裝配式體外預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置的研究

王艷武， 吳慶博， 張士煉， 杜順禹， 信改義

(1 河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021； 2 燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島 066000； 3 河北建研科技有限公司，石家莊 050021； 4 河北建研工程技術(shù)有限公司，石家莊 050021)

0 引言

目前，鋼結(jié)構(gòu)的加固通常有兩種技術(shù)措施：一種是對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，也就是通過(guò)有效的措施改變其計(jì)算簡(jiǎn)圖，另一種是對(duì)原有構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)或連接的調(diào)整[1]。鋼結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固法是采用添加預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)行加固的方法，該方法的基本思想是采用人為的方法在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件外引入與荷載效應(yīng)相反的預(yù)應(yīng)力，以提高結(jié)構(gòu)承載能力，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)(調(diào)整內(nèi)力峰值)，增強(qiáng)剛度(施加初始位移)[2]，后加部分與原結(jié)構(gòu)能較好的共同工作，達(dá)到節(jié)約材料、降低造價(jià)的目的[3]。近年來(lái)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)加固中來(lái)，例如周建濤[4]采用體外施加預(yù)應(yīng)力的方法對(duì)橋梁進(jìn)行了加固，使得跨中負(fù)彎矩的絕對(duì)值減小，有效解決了加固難題。

在體外預(yù)應(yīng)力加固法應(yīng)用中，施加預(yù)應(yīng)力的鋼絞線(xiàn)與鋼梁的錨固方式大有不同，大部分采用焊接、鉆孔栓接等方式，例如嚴(yán)仁章等[5]在端接點(diǎn)處采用焊接索拉節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼絞線(xiàn)與鋼梁之間的連接；陳耀等[6]采用獨(dú)立式夾片錨具實(shí)現(xiàn)端錨固的連接(承載力300kN)，并對(duì)交接處的梁、板均圍焊厚度為10mm鋼板作為加勁肋，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)處理。

本文就鋼絞線(xiàn)與鋼梁之間的錨固問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于加固既有門(mén)式剛架的裝配式體外預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置。運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了仿真分析，并將其應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)的加固試驗(yàn)中，與同種工況下運(yùn)用MIDAS/Gen模擬分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)比較加固后鋼梁各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)變及跨中撓度的變化，驗(yàn)證了該裝置的可行性。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確，改變了以往的錨固端連接方式，可以較好地起到端錨固作用[7]。

1 裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了1套裝配式體外預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置，該裝置由2個(gè)一字形錨固節(jié)點(diǎn)、2個(gè)撐桿及1條鋼絞線(xiàn)組成。該一字形錨固裝置各個(gè)構(gòu)件安裝位置如圖1所示。

圖1 裝置安裝示意圖

一字形錨固節(jié)點(diǎn)主要由上三角形摩擦裝置、下三角形摩擦裝置、一字形構(gòu)件、錨固裝置、上固定桿、下固定桿、螺栓及調(diào)節(jié)桿8部分組成，錨固節(jié)點(diǎn)詳圖見(jiàn)圖2。

圖2 一字形錨固節(jié)點(diǎn)詳圖

1.2 節(jié)點(diǎn)的安裝

一字形錨固節(jié)點(diǎn)在使用時(shí)將預(yù)先定制的兩個(gè)上三角形摩擦裝置放置于工字梁上翼緣下側(cè)對(duì)稱(chēng)放置，確保上三角形摩擦裝置緊靠鋼梁腹板并與工字梁上翼緣保持垂直，并用特制夾片將其臨時(shí)固定，待整套裝置安裝完畢再將特制夾片取下；下三角形摩擦裝置放置于工字梁下翼緣上側(cè)相對(duì)于上三角形摩擦裝置略微向后(圖2(a))，并且與工字梁下翼緣保持垂直，再安裝一字形構(gòu)件，通過(guò)上下固定桿對(duì)構(gòu)件進(jìn)行錨固，最后安裝錨固組件；節(jié)點(diǎn)安裝完畢再安裝調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)一字形構(gòu)件與上三角形摩擦裝置及下三角形摩擦裝置間的距離，確保兩者平行，各構(gòu)件接觸良好。

