固定端自鎖式錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

經(jīng)鳳明

摘要：隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其在工程中的應(yīng)用正朝著多樣化、個(gè)性化方向發(fā)展。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，因此施工空間更小，這對(duì)錨固技術(shù)的應(yīng)用提出新的要求。文章結(jié)合某工程的特殊工況及其空間受限、施工操作不便的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款新型固定端自鎖式錨具，可預(yù)先埋入預(yù)應(yīng)力混凝土。2020 Interim Revisions to the AASHTO LRF-DCONS-2017《2017版LRFD橋梁施工規(guī)范》（2020年臨時(shí)修訂）、ead-160004-00-0301（2016）《歐洲評(píng)定文件：結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力后張?bào)w系》、FIP-1993《后張預(yù)應(yīng)力體系驗(yàn)收建議》及《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2015）等國(guó)內(nèi)外主流標(biāo)準(zhǔn)，完成了OVM.M15-19/27定端自鎖式錨具的靜載錨固性能試驗(yàn)研究，錨固效率系數(shù)的實(shí)測(cè)值均在0.97以上、極限延伸率均大于3%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的靜載錨固性能應(yīng)同時(shí)達(dá)到兩個(gè)要求：錨固效率系數(shù)[ηa≥0.95]，極限延伸率[εapu≥2.0%]。綜合試驗(yàn)結(jié)果分析與施工技術(shù)研究表明，固定端自鎖式錨具具有良好的放張自錨性能、錨固效率系數(shù)高、節(jié)省施工空間、安裝操作簡(jiǎn)便、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。新型固定端自鎖式錨具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究為在狹小空間要求預(yù)埋的梁端預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)提供一種錨固性能可靠、施工便捷的解決方案。

關(guān)鍵詞：體內(nèi)預(yù)應(yīng)力；自鎖式錨具；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU757.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0039-04

0 引言

在預(yù)應(yīng)力施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋的一端采用可以應(yīng)用于張拉的錨具，即張拉端錨具，另一端采用埋入混凝土中且不用于張拉的錨具，即固定端錨具。根據(jù)鋼絞線的握裹方式，錨具可分為夾片式和擠壓式兩種類型。目前，用于預(yù)應(yīng)力筋固定端的錨具主要為擠壓式錨具。采用擠壓式錨具需對(duì)嵌套有鋼絞線和擠壓簧的擠壓套進(jìn)行擠壓而握緊預(yù)應(yīng)力鋼絞線，施工要求必須有擠壓設(shè)備和一定條件的操作場(chǎng)地，并且存在擠壓耗時(shí)、鋼絞線損耗較大、擠壓質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。夾片式錨具主要用于張拉端，作為固定端使用時(shí)，需要敲打工作夾片確保其安裝可靠、受力均衡，對(duì)施工操作空間有一定的要求且不能預(yù)埋。某快速公路工程為箱梁結(jié)構(gòu)，采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，預(yù)應(yīng)力束為曲線布置，預(yù)應(yīng)力束一端與橋墩的距離為750 mm。預(yù)應(yīng)力鋼絞線束設(shè)計(jì)分別有19根和27根，鋼絞線的直徑為15.2 mm，即采用19/27孔1×7-15.2 mm-1 860 MPa鋼絞線。該工程采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土，混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到之后，要對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力。由于梁端距離橋墩只有750 mm，施工操作空間受限，而擠壓式錨具因需要較大的預(yù)埋空間、施工工序復(fù)雜及周期較長(zhǎng)而不被接受。常規(guī)的夾片式錨具由于夾持鋼絞線的錨固單元不允許有漿體和其他雜物的影響而無(wú)法預(yù)埋。針對(duì)以上工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款新型自鎖式錨具，可用于空間受限、施工操作不便的固定端，靜載錨固性能應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)要求：錨固效率系數(shù)[ηa≥0.95]，極限延伸率[ε]apu[≥]2.1%，符合國(guó)內(nèi)外主流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

