錨桿張拉用扭矩扳手率定方法研究與應(yīng)用

朱家林 李長青 侯戰(zhàn)鵬

(中國水利水電建設(shè)工程咨詢北京有限公司，北京 100024)

在水利水電工程中的高邊坡支護(hù)、地下洞室邊頂拱支護(hù)，以及建筑工程中深基坑支護(hù)中，經(jīng)常以預(yù)應(yīng)力錨桿，作為加固圍巖或基礎(chǔ)的手段，提高圍巖或基礎(chǔ)的抗剪強(qiáng)度、整體性、穩(wěn)定性等。雙江口水電站地下洞室群多部位設(shè)計應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿，在張拉工藝選擇上，經(jīng)過綜合比選，采用使用頻率較高的扭矩扳手張拉方式進(jìn)行張拉。在使用扭矩扳手張拉時，需進(jìn)行扭矩扳手率定，以實(shí)現(xiàn)力矩向張拉力的換算。在進(jìn)行工藝試驗(yàn)時，借鑒類似水電工程的率定方法進(jìn)行扭矩扳手率定，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)率定的結(jié)果偏差較大，不能指導(dǎo)現(xiàn)場施工。本文通過一系類模擬工藝試驗(yàn)和工程原位驗(yàn)證試驗(yàn)，研發(fā)出一套簡便實(shí)用的扭矩扳手率定工具，率定工具能夠快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)扭矩扳手率定，對采用扭矩扳手張拉的預(yù)應(yīng)力錨桿施工具有指導(dǎo)意義，對工程的質(zhì)量和安全更有保障作用。

1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫。雙江口水電站為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫正常蓄水位2500m，水庫總庫容28.97億m3，死水位2420m，調(diào)節(jié)庫容19.17億m3，電站具有年調(diào)節(jié)能力。裝機(jī)容量2000MW(500MW×4臺)，多年平均年發(fā)電量77.07億kW·h。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿張拉工藝比選

根據(jù)設(shè)計藍(lán)圖，引水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房、主變室、尾水調(diào)壓室及尾水洞等部位均設(shè)計有預(yù)應(yīng)力錨桿，其規(guī)格有：HRB400C28、HRB400C32、HRB400C36，均為L=9.0m，T=120kN，總計預(yù)應(yīng)力錨桿數(shù)量有1.67萬根，其中φ36、L=9.0m、T=120kN的預(yù)應(yīng)力錨桿約1.57萬根。預(yù)應(yīng)力錨桿的基本結(jié)構(gòu)見圖1。

1—孔壁；2—桿體；3—錨固段；4—張拉段；5—砂漿底座；6—鋼墊板；7—螺母圖1 預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

目前，預(yù)應(yīng)力錨桿張拉工藝主要有兩種，一是采用穿心式千斤頂張拉，二是采用扭矩扳手張拉[1]。根據(jù)雙江口水電站預(yù)應(yīng)力錨桿的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)時機(jī)等因素，其張拉工藝選型如下。

2.1 穿心千斤頂張拉工藝

預(yù)應(yīng)力錨桿具備張拉條件后，首先安裝工作螺母，通過套筒將工具桿與預(yù)應(yīng)力錨桿連接，再將穿心千斤頂安裝至外露桿體上，夾片鎖緊工具桿，施加應(yīng)力分級進(jìn)行張拉，張拉至設(shè)計應(yīng)力后，扭緊工作螺母鎖定，千斤頂泄壓，張拉完成。千斤頂張拉工況見圖2。

1—孔壁；2—砂漿底座；3—鋼墊板；4—螺母；5—鋼支腿；6—液壓千斤頂；7—套筒；8—錨具；9—桿體圖2 穿心千斤頂張拉工況

2.2 扭矩扳手張拉工藝

預(yù)應(yīng)力錨桿具備張拉條件后，首先安裝工作螺母，采用1500N·m級扭矩扳手分級扭緊工作螺母，直至最后一級扭緊鎖定，張拉完成。扭矩扳手張拉工況見圖3。

1—孔壁；2—砂漿底座；3—鋼墊板；4—螺母；5—桿體；6—扭矩扳手圖3 扭矩扳手張拉工況

2.3 張拉工藝綜合比選結(jié)果

單根預(yù)應(yīng)力錨桿采用液壓穿心千斤頂張拉需要用時約4h，千斤頂本身重量約55kg，不利于現(xiàn)場安裝，考慮到快速支護(hù)原則，需要同時多臺張拉方可滿足支護(hù)進(jìn)度要求。采用扭矩扳手，可以直接分級張拉鎖定，方便快捷，單根預(yù)應(yīng)力錨桿張拉時間約30min，相比穿心千斤頂，大大縮短了張拉時間。借鑒國內(nèi)多座水電站預(yù)應(yīng)力錨桿張拉工藝，并結(jié)合雙江口地下廠房系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度的需要，最終確定采用扭矩扳手張拉工藝。

