預(yù)應(yīng)力錨桿扭力扳手率定試驗(yàn)

齊 宇

（中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310004）

0 引言

周寧抽水蓄能電站主廠(chǎng)房巖錨梁的部位布設(shè)了498根預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)：巖錨梁上下各兩排，設(shè)計(jì)噸位12 t，錨桿為10 m 長(zhǎng)度Φ 36 mmⅢ級(jí)螺紋鋼，排距3 m×1.5 m。目前預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉方法主要采用穿心式千斤頂、拉伸機(jī)、扭力扳手等機(jī)具進(jìn)行施工?？紤]到主廠(chǎng)房預(yù)應(yīng)力錨桿外露僅10 cm，如采用穿心式千斤頂或拉伸機(jī)，需對(duì)錨桿進(jìn)行接長(zhǎng)處理，底部需加空心墊塊。由于穿心式千斤頂及拉伸機(jī)較為笨重，現(xiàn)場(chǎng)固定困難，且螺母擰動(dòng)不易，采用此方法，將大大降低工效，增加施工工期，影響到后續(xù)巖錨梁的澆筑施工。如采用扭力扳手進(jìn)行張拉，施工工藝簡(jiǎn)單，人員投入少，且現(xiàn)場(chǎng)施工易于控制。經(jīng)過(guò)綜合比較，決定采用扭力扳手進(jìn)行主廠(chǎng)房預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉施工。張拉前需要對(duì)采用扭力扳手進(jìn)行率定，以尋找扭力扳手扭矩與其張拉力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 扭力扳手率定方案的選定

根據(jù)國(guó)內(nèi)目前類(lèi)似工程施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，確定扭力扳手扭矩與預(yù)應(yīng)力錨桿張拉力的對(duì)應(yīng)關(guān)系一般采用以下3種方式。

1.1 試驗(yàn)室率定

根據(jù)國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程施工情況，少數(shù)試驗(yàn)室采用錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)扭力扳手進(jìn)行扭矩與張拉力對(duì)應(yīng)關(guān)系的率定，出具扭力扳手率定報(bào)告。優(yōu)點(diǎn)是率定數(shù)值準(zhǔn)確，可根據(jù)率定報(bào)告直接采用相關(guān)數(shù)值進(jìn)行施工；缺點(diǎn)是無(wú)法判斷試驗(yàn)工況是否接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況，同時(shí)開(kāi)展此項(xiàng)業(yè)務(wù)的試驗(yàn)室極少。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行率定試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)部分類(lèi)似工程，采用在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力錨桿上安裝錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，設(shè)定扭力扳手?jǐn)?shù)值后對(duì)錨桿進(jìn)行張拉，然后讀取相應(yīng)的錨桿測(cè)力計(jì)數(shù)值，根據(jù)扭力扳手扭矩?cái)?shù)值和相對(duì)應(yīng)的錨桿測(cè)力計(jì)數(shù)值繪制線(xiàn)性關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是率定數(shù)值準(zhǔn)確，試驗(yàn)工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況一致；缺點(diǎn)是需單獨(dú)采購(gòu)錨桿測(cè)力計(jì)和測(cè)力讀數(shù)儀，錨桿安裝困難，試驗(yàn)測(cè)試可能影響現(xiàn)場(chǎng)正常施工。

1.3 綜合采用經(jīng)驗(yàn)公式和廠(chǎng)家推薦數(shù)值

錨桿預(yù)緊扭矩與其張拉力的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，

式中：M為錨桿預(yù)緊扭矩，N·m；T為張拉力，kN；k為比例系數(shù)；β為螺紋升角，與螺紋的形式、導(dǎo)程、桿徑等因素有關(guān)；ρ為當(dāng)量摩擦角，ρ=arctgf，f為當(dāng)量摩擦系數(shù)，與螺紋形式、接觸面、材料等有關(guān)；d為桿體直徑，mm。

部分工程綜合采用式（1）和扭力扳手廠(chǎng)家推薦數(shù)值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)比例系數(shù)k進(jìn)行取值。優(yōu)點(diǎn)是確定比例系數(shù)k值后即可直接進(jìn)行施工；缺點(diǎn)是比例系數(shù)k是一個(gè)綜合系數(shù)，包含了各個(gè)因素的影響，對(duì)確定錨桿預(yù)緊扭矩與張拉力之間的關(guān)系影響大，僅靠經(jīng)驗(yàn)和廠(chǎng)家推薦數(shù)值進(jìn)行取值，預(yù)應(yīng)力錨桿施工質(zhì)量控制困難，不推薦采用。