1 固定端自鎖式錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

OVM.M15-nKP固定端自鎖式錨具通常由自鎖式錨頭、錨墊板、螺旋筋和螺栓等零部件組成（如圖1）。自鎖式錨頭部件由工作錨板、工作夾片、彈簧、過(guò)渡板、壓板和螺釘構(gòu)成（如圖2所示）。相對(duì)于常規(guī)錨具結(jié)構(gòu)，自鎖式錨頭的組成除了有工作錨板、工作夾片、錨墊板和螺旋筋，還有彈簧、過(guò)渡板、壓板、螺釘和螺栓等組件。自鎖式錨頭作為一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，可以在工廠內(nèi)完成組裝，具有能縮短施工周期、保證施工安裝質(zhì)量、提升施工效率的優(yōu)點(diǎn)。

為確保同一工程中使用同系列預(yù)應(yīng)力產(chǎn)品且避免工程中錨具產(chǎn)品出現(xiàn)混用的現(xiàn)象，固定端自鎖式錨具的錨固單元和錨下受力構(gòu)件與張拉端保持一致，即配套的工作錨板、工作夾片、錨墊板和螺旋筋的外形尺寸和作用相同。

普通張拉端錨具用于預(yù)應(yīng)力的固定端，將鋼絞線穿過(guò)工作錨板后，安裝工作夾片，并用鋼套管或其他工具將工作夾片敲緊，確保工作夾片端面平齊、錨固單元受力均勻。相較普通張拉端錨具而言，自鎖式錨具也是用于預(yù)應(yīng)力的固定端，但只要將鋼絞線穿入自鎖式錨頭的工作錨板孔即可，結(jié)構(gòu)中的彈簧、過(guò)渡板在鋼絞線的安裝過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，需要重點(diǎn)關(guān)注其結(jié)構(gòu)與參數(shù)的設(shè)計(jì)，做好安裝和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證；其中，壓板和螺釘?shù)淖饔檬蔷o固錨頭結(jié)構(gòu)、定位鋼絞線。

1.1 彈簧的設(shè)計(jì)

彈簧的作用是經(jīng)外力作用而被壓縮達(dá)到一定位移后，工作夾片張開，鋼絞線順利穿過(guò)工作夾片，外力撤銷之后回彈頂推工作夾片端面，確保將夾持鋼絞線的工作夾片楔進(jìn)工作錨板錐孔內(nèi)形成自錨。如果彈簧的壓縮力太大，導(dǎo)致工作夾片無(wú)法張開會(huì)則鋼絞線難以穿過(guò)工作夾片；如果彈簧的壓縮力太小，鋼絞線穿過(guò)之后，彈簧變形但不回彈，無(wú)法確保工作夾片跟進(jìn)。通過(guò)理論計(jì)算與反復(fù)試裝、試用，不斷改進(jìn)圈數(shù)和剛度，確定彈簧最終的設(shè)計(jì)參數(shù)。

自鎖式錨頭對(duì)疲勞性能的要求不是很高，因此可以采用常規(guī)彈簧鋼材，優(yōu)選冷卷壓縮彈簧。圖3為彈簧的設(shè)計(jì)圖，根據(jù)實(shí)際工況可以確定彈簧的工作荷載F1、F2、F3及工作荷載對(duì)應(yīng)軸向壓縮后的長(zhǎng)度L1、L2、L3。自鎖式錨頭處于組裝狀態(tài)時(shí)，壓板和工作夾片對(duì)彈簧壓縮至L1狀態(tài)時(shí)的力為F1，也是彈簧將工作夾片頂緊至工作錨板錐孔的力。用手動(dòng)方式將鋼絞線從工作錨板直孔端穿過(guò)、推動(dòng)工作夾片張開，當(dāng)鋼絞線剛好穿過(guò)工作夾片時(shí)，壓板和工作夾片對(duì)彈簧壓縮至L2狀態(tài)時(shí)的力為F2。用手動(dòng)方式將鋼絞線穿過(guò)工作夾片的最大力即安裝過(guò)程中壓板和工作夾片對(duì)彈簧的最大壓縮力為F3。根據(jù)工作荷載與壓縮量的線性關(guān)系公式可以確定彈簧剛度。彈簧的中徑φD1取值為鋼絞線的直徑+彈簧的材料直徑φd+間隙，查詢彈簧標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際工況可以確定彈簧的直徑、中徑、旋繞比及有效圈數(shù)n［1-2］。彈簧的螺距p通過(guò)推薦公式0.28D1≤p≤0.5D1確定。為保證壓板和工作夾片與彈簧的作用力均勻，要求彈簧的兩端圈并緊磨平。彈簧的總長(zhǎng)公式為L(zhǎng)=n×p+1.5d，其中n為有效圈數(shù)，總?cè)?shù)為n+2。

