后張法預應力錨穴鑿毛器的力學分析和應用

張德強

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610032)

0 引言

后張法預應力施工后，必須對張拉后的錨穴進行封錨處理，以保護預應力系統(tǒng)的錨板外預應力筋、錨具、夾片等，從而防止外在因素損傷預應力系統(tǒng)。而常規(guī)的錨穴封錨方式為鑿毛錨穴內(nèi)壁，然后填塞混凝土進行封錨處理，在常規(guī)封錨處理中常常因為鑿毛度不足、封錨混凝土填塞不緊等原因，導致后期封錨混凝土與錨穴面離縫、甚至脫落，使預應力體系失去保護。中鐵二局參建的哈大鐵路客運專線，其軌道設計采用CRTSⅠ型板式無砟軌道系統(tǒng)，中鐵二局承擔了30641塊軌道板生產(chǎn)任務。據(jù)沈陽鐵路局工務部門反映，秦沈客運專線鋪設的CRTSⅠ型無砟軌道試驗段在使用中已有很多軌道板封錨混凝土脫落;在參觀日本新干線時，也發(fā)現(xiàn)過軌道板封錨混凝土脫落的情況。為了解決上述問題，中鐵二局開展了CRTSⅠ型板式無砟軌道的封錨施工技術研究。

1 模型構建和力學分析

傳統(tǒng)的封錨施工完成后，為防止封錨混凝土脫落，主要由封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁之間產(chǎn)生的摩擦力作用。當封錨混凝土在長期的使用后會發(fā)生收縮，使封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁之間壓力減小甚至消失，所以會發(fā)生離縫或脫落現(xiàn)象。為此我們在每個錨穴內(nèi)壁設置兩道寬8mm，深入5mm～8mm的環(huán)形槽代替原來的鑿毛工藝。通過對傳統(tǒng)的封錨和新設計的封錨方式的抗脫落力進行比較，來確定新設計是否可行，由于除封錨混凝土與錨穴內(nèi)壁的變化以外，兩種封錨方式在其他方面并沒有變化，因此只對有變化的部分進行比較。并按以下公式進行計算:

傳統(tǒng)封錨:

抗脫落力P=未鑿毛部分摩擦力F光+鑿毛部分摩擦力F鑿。

新設計封錨:

抗脫落力P=未鑿毛部分摩擦力F光+伸入錨穴壁混凝土抗剪力Q。

摩擦力:

其中，f為摩擦系數(shù);N為壓力。

壓力:

其中，β為接觸面的壓應力;M為接觸面的面積。

接觸面的壓應力:

其中，E彈性模量;d v/v為變形百分比。

抗剪力:

其中，τ為抗剪強度或抗折強度;A為抗剪面積。

1.1 測定摩擦系數(shù)

我們利用實驗測定了光滑混凝土表面及鑿毛的混凝土摩擦系數(shù)，得出表1數(shù)值。

表1 摩擦系數(shù)測定記錄表

1.2 基礎計算數(shù)據(jù)采集

按照科技基[2008]74號客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件對封錨砂漿技術指標要求，取抗折強度τ為9mPa。

根據(jù)試驗室測定的收縮率為0.01%，即膨脹率為0.01%，試驗室測定出封錨砂漿彈性模量為1.87×104mPa。

取一個CRTSⅠ型無砟軌道橫向錨穴計算封錨混凝土與錨穴壁接觸面積(見圖1)。

由圖1可知錨穴壁表面為臺體，周表面積:M=(80+60)÷2×3.14×60=13188mm2。

按新的鑿毛工藝封錨圖計算表面積及受剪面積(見圖2)。

新鑿毛工藝的錨穴壁表面積與傳統(tǒng)工藝相比略大，但由于傳統(tǒng)工藝在內(nèi)壁表面不規(guī)則鑿毛，不能準確計算出所增加面積。為方便計算，舍去兩種工藝的鑿毛增加的接觸面積，設定兩種工藝的內(nèi)壁表面積相同。

由于環(huán)形凹槽布設位置只需要在中間位置即可，因此兩道環(huán)形凹槽的長度取錨穴中間值進行計算，受剪切力面積為A=(80+60)÷2×3.14×8×2=3517mm2。

經(jīng)以上分析可得出以下計算基礎數(shù)據(jù):

兩種工藝內(nèi)側壁總表面積:13188mm2;傳統(tǒng)工藝的鑿毛度為50%，則:

