自鎖錨桿在鐵塔基站中的運(yùn)用研究

張旭宇 陳明亮 劉軍 王志成

摘要：通信鐵塔自鎖錨桿的原理是在底部擴(kuò)成錐形的錨孔內(nèi)插入自鎖錨桿，施加壓力使錨桿張開自鎖，形成一種快速、有效、耐熱、耐水、不易老化的錨固技術(shù)[1]，自鎖錨桿與傳統(tǒng)錨桿相比占地面積較小、穩(wěn)定性較高、造價(jià)成本相對(duì)較低。通過對(duì)自鎖錨桿基礎(chǔ)模型的受力分析，其在工作狀態(tài)下，影響基礎(chǔ)穩(wěn)定主要有基礎(chǔ)傾覆產(chǎn)生的拉拔力以及滑移所產(chǎn)生的剪切力。本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告對(duì)自鎖錨桿的破壞模式、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析研究[2]，為以后在山區(qū)鐵塔的基礎(chǔ)建設(shè)及其它領(lǐng)域的工程項(xiàng)目的運(yùn)用提供了理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錨桿組成；安全；經(jīng)濟(jì)；拉拔實(shí)驗(yàn)；有限元分析；運(yùn)用

1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比

1.1 實(shí)驗(yàn)開展、數(shù)據(jù)采集

1.1.1錨桿結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用直徑為32表面螺紋HRB400作為錨桿主體，入中風(fēng)化巖層3m，出自然地坪0.6米，其材料規(guī)格指標(biāo)詳見表1-1。錨頭材質(zhì)為Q235，錨頭由擴(kuò)脹套筒，錐形體，鐵絲組成。擴(kuò)脹套筒內(nèi)部新開螺紋與鋼筋機(jī)械連接，端部有切槽，方便脹開與孔壁咬合；錐形體半插入錨頭內(nèi)，在自鎖錨桿利用自重下降至巖層時(shí)，與巖層碰撞，錨頭脹開直徑加大，增加其與孔壁咬合力；錨頭擴(kuò)脹前后尺寸變化如圖1-1所示。錨頭材質(zhì)屬性詳見表1-2。

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)加載裝置

實(shí)驗(yàn)采用液壓油泵并配合空心千斤頂對(duì)錨桿施加荷載，拉力由壓力表控制，實(shí)驗(yàn)前油泵及壓力表均已標(biāo)定。圖2-2為加載裝置示意圖；圖2-3為加載裝置實(shí)體圖。

1.1.3自鎖錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《土層錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》（CECS22-2005）[4]基本試驗(yàn)規(guī)定，進(jìn)行極限抗拔試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于3根，抗拔安全系數(shù)取2.0，即設(shè)計(jì)抗拔值乘以抗拔安全系數(shù)為基本試驗(yàn)值。

本次自鎖錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，我們選取了3根已完工并達(dá)到養(yǎng)護(hù)日期標(biāo)準(zhǔn)自鎖錨桿，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1-3。

1.2 有限元分析

1.2.1有限元模型建立

采用abaqus靜力通用軟件建立模型并進(jìn)行有限元分析，巖層定義中風(fēng)化巖層等。另外為了方便觀察錨頭附近巖層及錨頭應(yīng)變，在網(wǎng)格劃分時(shí)錨頭附近比較密集。詳見圖2-4、2-5、2-6。

1.2.2分級(jí)加載后的變形、力學(xué)特性

在錨桿頂部施加拉力，加載等級(jí)為：500KN，600KN，700KN；分別觀察其應(yīng)力及位移云圖，應(yīng)力單位為Pa，位移單位為mm。

（1）當(dāng)拉力為500KN時(shí)，自鎖錨桿及巖層應(yīng)力及位移云圖如下：

從應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)加載拔力為500KN時(shí)，此時(shí)自鎖錨桿中擴(kuò)脹套筒與鋼筋所受應(yīng)力大于套筒與鋼筋連接處應(yīng)力，且機(jī)械連接處應(yīng)力主要集中在窄口附近區(qū)域。擴(kuò)展套筒所受最大應(yīng)力為7.15X108Pa，巖層與擴(kuò)脹套筒接觸部位為其受力區(qū)域，最大應(yīng)力為1.02X108Pa.

從位移云圖可以看出，自鎖錨桿錨頭與孔壁咬合可靠，沒有豎向位移，鋼筋與錨頭連接處結(jié)合良好，豎向位移約為1.9X10-3m，巖層豎向位移區(qū)域位于與自鎖錨頭接觸部分，最大向上位移約為3X10-5m，位于擴(kuò)脹套筒接觸區(qū)域。

（2）當(dāng)拉力為600KN時(shí)，自鎖錨桿及巖層應(yīng)力及位移云圖如下：

從應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)加載拔力為600KN時(shí)，此時(shí)自鎖錨桿中擴(kuò)脹套筒與鋼筋所受應(yīng)力進(jìn)一步增大，最大應(yīng)力為6.73X109Pa且機(jī)械連接處應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.巖層與自鎖錨桿接觸區(qū)域應(yīng)力也進(jìn)一步增大，達(dá)到9.13X108Pa。