1.2 過(guò)渡板的設(shè)計(jì)

過(guò)渡板設(shè)有沉孔和通孔且孔的分布和數(shù)量與錨板錐孔一致，沉孔的作用是限制工作夾片的位移，通孔的作用是限制壓縮彈簧徑向位移。由于過(guò)渡板不是關(guān)鍵受力件，所以原材料可以選取普通鋼材或者剛性較好的塑料，要求接觸端面平整。圖4為過(guò)渡板結(jié)構(gòu)圖，過(guò)渡板的外徑E1等于錨板外徑E，厚度S=L1+m，其中L1為自鎖錨頭組裝狀態(tài)時(shí)彈簧的長(zhǎng)度，m為自鎖錨頭組裝狀態(tài)時(shí)工作夾片端面相對(duì)工作錨板端面的距離。通孔直徑D2=D1+d+配合間隙，D1為彈簧中徑，d為彈簧原材料直徑。沉孔直徑D3由工作夾片夾持鋼絞線時(shí)的最大外徑與間隙確定；深度h由夾持鋼絞線時(shí)工作夾片端面相對(duì)工作錨板端面的距離和富余量確定；設(shè)計(jì)3組或3組以上尺寸參數(shù)，通過(guò)安裝試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，確定h的最佳取值。

1.3 壓板的設(shè)計(jì)

壓板具備一定的剛性，通過(guò)螺栓將自鎖式錨頭與錨墊板連接緊固，同時(shí)將彈簧壓縮頂緊工作夾片端面，要求壓板與過(guò)渡板接觸的端面平整。壓板的結(jié)構(gòu)如圖5所示，原材料選擇A3鋼，外形尺寸A1的取值與錨墊板外徑A一致，A2的取值確保避開錨墊板的灌漿空間即可，分度圓尺寸C、C1分別與錨墊板、工作錨板的分度圓尺寸相同，壓板壁厚設(shè)計(jì)滿足使用要求且不出現(xiàn)變形。

2 固定端自鎖式錨具試驗(yàn)研究

根據(jù)工程要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)19孔和27孔固定端自鎖式錨具進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其靜載錨固性能是否滿足要求。

2.1 試驗(yàn)檢測(cè)方法

固定端自鎖式錨具靜載試驗(yàn)檢測(cè)和判定依據(jù)如下：①2020 Interim Revisions to the AASHTO LRF-DCONS-2017《2017版LRFD橋梁施工規(guī)范》（2020年臨時(shí)修訂）；②ead-160004-00-0301（2016）《歐洲評(píng)定文件：結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力后張?bào)w系》；③FIP-1993《后張預(yù)應(yīng)力體系驗(yàn)收建議》；④《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2015）。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)要求［3-5］，靜載錨固性能應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)要求：錨固效率系數(shù)[ηa≥0.95]，極限延伸率[εapu≥2.0%]。

2.2 試件規(guī)格與試驗(yàn)要求

（1）預(yù)應(yīng)力鋼絞線符合《用于預(yù)應(yīng)力混凝土用低松弛七絲鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（ASTM A416/A416M—16）的要求［6］：①公稱直徑為15.2 mm，公差范圍為［0.65，-0.15］；②公稱橫截面積為140 mm；③公稱強(qiáng)度級(jí)別為1 860 MPa；④最小破斷力為261 kN。