光滑面M光=6594mm2，鑿毛面積M鑿=6594mm2;混凝土光滑處摩擦系數(shù) f光=0.67，鑿毛后摩擦系數(shù) f鑿=0.85;封錨混凝土抗折強度τ取9mPa;彈性模量E=1.87×104mPa;封錨混凝土膨脹率為0.01%;接觸面的表面壓應力 β=E(d v/v)=18 700×0.01%=1.87mPa。

1.3 抗脫落力計算

傳統(tǒng)封錨:

其中，P為抗脫落力;F光為光滑外表面的摩擦力;F鑿為鑿毛后外表面的摩擦力。

新設計封錨:

其中，P為抗脫落力;F光為光滑外表面的摩擦力;Q為伸入錨穴的封錨混凝土抗剪力。

可見P新/P傳統(tǒng)=2.57，采用新設計的鑿毛方式在本方案條件下可以增加2.57倍的抗脫落能力。

1.4 由計算過程可取得以下推論

據(jù)P新=f光N+τA式，如果刻槽面積A再大一些(但不得超過總面積和50%)，可更大地增加抗脫落能力。

據(jù) P傳統(tǒng)=f光E(d v/v)M光+f鑿E(d v/v)M鑿=E(d v/v)(f光m光+f鑿M鑿)式，隨著時間的推移，封錨混凝土由于失水等原因逐漸開始收縮后d v/v趨近于0，接觸面的表面壓應力β將逐漸變小甚至消失，則P傳統(tǒng)的值將趨近于0，那么封錨混凝土的脫落將不可避免的發(fā)生，由于傳統(tǒng)方式鑿毛所產(chǎn)生的微小凸起形成的抗剪力來抵抗脫落，隨著列車的反復沖擊，這樣的凸起會被逐漸磨平而導致封錨脫落。

據(jù) P新=f光βM+τA=f光E(d v/v)M+τA 式，應用新的環(huán)形鑿毛工藝進行封錨的錨穴，即使封錨混凝土收縮，接觸面的表面壓應力β消失后，只是光滑外表面的摩擦力F光消失，但伸入錨穴的封錨混凝土抗剪力Q仍然存在，所以封錨混凝土不會脫落。

2 實施方案

經(jīng)過多次試驗，最終定型設計出“后張法預應力錨穴鑿毛器”(專利號 ZL2009 20297572.5)。

現(xiàn)介紹如下。

2.1 錨穴鑿毛器

錨穴鑿毛器由成孔器和鑿毛器本體組成，成孔器可直接利用施工現(xiàn)場現(xiàn)有的。鑿毛器本體為橡膠、軟PVC塑料等彈性材料構成的與成孔器形狀相匹配的環(huán)形網(wǎng)狀結構(見圖3)。

2.2 鑿毛器使用的實施過程

在使用前，先根據(jù)錨穴形狀、尺寸制作相應的鑿毛器。由于鑿毛器的內(nèi)徑比成孔器的外徑略小，可利用鑿毛器的彈性套箍力使鑿毛器緊固在成孔器表面。混凝土達到拆模條件后，成孔器從錨穴內(nèi)脫出，鑿毛器本體因與混凝土的粘結作用會繼續(xù)滯留在混凝土結構物中，在橡膠條自身收縮力的作用下膠條大部分已經(jīng)脫離混凝土本體，采用夾具夾取豎向膠條外露部分，取出鑿毛器，即產(chǎn)生預留的槽道，完成環(huán)形鑿毛施工。

3 結論和實施效果

采用以上所述的“后張法預應力錨穴鑿毛器”在錨穴中預留槽道替代傳統(tǒng)的鑿毛方法，施工進度快，施工效率高。各槽道的數(shù)量深度可根據(jù)實際需求制作相應鑿毛器，保證了預留槽道的均勻性好，成槽質量穩(wěn)定，不受人工干擾。完全免除了人工鑿毛作業(yè)，杜絕了傳統(tǒng)鑿毛工藝由于操作不當對預應力系統(tǒng)和結構件的損傷，同時降低工人的勞動強度，避免了噪聲和揚塵污染。軌道板混凝土與封錨砂漿的結合性好，防脫落能力強。鑿毛器造價低廉，易于安拆，可反復多次使用，節(jié)約了人工成本。

本工藝被編入鐵道部出版的《客運專線鐵路無砟軌道施工手冊》，被推廣到全路，自2010年年底開始，全路CRTSⅠ型無砟軌道板制造均采用此工藝進行鑿毛施工，在公路T型梁的預應力施工中也有采用。

[1]科技基[2008]74號，客運專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道混凝土軌道板暫行技術條件[S].

[2]鐵道部工程管理中心.客運專線鐵路無砟軌道施工手冊[M].北京:中國鐵道出版社，2009.