灌漿式體外索錨具的研制

趙靖釗，謝正元，鄧 昱，羅春林

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545006）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于國(guó)外把體外索經(jīng)濟(jì)性作為主要考慮因素，因此國(guó)外體外索工程大量采用鑄鐵錨墊板+H D P E隔離管的灌漿式體外索錨具。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低及施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)體外索則更注重其功能多樣性及防腐性，因此國(guó)內(nèi)體外索體系產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，對(duì)灌漿式體外索關(guān)鍵技術(shù)研究幾近空白，無(wú)法滿足國(guó)外體外預(yù)應(yīng)力橋梁市場(chǎng)的要求。

基于以上原因，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，借鑒現(xiàn)有成熟的體內(nèi)索錨具設(shè)計(jì)理念，通過(guò)優(yōu)化錨具構(gòu)造參數(shù)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出一種經(jīng)濟(jì)型灌漿式體外索錨具。該錨具采用圓塔形多級(jí)臺(tái)階承載結(jié)構(gòu)、壓力密封技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、索體孔道小及施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，并已成功應(yīng)用于伊朗S A R D橋和香港灣仔橋[1-4]。

1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

（1）通過(guò)非線性有限元分析和荷載傳遞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)出質(zhì)量更輕、更經(jīng)濟(jì)、傳力更有效的體外索圓塔形錨墊板；同時(shí)對(duì)配套螺旋筋進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量降低造價(jià)，并進(jìn)行相應(yīng)的荷載傳遞試驗(yàn)。

（2）借鑒現(xiàn)有常規(guī)O VM錨具成熟的錨固機(jī)理，減小原有錨板孔間距，從而減小錨板外徑尺寸，減輕重量，并與圓塔形錨墊板進(jìn)行配套。

（3）在已優(yōu)化的錨墊板、錨板和螺旋筋基礎(chǔ)上增設(shè)H D P E錐形隔離筒，與索體外套管焊接而構(gòu)成可換式索體，實(shí)現(xiàn)體外索換索功能，并參照E T A G 013要求進(jìn)行相應(yīng)的水壓試驗(yàn)。

2 具體設(shè)計(jì)措施

針對(duì)海外體外索工程的市場(chǎng)需求與國(guó)際規(guī)范要求，對(duì)國(guó)內(nèi)常規(guī)通用體外索錨具（見(jiàn)圖1）進(jìn)行優(yōu)化、升級(jí)，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的灌漿式體外索錨具，以下簡(jiǎn)稱TM型體外索錨具。

圖1 常規(guī)通用錨具構(gòu)造圖

TM型體外索體系主要由錨墊板、夾片、錨板、螺旋筋、H D P E內(nèi)錐筒、灌漿式索體組成，如圖2所示。其特征是：錨具內(nèi)設(shè)置有H D P E錐形隔離管，其在錨墊板出口處與索體外套管焊接而構(gòu)成可換式索體，壓漿時(shí)，利用錐面楔緊原理使錐形隔離管與錨墊板錐孔緊貼，壓縮密封件，從而實(shí)現(xiàn)錨索的壓力密封。與現(xiàn)有技術(shù)相比，TM型體外索錨具解決了現(xiàn)有錨具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、隔離裝置與索體連接處漿體滲漏等問(wèn)題。該體系具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用及施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 TM型錨具構(gòu)造圖

2.1 錨墊板

由于體外索的受力跟體內(nèi)索有所不同，體內(nèi)索靠粘結(jié)來(lái)給機(jī)構(gòu)受力，而體外索的錨墊板在使用過(guò)程中，始終承受荷載，因此體外索的錨墊板安全性要求高，其與體內(nèi)索相比，同樣孔位，安全程度要大。所以，TM型錨墊板采用圓塔形多級(jí)臺(tái)階承載技術(shù)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕重量。具體措施如下：