（2）錨具規(guī)格為15系列19孔、27孔固定端自鎖式錨具和張拉端錨具，每個(gè)規(guī)格隨機(jī)抽取3組，試驗(yàn)前固定端自鎖式錨具必須組裝好。

（3）試驗(yàn)設(shè)備及工裝：張拉千斤頂、測(cè)力傳感器、靜載試驗(yàn)臺(tái)座、鋼直尺、位移計(jì)、墊環(huán)。

2.3 試驗(yàn)程序

（1）將鋼絞線和錨具組裝件按照標(biāo)準(zhǔn)要求安裝于靜載試驗(yàn)臺(tái)座。

（2）使用240 Q千斤頂對(duì)每根鋼絞線進(jìn)行單根預(yù)緊，初始預(yù)緊力值為單根鋼絞線最小破斷力值的10%，確保預(yù)緊力調(diào)試均勻。

（3）使用YCW 900 A千斤頂按照預(yù)應(yīng)力鋼絞線最小破斷力的20%、40%、60%、80%逐級(jí)加載，要求按照100 MPa/min的恒定速率加載，當(dāng)最小破斷力達(dá)到80%之后，持荷1 h，再以最大不超過(guò)每分鐘0.002的應(yīng)變速率加載到試件破壞［3］。

（4）當(dāng)力值加載至鋼絞線實(shí)測(cè)極限抗拉力（單根鋼絞線實(shí)際的平均極限抗拉力×根數(shù)）的95%以上，并且總伸長(zhǎng)率（總應(yīng)變）達(dá)到2%時(shí)，則靜載試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，充分考慮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的安全因素，檢測(cè)人員可擇時(shí)終止試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

開展OVM.M15-19/27KP固定端自鎖式錨具靜載試驗(yàn)，其結(jié)果見表1，固定端自鎖式錨頭拆除后狀態(tài)完好，鋼絞線外露均勻。

分析表1中固定端自鎖式錨具靜載錨固性能試驗(yàn)結(jié)果得出，①OVM.M15-19KP錨固效率系數(shù)實(shí)測(cè)最小值為0.971，均大于標(biāo)準(zhǔn)允許值，即0.95；極限延伸率實(shí)測(cè)最小值為3.14%，均大于標(biāo)準(zhǔn)允許值，即2%。試驗(yàn)后拆除錨具組裝件，觀察3組試件的工作錨具與夾片均未出現(xiàn)異常情況，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。②OVM.M15-27KP錨固效率系數(shù)實(shí)測(cè)最小值為0.972，均大于標(biāo)準(zhǔn)允許值，即0.95；極限延伸率實(shí)測(cè)最小值為4.03%，均大于標(biāo)準(zhǔn)允許值，即2%。試驗(yàn)后拆除錨具組裝件，觀察3組試件的工作錨具與夾片均未出現(xiàn)異常情況，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 固定端自鎖式錨具應(yīng)用研究