結(jié)合以上分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿張拉過(guò)程進(jìn)行分析，根據(jù)施工工藝原理，制作與現(xiàn)場(chǎng)施工工藝類(lèi)似的扭矩測(cè)試盒，通過(guò)扭力扳手施加扭矩對(duì)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的張拉力后顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，以確定扭力扳手顯示的扭矩與液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)顯示的張拉力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 扭力扳手率定影響因素分析及相應(yīng)對(duì)策

試驗(yàn)設(shè)備確認(rèn)后，對(duì)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響扭力扳手率定的因素主要有錨桿直徑、螺距、螺母與絲桿摩擦阻力、螺母與鋼墊板間的摩擦阻力等。為保證率定試驗(yàn)工作的順利開(kāi)展，確保率定試驗(yàn)的成果能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，采用完全模擬現(xiàn)場(chǎng)錨桿的張拉方式來(lái)開(kāi)展率定試驗(yàn)工作。試驗(yàn)所用的絲桿大小、螺距及螺母尺寸等試驗(yàn)工件與現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)應(yīng)力錨桿完全相同。扭矩測(cè)試盒由加工廠(chǎng)負(fù)責(zé)加工，扭矩測(cè)試盒主要由絲桿、螺母、鋼墊板、盒狀體等部件組成，其中核心扭矩測(cè)試盒主要起一個(gè)力的傳導(dǎo)作用。測(cè)試盒采用1 cm 厚鋼板按內(nèi)部?jī)艨臻L(zhǎng)20 cm、寬20 cm、高30 cm 的尺寸加工；為保證測(cè)試盒的強(qiáng)度，均采用1 cm 厚雙層鋼板拼接，接縫處用電焊焊接牢固。測(cè)試盒加工完成后，在該測(cè)試盒頂部開(kāi)設(shè)一個(gè)40 mm的圓孔，并焊接固定一個(gè)直徑為36 mm 的螺紋鋼作為工件固定的夾持點(diǎn)，底部開(kāi)設(shè)一個(gè)40 mm 的圓孔，保證張拉絲桿能在孔內(nèi)自由行進(jìn)，加工時(shí)要求測(cè)試盒頂部的孔位與底部孔位位于同一軸線(xiàn)上，并用36 mm的螺紋鋼加工一段15 cm長(zhǎng)的絲桿。扭矩測(cè)試盒式樣見(jiàn)圖1。

3 扭力扳手的率定

首先采用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的鋼筋?yuàn)A具將測(cè)試盒上部固定，再將絲桿通過(guò)測(cè)試盒底部圓孔用鋼筋?yuàn)A具固定，伸入測(cè)試盒內(nèi)的絲桿長(zhǎng)度控制在5 cm左右，并加裝鋼墊板，再將測(cè)試盒內(nèi)露出的自由段絲桿裝上螺母，通過(guò)擰動(dòng)螺母，將扭矩傳遞給萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，扭力扳手從150 N·m 開(kāi)始試驗(yàn)，一直試驗(yàn)至950 N·m，每次設(shè)定的扭矩增量為100 N·m，當(dāng)扭力扳手達(dá)到預(yù)設(shè)的扭矩時(shí)，記錄萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的張拉力值。如此進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取得3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性強(qiáng)，各次施加相同的扭矩，所測(cè)的各張拉力值偏差較小。率定結(jié)果見(jiàn)表1、圖2。

表1 扭力扳手扭矩與張拉力率定結(jié)果表

由圖2 可知，其線(xiàn)性回歸方程為y=0.1 692x+1.1 867，相關(guān)系數(shù)R為0.9 996，接近1，表明兩者擬合度高、相關(guān)性好。率定結(jié)果可以為主廠(chǎng)房預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉施工提供了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，各預(yù)應(yīng)力錨桿所需的張拉力可通過(guò)回歸方程計(jì)算扭力扳手的扭矩來(lái)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用在液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上張拉扭矩測(cè)試盒的方法進(jìn)行扭力扳手率定試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況一致，試驗(yàn)過(guò)程其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響小，是一種科學(xué)、可靠、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的測(cè)定方法。該方法率定扭力扳手具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、投入資源少、精度高等特點(diǎn)，可以推廣使用。