3 扭矩扳手率定工具設(shè)計

在工業(yè)設(shè)備上對螺栓特別是高強(qiáng)螺栓連接副都有扭緊力矩值要求?！端せ炷龄摻钍┕ひ?guī)范》(DL/T 5169—2013)對直螺紋鋼筋接頭的扭緊力矩值提出了要求，如鋼筋直徑在28～32mm時，扭緊力矩是300N·m。而預(yù)應(yīng)力錨桿張拉力是軸心拉力，單位是kN，扭矩扳手反饋的力矩是N·m，因此需要特定的工具實(shí)現(xiàn)力矩(N·m)向拉力(kN)的轉(zhuǎn)換，這是設(shè)計扭矩扳手率定工具的初衷。

3.1 率定工具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

能夠?qū)崿F(xiàn)力矩向拉力的換算；率定工具及率定張拉過程應(yīng)與預(yù)應(yīng)力錨桿實(shí)際張拉工藝基本匹配；率定工具簡單方便，能夠滿足多種張拉力率定需要，便于挪動、便于長期使用。

3.2 設(shè)計思路

以率定過程和實(shí)際張拉過程基本匹配為出發(fā)點(diǎn)，將預(yù)應(yīng)力錨桿桿體以外的山體，以鋼結(jié)構(gòu)替代巖體作為簡化模型，鋼結(jié)構(gòu)即作為扭矩扳手的率定工具，其一端用于扭矩扳手張拉，另一端安裝測力計用于應(yīng)力監(jiān)測。其采用的基本原理為牛頓第三定律(Newton’s third law)，當(dāng)兩個物體互相作用時，彼此施加于對方的力，其大小相等、方向相反。即扭矩扳手扭緊螺母，通過螺母作用在桿體并傳導(dǎo)到測力計上的力，等于測力計對扭矩扳手施加的力[2]。通過數(shù)據(jù)計算分析，得出扭矩與拉力的關(guān)系。

3.3 設(shè)計過程

3.3.1 初步設(shè)計及實(shí)施效果

3.3.1.1 率定工具的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

初步設(shè)想率定工具由Q235 I20工字鋼焊接而成的，基本結(jié)構(gòu)由承載體和底座構(gòu)成，其中承載體由工字鋼橫梁(長1.5m)、承載底座、鋼墊板等通過焊接組成，底座由工字鋼或鋼板構(gòu)成，組裝后結(jié)構(gòu)見圖4。率定時，一端用于扭矩扳手扭緊，另一端安裝測力計。扭矩扳手初步選定QLX1500型，最大扭緊力矩1500N·m。預(yù)應(yīng)力錨桿桿體總長度取2.5m，率定時桿體和墊板保持垂直狀態(tài)。

圖4 第一階段結(jié)構(gòu)設(shè)計雛形及應(yīng)用

3.3.1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

根據(jù)初步設(shè)想結(jié)構(gòu)，對率定工具的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行計算，對率定工具的工字鋼橫梁施加的最大荷載，按《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)中設(shè)計錨桿張拉力的1.2倍取值[4]，即120kN×1.2=144kN，其他計算參數(shù)l0x=1.5m,l0y=0.75m。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)及《熱軋型鋼》(GB/T 706—2016)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)計算如下：

a.I20熱軋工字鋼幾何特性[5]：

查表得：A=3550mm2、ix=81.5mm、iy=21.2mm，則

λx=l0x/ix=1500/81.5=18.40

λy=l0y/iy=750/21.2=35.38

c.最大承載力計算[3]:

Nc=φAfy=0.9768×3550×215×2=1491kN>144kN。

3.3.1.3 扭矩扳手率定方法及數(shù)據(jù)整理

a.率定前，將預(yù)應(yīng)力錨桿、測力計、墊板、螺母等按順序安裝到率定工具上，螺母工作長度及與墊板接觸部位均涂刷黃油，以降低摩擦阻力。安裝就位后，稍微扭緊螺母，調(diào)整同心度，設(shè)定扭矩扳手扭矩值在較小的刻度上。開始沿順時針方向勻速轉(zhuǎn)動扭矩扳手，待扭矩扳手發(fā)出報警響聲時，停止操作，記錄測力計顯示的值。以后每隔一定刻分度設(shè)定扭矩扳手力矩值，重復(fù)以上操作,直至接近扭矩扳手最大扭力矩,并同時記錄相對應(yīng)的拉力值。

b.按照同樣的操作方法重復(fù)一次，取測力計兩次測值的平均值作為代表值。當(dāng)每級測值超出±5%時，則重新進(jìn)行率定。

c.數(shù)據(jù)整理。QLX1500型扭矩扳手大刻分度為140N·m，小刻分度為70N·m，按照140N·m刻分度遞增采集的數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 扭矩扳手與測力計率定成果

