鋼絞線擠壓錨固夾持結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

朱 元,秦 浩,韋耀淋,蘇 韓

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545005）

鋼絞線擠壓錨固夾持結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

朱 元,秦 浩,韋耀淋,蘇 韓

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545005）

該研究主要是為解決產(chǎn)品的優(yōu)化升級，同時(shí)為滿足一些對錨頭外露量有限高要求的特殊吊索而設(shè)計(jì)的錨具結(jié)構(gòu)。通過對錨頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足其可靠的錨固性能的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成本節(jié)約、提高生產(chǎn)質(zhì)量，甚至可以提升拉索滿足高應(yīng)力幅受力狀態(tài)下的承載要求，另外也可以解決拉索在拱橋吊桿中的特殊工程需求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；錨頭結(jié)構(gòu)；錨固性能；高應(yīng)力幅；特殊吊索

1 基本闡述

鋼絞線整束擠壓拉索體系成功的開發(fā)，開辟了拱橋吊桿設(shè)計(jì)運(yùn)用的新世界。該結(jié)構(gòu)的錨頭結(jié)構(gòu)短小緊湊特性，解決了拱橋梁體在滿足橋體受力同時(shí)又實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的矛盾，并在一些舊橋換索領(lǐng)域發(fā)揮了其優(yōu)越的性能。但是由于錨固套是采用整體擠壓握裹的方式，錨頭太長或者操作不當(dāng)容易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致產(chǎn)品破壞或者影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的可能。另外在舊橋換索或者拱橋吊桿設(shè)計(jì)運(yùn)用中，有些工況對錨頭的外露景觀效果有特色要求，不允許錨頭外露在拱頂或梁底。隨著橋梁工程的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建設(shè)也在向大跨度、大結(jié)構(gòu)方向挺進(jìn)。隨之帶來的是對橋梁結(jié)構(gòu)及拉索受力提出了新的挑戰(zhàn)，甚至提出了一些高應(yīng)力幅、重載受力拉索，因此針對這些情況，我們需要對對錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-5]。

2 錨頭存在問題

主要有以下幾個(gè)改進(jìn)點(diǎn)：

（1）錨固套在擠壓過程中容易出現(xiàn)彎曲、開裂的現(xiàn)象，見圖1、圖2。

錨固套太長，擠壓后導(dǎo)致彎曲直接影響錨固夾持性能，無法加工外螺紋，增加報(bào)廢率。

錨固套在擠壓是發(fā)生彎曲，如果操作工人無法預(yù)見的情況下，強(qiáng)行擠壓后就容易發(fā)生錨頭表面被撕裂、拉傷的質(zhì)量隱患。

圖1 錨固套擠彎

圖2 錨固套表面開裂

（2）錨固區(qū)域抗疲勞改進(jìn)

由于錨固套采用整體擠壓握裹的錨固方式，在錨固套前端夾持處容易發(fā)生應(yīng)力過度集中，密封段剝除PE的鋼絞線產(chǎn)生振動摩擦，尤其是在對拉索提出高應(yīng)力幅設(shè)計(jì)要求的工況下，錨固區(qū)域很容易發(fā)生疲勞破壞，從而影響拉索壽命及整體性能，見圖3。

圖3 容易發(fā)生疲勞破壞點(diǎn)

3 錨固夾持優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

針對以上的分析，需要對錨固區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，提出了以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）針對錨固套彎曲采取措施

錨固套彎曲主要原因是錨固套設(shè)計(jì)太長，其次是擠壓對中同軸度不好導(dǎo)致。因此可以采取減短錨固長度，將錨固套的徑向擠壓力加大，并在錨固套前端設(shè)計(jì)導(dǎo)向?qū)χ薪Y(jié)構(gòu)。

錨固套的改進(jìn)結(jié)構(gòu)對比見圖4。

圖4 錨固套改進(jìn)結(jié)構(gòu)對比

（2）對提高錨固效率的關(guān)鍵在于增大鋼絞線所受的摩擦力，通過對擠壓錨固鋼絞線拉索結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析認(rèn)為，有效增大鋼絞線與錨固套間的摩擦力有下幾種方式：

a.在錨固套擠壓時(shí)，在鋼絞線端面設(shè)置楔形錐套，使鋼絞線形成膨脹效果端部抗滑。

b.對鋼絞線表面進(jìn)行咬齒，增加與錨固套孔的摩擦。

c.加大錨固套內(nèi)部孔間距的開槽寬度來實(shí)現(xiàn)擠壓握裹應(yīng)力的釋放，從而實(shí)現(xiàn)擠壓錨固效果得到提升，滿足夾持效果。

d.在鋼絞線端部對鋼絞線中心絲進(jìn)行墩頭處理。

4 高疲勞應(yīng)力幅下的錨固區(qū)域設(shè)計(jì)