錨固節(jié)點(diǎn)安裝完畢，用鐵絲將2個(gè)上三角形及2個(gè)一字形構(gòu)件繞鋼梁進(jìn)行臨時(shí)錨固，兩端通過(guò)鐵絲套環(huán)與上固定桿相連,待整套加固裝置安裝完畢可將其取下。

最后鋼絞線(xiàn)穿過(guò)錨固裝置通過(guò)錨具進(jìn)行固定，再對(duì)鋼絞線(xiàn)施加一定的預(yù)應(yīng)力，整套裝置實(shí)現(xiàn)自鎖。

1.3 節(jié)點(diǎn)分析

一字形構(gòu)件、下三角形摩擦裝置與上三角形摩擦裝置形成一個(gè)杠桿，下三角形摩擦裝置為支點(diǎn)，將鋼絞線(xiàn)上的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換到了鋼梁的上下翼緣上，改變了以往錨固節(jié)點(diǎn)的受力方式。

在靜力狀態(tài)下自鎖：X軸方向上，一字形節(jié)點(diǎn)的重力G在X軸方向的分力與鋼梁對(duì)上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在X軸方向的分力保持平衡；Y軸方向上，一字形節(jié)點(diǎn)的重力G在Y軸方向的分力與上三角形摩擦裝置對(duì)一字形構(gòu)件向下的分力和下三角形摩擦裝置對(duì)一字形構(gòu)件向上的分力保持平衡，整個(gè)裝置僅靠自重實(shí)現(xiàn)自鎖。

在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下自鎖：X軸方向上，預(yù)應(yīng)力F與一字形節(jié)點(diǎn)的重力G在X軸方向的分力與鋼梁對(duì)上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在X軸方向的分力保持平衡；預(yù)應(yīng)力F與一字形節(jié)點(diǎn)的重力G在Y軸方向的分力與鋼梁對(duì)上三角形摩擦裝置和下三角形摩擦裝置摩擦力在Y軸方向的分力保持平衡，整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)自鎖。

此外該一字形錨固裝置中三角形摩擦裝置對(duì)鋼梁上翼緣下側(cè)的壓力通過(guò)三角形摩擦裝置的底板均勻地施加在鋼梁上翼緣下側(cè)，有效地防止了應(yīng)力集中；三角形摩擦裝置對(duì)鋼梁下翼緣上側(cè)的壓力通過(guò)三角形摩擦裝置的底板均勻地施加在鋼梁下翼緣上側(cè)，也有效地防止了應(yīng)力集中。

1.4 選材方面

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[8]結(jié)構(gòu)鋼材的選取應(yīng)遵循技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征及工作環(huán)境等因素。本設(shè)計(jì)選用鋼材牌號(hào)Q345，螺栓選取性能等級(jí)為10.9的摩擦型高強(qiáng)螺栓，材料性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[9]摩擦型高強(qiáng)螺栓的材料選用應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺母》(GB/T 1229—91)，對(duì)摩擦裝置底面進(jìn)行噴砂(丸)處理，可以增加接觸面粗糙程度進(jìn)而增大其與一字形構(gòu)件接觸面的摩擦系數(shù)。對(duì)螺栓施加預(yù)應(yīng)力，使各個(gè)接觸關(guān)系平穩(wěn)連接起來(lái)[10]。

材料性能指標(biāo) 表1

2 一字形錨固裝置的仿真分析

2.1 有限元建模

運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)一字形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真，簡(jiǎn)化分析過(guò)程，使設(shè)計(jì)分析可視化進(jìn)而找出危險(xiǎn)截面為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考[11]。首先建立裝配式體外預(yù)應(yīng)力一字形加固裝置的三維模型，其端部節(jié)點(diǎn)三維模型如圖3所示。然后對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖4所示的有限元模型。

圖3 端部節(jié)點(diǎn)三維模型

圖4 有限元模型

2.2 有限元仿真說(shuō)明

考慮到計(jì)算量和計(jì)算精度，將模型取對(duì)稱(chēng)部分進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)除預(yù)應(yīng)力索和撐桿采用高階單元Beam188以外，其余部分均采用實(shí)體高階單元Solid186/187。由于模型零件較多，仿真的重點(diǎn)在于模型之間的連接，故以下對(duì)仿真中零件的連接進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