利用Excel軟件進(jìn)行回歸方程計算(見圖5)。

圖5 扭矩扳手刻度(x)與測力計讀數(shù)(y)關(guān)系方程

3.2.2 定型設(shè)計與復(fù)核

率定工具初步設(shè)計能夠滿足率定扭力扳手的需要，由于其初步設(shè)計工藝相對粗糙，不利用搬運(yùn)和重復(fù)利用，基于率定工具的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對率定工具進(jìn)行了優(yōu)化升級，優(yōu)化后工字鋼橫梁采用Q235 I16工字鋼，并重新復(fù)核其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。定型后的率定工具結(jié)構(gòu)簡單，搬運(yùn)方便，多次率定數(shù)據(jù)偏差在2%以內(nèi)。優(yōu)化升級率定工具及張拉工況見圖6。

圖6 優(yōu)化升級后率定工具及工況

4 實(shí)際應(yīng)用效果比對

根據(jù)設(shè)計圖紙和施工規(guī)范要求，預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)先進(jìn)行監(jiān)測錨桿張拉，以指導(dǎo)后續(xù)張拉施工。為驗(yàn)證扭矩扳手率定效果，首先張拉主廠房中導(dǎo)洞頂拱預(yù)應(yīng)力監(jiān)測錨桿(桿體3.0m處安裝有應(yīng)力計)。按照規(guī)范分級張拉原則，在預(yù)應(yīng)力錨桿正式張拉前，先對錨桿進(jìn)行預(yù)緊張拉，使桿體完全平直，各部位緊密接觸。根據(jù)扭矩扳手刻分度和率定結(jié)果，對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步歸納整理，達(dá)到滿足現(xiàn)場分級張拉控制需要，利用Excel軟件進(jìn)行歸納整理張拉分級(見表2)。

表2 現(xiàn)場張拉分級

根據(jù)歸納整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場張拉復(fù)核，其應(yīng)力、應(yīng)變及錨桿應(yīng)力計結(jié)果均滿足規(guī)范要求。因此，采用優(yōu)化升級后的率定工具率定的扭矩扳手，其率定成果可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目的。其現(xiàn)場驗(yàn)證成果見表3。

表3 現(xiàn)場張拉成果

5 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

a.在水利水電工程高邊坡及地下洞室中采用預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)已有很多年，預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝要求較高，目前普遍采用千斤頂張拉和扭矩扳手張拉，二者各有利弊。如果張拉工藝控制不到位，極易導(dǎo)致張拉力達(dá)不到設(shè)計要求或48h應(yīng)力損失率超標(biāo)。雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要洞室在預(yù)應(yīng)力錨桿上布置了錨桿應(yīng)力計，這在水電站工程中很少見，一方面可以監(jiān)測張拉過程，另一方面可以監(jiān)測巖體應(yīng)力變化。筆者認(rèn)為在預(yù)應(yīng)力錨桿上安裝應(yīng)力計有重大推廣應(yīng)用價值。

b.扭矩扳手率定工具研發(fā)初期，在扭緊過程中發(fā)現(xiàn)扭矩扳手接近最大扭力，而測力計值顯示值較小，且多次率定循環(huán)的偏差值過大，工作螺母發(fā)生了滑絲破壞。通過采取在螺母工作段及與墊板接觸面涂抹黃油措施，后續(xù)率定未再發(fā)生螺母滑絲破壞現(xiàn)象，多次率定結(jié)果偏差值極小。

c.扭矩扳手率定時采用的測力計為標(biāo)定后的千斤頂，由于千斤頂搬運(yùn)時需要將油管拆除，在復(fù)裝時應(yīng)注意將千斤頂進(jìn)行多循環(huán)空載排氣，否則將影響率定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

d.無論是率定過程還是實(shí)際張拉過程，其預(yù)應(yīng)力錨桿與墊板均應(yīng)保持垂直狀態(tài)，偏心狀態(tài)很容易導(dǎo)致螺母滑絲并致張拉失敗。

e.筆者全程參與了扭矩扳手率定工具的設(shè)計、試驗(yàn)、應(yīng)用以及現(xiàn)場大量預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉。工作過程有效解決了扭矩扳手率定不規(guī)范的問題，也解決了扭矩扳手張拉預(yù)應(yīng)力不匹配的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成了一系列扭矩扳手張拉預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力監(jiān)測錨桿的工藝控制技術(shù)且工藝運(yùn)用成熟、可靠，對預(yù)應(yīng)力錨桿張拉施工具有重要的指導(dǎo)和借鑒參考價值。