目前在某些特殊工程提出了300 MPa的動載應(yīng)力幅，而拉索的疲勞性能主要取決于錨固區(qū)域的夾持段疲勞穩(wěn)定性和鋼絞線母材的疲勞，由于鋼絞線是市場上非常成熟的、質(zhì)量可靠的且大量驗(yàn)證過的材料，本次研究主要針對錨固夾持段的研究改進(jìn)。

首先對拉索錨固區(qū)域的夾持結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)，以便更好的提高拉索疲勞穩(wěn)定性。

為了減少錨固套的擠壓應(yīng)力問題，對擠壓段進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過小角度緩慢擠壓引導(dǎo)的方式，使得擠壓力慢慢增加，不至于讓擠壓應(yīng)力一開始就集中在錨固套最前端出口處形成疲勞剪切現(xiàn)象。另外在前端設(shè)計(jì)了一段直線對中引導(dǎo)過度，可以起到防止擠壓前無法對中擠偏。改進(jìn)前后的錨固套見圖5（以GJ15-19型為例）。

圖5 錨固套改進(jìn)對比

其次是增加一截輔助錨固區(qū)，增加對剝除PE段鋼絞線的握裹穩(wěn)定性。

第三個(gè)改進(jìn)地方就是對錨固密封區(qū)域灌注密實(shí)性較好的環(huán)氧固化漿。

拉索錨固區(qū)域示意見圖6。

圖6 改進(jìn)型錨固區(qū)結(jié)構(gòu)

5 試驗(yàn)論證研究

5.1 改進(jìn)型4度錐套作用的驗(yàn)證

（1）試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證中心絲4度錐套所能承受的極限力，見圖7。

（2）試驗(yàn)樣品1：7孔的錨固套作為固定端，7根環(huán)氧噴涂鋼絞線穿過錨固套內(nèi)孔（錨固套未經(jīng)擠壓）并在每根鋼絞線的中心絲安裝4度錐套，夾片作為張拉端。

（3）試驗(yàn)樣品2：7孔的錨固套作為固定端，7根環(huán)氧噴涂鋼絞線穿過錨固套內(nèi)孔（錨固套未經(jīng)擠壓）并在每根鋼絞線的中心絲安裝3度錐套，夾片作為張拉端。

圖7 4度錐套抗滑論證

（4）試驗(yàn)結(jié)果1：錨具效率系數(shù)約為43.9%，失效型式：鋼絞線整體滑脫。

（5）試驗(yàn)結(jié)果2：錨具效率系數(shù)約為30.5%，失效型式：鋼絞線整體滑脫。

（6）試驗(yàn)結(jié)論：在錨固套不進(jìn)行擠壓的情況下，只在鋼絞線中心絲安裝錐套并經(jīng)過墩頭后進(jìn)行靜載對比試驗(yàn)，通過試驗(yàn)證明4度錐套相對3度錐套具有很好的輔助抗滑錨固效果。

錐套抗滑對比試驗(yàn)見表1。

表1 錐套抗滑對比試驗(yàn)

5.2 縮短錨固套夾持性能論證

試驗(yàn)對GJ15-7型（見圖8、圖9）和GJ15-19型（見圖10）擠壓錨固套進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用4度錐套替換3度錐套進(jìn)行了靜載試驗(yàn)論證。

圖8 縮短型GJ15-7錨固套

圖9 減短型GJ15-7型錨固套靜載試驗(yàn)

圖10 GJ15-19型減短型錨固套靜載

試驗(yàn)樣品：一端7孔錨固套，總長度170 mm（原總長310 mm），其中錨固長度約155 mm（原295 mm）；另一端常規(guī)7孔夾片錨；單絲環(huán)氧鋼絞線成品索體。