（1）改變灌注方式：由錨板灌注改為錨墊板灌注，從而減小錨墊板內(nèi)孔尺寸，減輕重量。

（2）錨墊板外形由方形（見(jiàn)圖3）改為圓形（見(jiàn)圖4）。參考現(xiàn)有成熟的體內(nèi)索錨墊板設(shè)計(jì)原理，通過(guò)有限元分析計(jì)算和試驗(yàn)，選定具有良好的錨下應(yīng)力傳遞性能的圓塔形多級(jí)臺(tái)階承載結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)形式不但減輕了錨墊板的重量，且傳力更有效、更便于混凝土施工。

圖3 常規(guī)方形錨墊板之實(shí)景

圖4 TM型錨墊板之實(shí)景

（3）利用錐面楔緊原理使錐形隔離管與錨墊板錐孔緊貼，壓縮密封件，從而實(shí)現(xiàn)錨索的壓力密封。

2.2 螺旋筋

通過(guò)有限元分析計(jì)算和試驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)螺旋筋的中徑和線徑，依據(jù)E T A G 013載荷傳遞試驗(yàn)的方法步驟進(jìn)行試驗(yàn)，以確定螺旋筋的中徑與錨墊板的翼面相內(nèi)切為準(zhǔn)。

2.3 錨板

改變?cè)械腻^板灌漿方式，取消灌注孔（見(jiàn)圖5）；改用常規(guī)錨具錨固單元，孔間距由“35 mm”減小至“33mm”，通過(guò)以上措施來(lái)達(dá)到減小錨板外徑減輕重量的目的，同時(shí)也使得鋼絞線在錨固區(qū)的發(fā)散角得到緩解，降低彎曲應(yīng)力，提高其錨固性能。

圖5 錨板優(yōu)化圖

2.4 隔離裝置

利用H D P E錐形管代替現(xiàn)有的隔離裝置組件，不僅減小了其構(gòu)造尺寸。同時(shí)利用錐面楔緊原理在壓漿時(shí)使H D P E錐形隔離管與錨墊板錐孔緊貼，壓縮密封件，實(shí)現(xiàn)錨索的壓力密封，有效地解決漿體滲漏的問(wèn)題（見(jiàn)圖6）。

圖6 隔離裝置優(yōu)化圖

3 錨墊板、螺旋筋的理論計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力體系的錨下荷載性能是與混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)系影響最大的一個(gè)因素，因此對(duì)錨墊板及螺旋筋的設(shè)計(jì)要求通過(guò)分析與試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。

錨墊板、螺旋筋主要依據(jù)有限元計(jì)算分析來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立模型計(jì)算時(shí)，由于錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復(fù)雜的傳力關(guān)系，所以結(jié)合在一起建模。下面以TM15-19孔錨墊板為例，對(duì)該型錨墊板進(jìn)行有限元分析，來(lái)說(shuō)明TM15-19型錨墊板的力學(xué)特性。

3.1 分析目的

利用ANSYS有限元分析軟件模擬TM15-19型錨墊板錨下受力狀況，計(jì)算錨墊板和混凝土等的應(yīng)力應(yīng)變，分析其結(jié)構(gòu)是否合理。建立模型時(shí)，由于錨墊板、螺旋筋與錨下混凝土存在著復(fù)雜的傳力關(guān)系，所以結(jié)合在一起建模。

3.2 有限元模型及計(jì)算

基于模型的對(duì)稱性，取1/8部分建模，錨墊板和混凝土之間用接觸來(lái)模擬，摩擦系數(shù)取0.6，螺旋筋與混凝土作為一體計(jì)算。錨墊板模型選取s ol id185實(shí)體單元?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格，混凝土選取s ol id65實(shí)體單元?jiǎng)澐至骟w網(wǎng)格，螺旋筋選取P i p e16桿單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元模型見(jiàn)圖7所示。主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9所示。

圖7 有限元模型

圖8 錨墊板最大主應(yīng)力云圖

圖9 螺旋筋m ises應(yīng)力云圖

錨墊板為H T250，抗拉極限強(qiáng)度為250MPa，從圖8可以看出，錨墊板所受最大拉應(yīng)力為73.640 8 MPa，遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度極限，所以錨墊板結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

從圖9可以看出，螺旋筋應(yīng)力非常小，最大才24.486 1MPa，這遠(yuǎn)小于其材料Q235的屈服強(qiáng)度235MPa，所以螺旋筋是安全的。