從位移云圖可以看出，自鎖錨桿錨頭與孔壁咬合較為可靠，豎向位移為2X10-6m，鋼筋與錨頭連接處結(jié)合也較為良好，豎向位移約為2.9X10-3m，巖層豎向位移區(qū)域位于與自鎖錨頭接觸部分，最大向上位移約為2.8X10-4m。

（3） 當(dāng)拉力為700KN時(shí)，自鎖錨桿及巖層應(yīng)力及位移云圖如下：

從應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)加載拔力為700KN時(shí)，此時(shí)自鎖錨桿中擴(kuò)脹套筒與鋼筋所受應(yīng)力急劇下降，最大應(yīng)力為1.15X103Pa，巖層與擴(kuò)脹套筒接觸部位為其受力區(qū)域，最大應(yīng)力為9X102Pa。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究與有限元數(shù)據(jù)模型對(duì)比可以得出，JYM830-32自鎖錨桿可承受拔力極限值約為650KN。其受拔力與豎向位移曲線圖如下：

2、自鎖錨桿在鐵塔基站中的運(yùn)用研究

2.1自鎖錨桿在鐵塔基礎(chǔ)中的應(yīng)用

2.1.1 受力分析

根據(jù)查閱的相關(guān)資料以及實(shí)驗(yàn)當(dāng)中錨桿的破壞形式和有限元的分析結(jié)果，自鎖錨桿主要受力工況有兩種：1.拉伸荷載作用；2.拉伸荷載、剪切荷載共同作用。如圖2-1-1所示：

2.2 計(jì)算公式與規(guī)范條文

2.2.1抗拔驗(yàn)算

（1）單管塔類自鎖錨桿基礎(chǔ)抗拔驗(yàn)算；

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB -50007-2002-8.6.2[6]可知：按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，單根錨桿所承受的拔力大小可由下式計(jì)算：

通過上述公式計(jì)算可得單管塔類鐵塔在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下單根錨桿所承受的拔力值，我們可將計(jì)算所得的拔力與相應(yīng)錨固深度的單根自鎖錨桿的抗拔承載力特征值比較，滿足上述公式條件即可。

（2）三管塔、角鋼塔自鎖錨桿基礎(chǔ)抗拔驗(yàn)算；

三管塔、角鋼塔可以根據(jù)鐵塔資料直接獲得單個(gè)塔腳所需的總拔力值，因此我們基礎(chǔ)抗拔驗(yàn)算時(shí)，首先初步確定相應(yīng)錨桿直徑、根數(shù)、錨固深度等參數(shù)，然后得出所有錨桿總的抗拔承載力特征值，再與單根塔腳拔力值相比較，最后通過比對(duì)選用最安全、經(jīng)濟(jì)、適用、合理的方案即可。

2.2.2 抗剪切驗(yàn)算

自鎖錨桿所受的剪切力是因?yàn)榛A(chǔ)滑移趨勢(shì)產(chǎn)生的，這種工況為拉伸荷載、剪切荷載共同作用。因此，我們可以通過基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算來(lái)判斷錨桿抗剪切是否滿足要求。

根據(jù)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》YD/T5131-2005-7.4.6[7]可知：相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定可由下式計(jì)算：

通過對(duì)上述公式的推導(dǎo)可得：

n-基礎(chǔ)抗滑移所需要的錨桿根數(shù)；RV-錨桿鋼筋的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

其中RV可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[8]中的表3.4.1-1取值，u可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB -50007-2002中表6.6.5-2取值。最后由推導(dǎo)后的公式可算出基礎(chǔ)抗滑移所需自鎖錨桿的最少根數(shù)，從而確保基礎(chǔ)抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3、結(jié)論

3.1結(jié)論

（1）通過對(duì)自鎖錨桿的實(shí)驗(yàn)和分析并與傳統(tǒng)錨桿方案各方面進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步確定了自鎖錨桿在通信鐵塔基站中運(yùn)用的可行性、合理性，從而為以后鐵塔基站的工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

（2）本文對(duì)自鎖錨桿力學(xué)性能的研究分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)值相似率達(dá)到了95%以上，表明了我們實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)的科學(xué)性，因此我們可以認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)成果具有很大的參考價(jià)值。具體參數(shù)詳見表3-1

（3）自鎖錨桿之所以相對(duì)傳統(tǒng)錨桿抗拔承載力較高，正是因?yàn)殄^桿端部錨頭的物理鎖定和漿料固結(jié)共同作用的結(jié)果，因此為了確保錨桿抗拔強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)必須保證相應(yīng)施工工藝標(biāo)準(zhǔn)。其中擴(kuò)孔施工環(huán)節(jié)更為重要，對(duì)于鉆頭的型號(hào)和尺寸見圖3-1-1、3-1-2。

（4）自鎖錨桿除了在通信鐵塔基站中的應(yīng)用，還可以根據(jù)工程性質(zhì)的不同來(lái)優(yōu)化錨頭形式、錨固深度、漿料材性、上部連接形式等，從而在其它工程領(lǐng)域中大展伸手，比如山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)的應(yīng)用、建筑結(jié)構(gòu)物的改造加固和維修、建筑地下室底板抗浮設(shè)計(jì)等。

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