試驗(yàn)結(jié)果：錨具效率系數(shù)約為91%，延伸率約為1.25%，失效型式：中心鋼絞線滑脫。

試驗(yàn)結(jié)論：在減少近一半錨固長度的情況下，其錨具效率系數(shù)仍達(dá)約91%。

由此結(jié)論可以看出，錨固套具有很大的優(yōu)化空間。

同樣采用縮短錨固長度，而增加錐套和鋼絞線中心絲墩頭進(jìn)行了靜載錨固試驗(yàn)論證，見圖11。

圖11 鋼絞線中心絲錐套+墩頭

試驗(yàn)樣品1：一端19孔錨固套（見圖12），總長度230 mm（原總長360 mm），其中短錨固長度約185 mm（原315 mm）；另一端常規(guī)7孔夾片錨；單絲環(huán)氧鋼絞線成品索體。

圖12 230 mm和280 mm 19孔錨頭

試驗(yàn)樣品2：一端19孔錨固套，總長度280 mm（原總長360 mm），其中短錨固長度約235 mm（原315 mm）；另一端常規(guī)7孔夾片錨；單絲環(huán)氧鋼絞線成品索體。

試驗(yàn)結(jié)果1：錨具效率系數(shù)約為96.3%，延伸率約為1.8%，失效型式：中心鋼絞線滑脫。

試驗(yàn)結(jié)果2：錨具效率系數(shù)約為99.2%，延伸率約為3.1%，失效型式：鋼絞線斷絲。

通過以上試驗(yàn)研究和論證可以證明，通過采用改進(jìn)型錐套和鋼絲墩頭工藝，可以將錨固套進(jìn)行優(yōu)化減短30%左右，從而可以避免錨固套擠彎的缺陷，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，也節(jié)約了制作成本，提高工作效率。

5.3 拉索抗高應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)論證

本次試驗(yàn)主要是驗(yàn)證如何提高拉索抗高應(yīng)力幅疲勞的性能，試驗(yàn)樣品采用了GJ15-15型鋼絞線整束擠壓拉索，鋼絞線采用 1 860 MPa級φ15.24 mm的環(huán)氧涂層無粘結(jié)鋼絞線。

試驗(yàn)要求：按照應(yīng)力上限0.45fptk，應(yīng)力幅300MPa，200萬次的疲勞試驗(yàn)

根據(jù)以上提出的錨固區(qū)改進(jìn)方案和改進(jìn)錨固套的結(jié)構(gòu)這幾項(xiàng)措施進(jìn)行了驗(yàn)證。

第一、錨固套外形采用斜角導(dǎo)入式結(jié)構(gòu)；

第二、增加內(nèi)錐形輔助裝置；

第三、灌注常溫固化環(huán)氧漿進(jìn)行密封。

部分試驗(yàn)曲線見圖13，GJ15-15孔300MPa疲勞數(shù)據(jù)見表2。

表2 GJ15-15孔300MPa疲勞數(shù)據(jù)

圖13 部分試驗(yàn)曲線圖

通過試驗(yàn)證明，采用以上的優(yōu)化改進(jìn)措施，可以大大提高拉索的抗疲勞性能，并能夠 滿足高應(yīng)力幅拉索的設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)論

通過以上提出的各種優(yōu)化改進(jìn)的方案并經(jīng)過對比試驗(yàn)驗(yàn)證可以分析出影響擠壓錨固鋼絞線拉索錨具錨固性能和疲勞性能的因素主要有以下幾點(diǎn)：

（1）如何提高鋼絞線與錨固套的接觸摩擦力，及提高鋼絞線表面的摩擦系數(shù)；

（2）通過增加鋼絞線端部膨脹的角度(采用錐套、鋼絞線中心絲墩頭措施)能提高鋼絞線的抗滑錨固效率系數(shù)；

（3）通過設(shè)置錨固套孔與孔間的開槽和改進(jìn)錨固套擠壓前端的引導(dǎo)對中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效的避免擠壓應(yīng)力過度集中，提升鋼絞線的疲勞錨固性能；

（4）通過增加延長錨固輔助裝置，灌注具有握裹密封性能較好的環(huán)氧漿材料，可以實(shí)現(xiàn)提升拉索在高應(yīng)力幅狀態(tài)下的疲勞受力。

通過采用4度錐套、鋼絞線中心絲墩頭和對錨固套對中引導(dǎo)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化縮短擠壓錨固長度，避免擠壓彎曲的缺陷，同時(shí)也解決了對于錨頭長度有限制的空間需求，也有利于錨固套材料的成本節(jié)約和降低加工難度。

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U443.38

A

1009-7716（2017）03-0241-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.067

2016-12-21

朱元（1985-），男，江西吉安人，工程師，從事機(jī)械工程制造工作。