3.3 小結(jié)

從以上分析可以看出，TM15-19型錨墊板結(jié)構(gòu)在受到實(shí)際工程中最大荷載的情況下，錨墊板及錨下混凝土應(yīng)力都較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)該是安全可靠的。但是該計(jì)算只是作為設(shè)計(jì)時(shí)的一種參考，與實(shí)際工程不可能做到完全一致，因此還須做相應(yīng)的荷載傳遞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 試驗(yàn)研究

為保證項(xiàng)目技術(shù)的安全可靠，符合國(guó)際規(guī)范E T A G 013標(biāo)準(zhǔn)要求，該項(xiàng)目按有關(guān)試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，以下是各項(xiàng)試驗(yàn)的概況。

4.1 荷載傳遞試驗(yàn)

為驗(yàn)證錨墊板及螺旋筋優(yōu)化后的性能指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，項(xiàng)目組按歐標(biāo)E T A G 013中荷載傳遞試驗(yàn)要求進(jìn)行了試驗(yàn)。

主要試驗(yàn)要求：

（1）最大裂縫寬度：

a.第一次達(dá)到上限荷載0.8 Fpk時(shí)，裂縫寬度不大于0.15mm；

b.最后一次達(dá)到下限荷載0.12 Fpk時(shí)，裂縫寬度不大于0.15mm；

c.最后一次達(dá)到上限荷載0.8 Fpk時(shí)，裂縫寬度不大于0.25mm。

（2）在循環(huán)加載過(guò)程中，試件的縱向及橫向應(yīng)變讀數(shù)應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定。

（3）在循環(huán)加載過(guò)程中，試件的裂縫寬度的讀數(shù)應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定。

（4）測(cè)得的破壞荷載滿足：F u≥1.1 Fpk（fcm，e/fcm，0）。

試驗(yàn)分別進(jìn)行了7孔、12孔、19孔錨下荷載傳遞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)E T A G 013的要求。

4.2 TM15-19YL錨頭組件耐壓水密性試驗(yàn)

按歐標(biāo)ETAG 013 中條例C.2 Plastic pipes for external tendons 的要求，檢驗(yàn)TM15-19Y L錨頭組裝件在1MPa及2MPa壓力下的水密性能，試驗(yàn)通過(guò)了國(guó)檢中心的檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)圖10、圖11所示。

圖10 1 MPa壓力時(shí)樣品狀態(tài)（無(wú)滲漏）之實(shí)景

圖11 2 MPa壓力時(shí)樣品狀態(tài)（無(wú)滲漏）之實(shí)景

通過(guò)試驗(yàn)表明TM型錨具組件在加壓至2MPa過(guò)程中密封效果良好，未見(jiàn)有水從試驗(yàn)裝置中漏出，且1MPa保壓時(shí)未見(jiàn)有掉壓現(xiàn)象?？紤]到工程實(shí)際施工中灌注的是水泥漿，相對(duì)于水更不易滲漏，而且正常情況下的工作壓力要小于1 MPa，所以TM型體系是可以滿足施工需要，達(dá)到密封要求的。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)外體外預(yù)應(yīng)力橋梁大量采用經(jīng)濟(jì)性灌漿式體外索錨具的技術(shù)現(xiàn)狀，為了開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)和響應(yīng)海外市場(chǎng)對(duì)體外索橋梁的經(jīng)濟(jì)性要求，通過(guò)優(yōu)化錨具構(gòu)造參數(shù)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出一種經(jīng)濟(jì)型灌漿式TM體外索錨具，并已成功應(yīng)用于伊朗S A R D橋和香港灣仔橋。

該錨具采用圓塔形多級(jí)臺(tái)階承載結(jié)構(gòu)、壓力密封兩項(xiàng)新技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低及施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）TM型錨墊板采用多級(jí)臺(tái)階承載方式傳遞錨固力，具有良好的錨下應(yīng)力傳遞性能，且質(zhì)量更輕、傳力更有效。

（2）TM錨具組件采用壓力密封技術(shù)，達(dá)到國(guó)際規(guī)范ETAG 013標(biāo)準(zhǔn)的密封性能要求。