3.1 固定端自鎖式錨具安裝施工方法

固定端自鎖式錨具用于后張法體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，具體的安裝施工方法如下：①將工作夾片裝入工作錨板的錐孔中，過(guò)渡板帶沉孔的端面與工作錨板錐孔大端面配合且進(jìn)行對(duì)中，彈簧放入過(guò)渡板的通孔中且與工作夾片大端面接觸。②用螺釘依次將工作錨板、過(guò)渡板和壓板進(jìn)行連接并緊固，形成自鎖式錨頭單元。③根據(jù)自鎖錨頭的軸向尺寸對(duì)鋼絞線長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)記。④在預(yù)應(yīng)力孔道兩端分別安裝錨墊板，錨墊板與預(yù)應(yīng)力孔道端部沿軸線對(duì)中且與孔道端部垂直，固定端錨墊板灌漿孔向上，張拉端錨墊板灌漿孔向下。⑤在錨墊板的正后方安裝螺旋筋，螺旋筋近端與模板間距離保持在30～50 mm為宜，其位置與預(yù)應(yīng)力孔道中心線須對(duì)稱且固定牢靠。⑥預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿束工作完成后，備齊螺栓和步驟②的自鎖式錨頭單元，放置在預(yù)應(yīng)力孔道的固定端。⑦將有長(zhǎng)度標(biāo)記的鋼絞線依次穿入步驟②的自鎖式錨頭單元中，一根鋼絞線穿一孔，每一根鋼絞線依次穿過(guò)工作錨板、工作夾片、彈簧、過(guò)渡板，直至抵達(dá)壓板端面，確保鋼絞線穿束到位標(biāo)記位置相同。⑧沿預(yù)應(yīng)力孔道的張拉端拉緊鋼絞線束，直到自鎖式錨頭單元與錨墊板對(duì)中密合，使用螺釘進(jìn)行緊固安裝，使用膠帶或密封無(wú)對(duì)自鎖式錨頭的縫隙處進(jìn)行密封，預(yù)防雜物進(jìn)入錨固單元和預(yù)應(yīng)力孔道。通常情況下，步驟①、步驟②在工廠內(nèi)完成；如遇特殊情況需要拆卸錨頭單元，請(qǐng)按照步驟①、步驟②進(jìn)行安裝。

3.2 安裝施工注意事項(xiàng)

（1）檢查工作錨板、工作夾片、彈簧、過(guò)渡板、螺釘、壓板是否配套，避免混用。

（2）工作夾片裝配前，要先在工作錨板錐孔內(nèi)均勻涂抹退錨靈。

（3）確保螺旋筋安裝牢固，以防澆筑過(guò)程中產(chǎn)生位移。

（4）鋼絞線穿入自鎖式錨頭單元時(shí)，要確保鋼絞線穿過(guò)工作夾片的長(zhǎng)度足夠，避免出現(xiàn)鋼絞線被拉脫的現(xiàn)象。

（5）自鎖式錨頭單元與錨墊板裝配時(shí)，確保錨墊板與預(yù)應(yīng)力孔道清理干凈。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，OVM.M15-19/27KP固定端自鎖式錨具的靜載錨固性能優(yōu)異，靜載錨固效率系數(shù)均大于0.97。驗(yàn)證結(jié)果可為類似工程提供參考。

（2）相比現(xiàn)行常用的固定端擠壓式錨具，固定端自鎖式錨具具有以下優(yōu)勢(shì)：①施工前，可以用螺栓將工作錨板、工作夾片、壓縮彈簧、過(guò)渡板和壓板組裝成獨(dú)立的自鎖式錨頭單元（通常在工廠內(nèi)完成）；②自鎖式錨頭安裝施工時(shí)，外力作用于壓縮彈簧對(duì)夾工作片大端面的頂緊作用，將預(yù)應(yīng)力鋼絞線簡(jiǎn)便、快捷地穿過(guò)工作夾片；撤銷外力后，彈簧回彈將夾持鋼絞線的工作夾片楔進(jìn)工作錨板錐孔內(nèi)，形成自錨；③該結(jié)構(gòu)適合于操作空間狹小或無(wú)張拉操作空間的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；④該錨固體系具有節(jié)省施工空間、施工操作簡(jiǎn)便、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。

5 參考文獻(xiàn)

［1］GB/T 1358—2009， 圓柱螺旋彈簧尺寸系列［S］.

［2］GB/T 23935—2009， 圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算［S］.

［3］EAD 160004-00-0301—2016，Post Tensioning Kits for prestressing of Structures［S］.

［4］LRFDCONS-4-I1，2020 Interim Revsions to the 2017 LRFD Bridge Construction Specifications 4th Edition ［S］.

［5］GB/T 14370—2015， 預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器［S］.

［6］ASTM A416/A416M-16，Standard Specification for Low-Relaxation，Seven-Wire Strand for Prestressed Concrete［S］.