(1)對(duì)工字鋼按對(duì)稱(chēng)軸進(jìn)行了切分，便于后期檢查結(jié)果分析，為了保持連接，將對(duì)稱(chēng)的鋼梁部分都放在一個(gè)PART里，即表示對(duì)應(yīng)部分是完全粘接在一起的。

(2)錨固節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連接，考慮到實(shí)際情況，我們將一體鋼梁、錨固節(jié)點(diǎn)放在了一個(gè)PART里，實(shí)現(xiàn)其粘接效果；非一體部分采用不分離形式的接觸類(lèi)型(圖5)，實(shí)現(xiàn)相互之間的連接(即螺栓與角鋼的接觸)。

圖5 錨固節(jié)點(diǎn)非一體部分(螺栓與角鋼)的接觸

(3)錨固節(jié)點(diǎn)與斜工字鋼之間的接觸是仿真的重點(diǎn)部分，所以采用與實(shí)際接觸形式一致的標(biāo)準(zhǔn)接觸類(lèi)型(圖6)，摩擦系數(shù)取0.3。

圖6 錨固節(jié)點(diǎn)與斜工字鋼之間的接觸

(4)預(yù)應(yīng)力索端部與錨固裝置采用Joint中General的形式實(shí)現(xiàn)相互連接；預(yù)應(yīng)力索與撐桿端部采用共用節(jié)點(diǎn)的形式連接在一起。

2.3 荷載及邊界條件

仿真計(jì)算設(shè)置的荷載及邊界條件說(shuō)明：

(1)將剛架的自重以重力加速度的形式施加在整個(gè)結(jié)構(gòu)上。加速度的方向向上，產(chǎn)生的慣性重力是向下的，符合實(shí)際情況。

(2)預(yù)應(yīng)力索的材料屬性里設(shè)置線(xiàn)膨脹系數(shù)，然后給鋼絞線(xiàn)施加溫度荷載，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的加載。

(3)本次計(jì)算取剛架的一榀，不考慮平面外變化。對(duì)中間工字鋼對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束，剛架底部施加固定約束，整體施加平面外位移約束。

(4)將恒荷載和活荷載轉(zhuǎn)化為斜工字鋼上翼緣面的均布荷載，以面荷載的形式施加。

2.4 仿真結(jié)果及分析

對(duì)鋼絞線(xiàn)施加體外預(yù)應(yīng)力后的一字形節(jié)點(diǎn)及門(mén)式剛架鋼梁受力情況進(jìn)行了模擬仿真分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7～12。

圖7 節(jié)點(diǎn)位置鋼梁等效應(yīng)力云圖/Pa

由圖7可以看出，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在該裝置的錨固節(jié)點(diǎn)處，尤其錨固節(jié)點(diǎn)與鋼梁接觸位置，其他位置應(yīng)力相對(duì)較小；摩擦裝置未產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，說(shuō)明該摩擦裝置與鋼梁之間的摩擦力在水平向的分力足夠抵抗由鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的水平力。

由圖8可以看出，鋼梁在錨固節(jié)點(diǎn)區(qū)域局部應(yīng)力較大，其中最大應(yīng)力位于鋼梁下翼緣(與腹板相交處)。該部位局部應(yīng)力較大主要是由摩擦裝置對(duì)下翼緣的壓力及接觸面上的壓力對(duì)該翼緣部位的彎矩造成的，因此保證摩擦裝置剛度的同時(shí)，該摩擦裝置底板不宜做的太短(寬度接近鋼梁翼緣外伸部分為宜)，以減少其對(duì)鋼梁下翼緣的壓強(qiáng)，降低翼緣板的最大應(yīng)力。

圖8 斜工字鋼等效應(yīng)力云圖/Pa

由圖9可以看出，錨固節(jié)點(diǎn)上下固定桿局部應(yīng)力較大，其他位置應(yīng)力相對(duì)較小，所以該固定桿應(yīng)使用截面較大、強(qiáng)度較高的鋼材。

