利。

[1]南京工學院機械原理及機械零件教研組.機械原理及機械零件[M].北京：人民教育出版社，1981.

[2]西安交通大學材料力學教研室.材料力學[M].北京：高教出版社，1979.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[4]汪菁.鋼結構基本理論與應用 [M].武漢：武漢理工大學出版社，2004.

[5]劉效堯，朱新實.預應力技術及材料設備[M].北京：人民交通出版社，2000.

TU391

B

1007-7359（2016）06-0077-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.030

吳志剛（1961-），男，湖南長沙人，高級工程師，主要從事探礦工程管理工作。