圖9 錨固節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖/Pa

由圖10～12可以看出，接觸面受力狀態(tài)主要呈雙條形對(duì)稱(chēng)分布；摩擦應(yīng)力與接觸面壓強(qiáng)由腹板位置向翼緣邊緣逐漸變小，與梁翼緣應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同。翼緣越靠近腹板位置接觸面壓強(qiáng)越大，主要是因?yàn)橄乱砭壴浇咏拱?，其剛度越大，受壓后變形越小；相反下翼緣距離腹板越遠(yuǎn)，其剛度越小，受壓后變形越大，接觸面壓強(qiáng)越小。

圖10 接觸狀態(tài)

圖11 摩擦應(yīng)力等效應(yīng)力云圖/Pa

圖12 接觸面壓強(qiáng)云圖/Pa

3 試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)安裝前準(zhǔn)備4個(gè)定制的節(jié)點(diǎn)(2個(gè)一字形剛接端點(diǎn)及2個(gè)中間撐桿)、1根鋼絞線(xiàn)(直徑15mm)、2個(gè)錨具及1臺(tái)東華動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器等。

裝置兩端采用一字形錨固節(jié)點(diǎn)，中間鋼梁長(zhǎng)度方向的1/3，2/3位置處分別采用撐桿1、撐桿2，安裝效果如圖13所示。百分表安裝于斜工字梁中間位置。應(yīng)變片粘貼在門(mén)式剛架單跨12個(gè)關(guān)鍵翼緣位置，具體粘貼位置見(jiàn)圖14。

圖13 安裝示意圖

圖14 應(yīng)變片粘貼位置示意圖

鋼絞線(xiàn)穿過(guò)錨固裝置后，先穿過(guò)應(yīng)力環(huán)再通過(guò)錨具進(jìn)行錨固(圖15)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝完畢，鋼絞線(xiàn)施加4kN的預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)整套裝置的初步(小預(yù)應(yīng)力)自鎖，確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接良好。

圖15 一字形錨固節(jié)點(diǎn)意圖

3.2 預(yù)應(yīng)力加載裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)撐桿1、撐桿2為鋼絞線(xiàn)，預(yù)應(yīng)力加載裝置由固定構(gòu)件、鉸接構(gòu)件、上連接件、螺桿、焊接方塊、下連接件及穿孔共7部分組成。撐桿詳圖見(jiàn)圖16。

圖16 撐桿1、撐桿2詳圖

安裝時(shí)首先安裝一字形錨固裝置于工字梁長(zhǎng)度方向的1/3，2/3處的下翼緣，再安裝鉸接構(gòu)件，最后依次安裝上連接件、螺桿及下連接件，撐桿安裝完畢將鋼絞線(xiàn)從穿孔中穿過(guò)，撐桿實(shí)圖見(jiàn)圖17。

圖17 撐桿1、撐桿2實(shí)圖

加載時(shí)，同時(shí)使用活口扳子轉(zhuǎn)動(dòng)撐桿1、撐桿2的焊接方塊進(jìn)行加載。

3.3 預(yù)應(yīng)力加載試驗(yàn)

開(kāi)始加載，首先將應(yīng)力環(huán)讀數(shù)清零、DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)平衡清零，確保5min后各個(gè)通道暢通并且在5個(gè)應(yīng)變以?xún)?nèi)再進(jìn)行試驗(yàn)(以免造成較大誤差)。加載人員同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絞線(xiàn)上的撐桿進(jìn)行加載，鋼絞線(xiàn)應(yīng)力每增加4kN記錄一次，靜置5min進(jìn)行一次DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)的平衡取數(shù)，并記錄中間支桿伸長(zhǎng)量(確保中間旋桿有足夠的安全儲(chǔ)備，確保試驗(yàn)安全)。逐步加載到40kN(為了確保試驗(yàn)安全，不對(duì)剛架造成破壞)，停止加載靜置觀(guān)察，節(jié)點(diǎn)無(wú)滑動(dòng)，鋼絞線(xiàn)與各支桿、節(jié)點(diǎn)連接保持良好。

24h后觀(guān)察有無(wú)預(yù)應(yīng)力損失并記錄。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 門(mén)式剛架關(guān)鍵位置應(yīng)變對(duì)比

各個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比如表2所示(取第10次試驗(yàn)值作為本次試驗(yàn)的檢測(cè)值)。

采用有限元分析軟件MIDAS/Gen對(duì)鋼梁在試驗(yàn)工況下進(jìn)行模擬分析，鋼絞線(xiàn)施加的預(yù)應(yīng)力與試驗(yàn)最終施加預(yù)應(yīng)力相同(40kN)，模擬分析鋼梁各個(gè)位置應(yīng)變值作為本次試驗(yàn)的模擬值(根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力換算成該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變)，換算結(jié)果見(jiàn)表2(模擬值)。

應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系：

各個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比/(×10-6) 表2

εE=σ

(1)

式中：E為彈性模量，取206×103N/mm2；σ為應(yīng)力，Pa；ε為應(yīng)變，指變形量與原尺寸的比值。

ε=ΔL/L

(2)

取試驗(yàn)各個(gè)位置的應(yīng)變與模擬值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖18所示(未特殊說(shuō)明本文所有位置皆指工字梁下翼緣)。

圖18 應(yīng)變對(duì)比

鋼絞線(xiàn)軸力每加載4kN進(jìn)行一次取數(shù)，停止加載3min后再次進(jìn)行讀數(shù)，記錄軸力見(jiàn)表3。

軸力損失/kN 表3

24h后再次對(duì)該裝置鋼絞線(xiàn)應(yīng)力進(jìn)行取數(shù)，鋼絞線(xiàn)應(yīng)力為38.5kN與加載穩(wěn)定3min后幾乎相同，計(jì)算出11次鋼絞線(xiàn)的平均應(yīng)力損失為4.68%。

選取門(mén)式剛架應(yīng)力較大的節(jié)點(diǎn)1北(上)、節(jié)點(diǎn)1北(下)、端柱南、跨中(下)、節(jié)點(diǎn)4北(上)、節(jié)點(diǎn)4南(下)及中柱南共計(jì)7個(gè)位置做試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)端柱南、跨中(下)、節(jié)點(diǎn)4南(下)及中柱南應(yīng)變較大，其他位置相對(duì)較小；試驗(yàn)值與模擬值的大小相近、變化趨勢(shì)相同；中柱北與中柱南的應(yīng)變檢測(cè)值接近，與實(shí)際情況相符。由于實(shí)際檢測(cè)位置與模擬位置之間存在一定偏差、儀器精度不夠及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等問(wèn)題使得試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但與模擬結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該裝配式預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置應(yīng)用于加固門(mén)式剛架中的可行性。

3.4.2 門(mén)式剛架關(guān)鍵位置跨中撓度對(duì)比

本試驗(yàn)跨中撓度采用百分表測(cè)量，預(yù)應(yīng)力從開(kāi)始加載到加載至40kN測(cè)得該裝置跨中撓度變化為14mm；使用MIDAS/Gen有限元分析軟件對(duì)鋼梁進(jìn)行模擬仿真分析，加載前后跨中撓度從-7mm到3mm，增大了10mm，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果略有差距，但變化趨勢(shì)基本相同。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種裝配式預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置，并對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)該錨固裝置中的固定桿局部應(yīng)力較大，建議使用截面較大、強(qiáng)度較高的鋼材。

(2)該錨固裝置的最大應(yīng)力位于鋼梁下翼緣(與腹板相交處)，在保證剛度的情況下，該摩擦裝置底板不宜做的太短。

(3)采用該錨固裝置對(duì)鋼梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加固后，各個(gè)關(guān)鍵位置的應(yīng)變及位移的變化與MIDAS/Gen有限元分析結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該裝置具有加固效果。

(4)該種裝配式體外預(yù)應(yīng)力加固方法有一定的預(yù)應(yīng)力損失，這種損失在試驗(yàn)加載完成后3min之內(nèi)即趨于穩(wěn)定，損失約5%。

(5)該裝配式體外預(yù)應(yīng)力一字形錨固裝置與剛架主要靠相互接觸、摩擦擠壓實(shí)現(xiàn)連接自鎖，可以承擔(dān)既定預(yù)應(yīng)力。