钢绞线挤压锚固夹持结构的优化研究

朱 元,秦 浩,韦耀淋,苏 韩

（柳州欧维姆机械股份有限公司,广西 柳州 545005）

钢绞线挤压锚固夹持结构的优化研究

朱 元,秦 浩,韦耀淋,苏 韩

（柳州欧维姆机械股份有限公司,广西 柳州 545005）

该研究主要是为解决产品的优化升级，同时为满足一些对锚头外露量有限高要求的特殊吊索而设计的锚具结构。通过对锚头结构的优化设计，在满足其可靠的锚固性能的同时，又可以实现产品的成本节约、提高生产质量，甚至可以提升拉索满足高应力幅受力状态下的承载要求，另外也可以解决拉索在拱桥吊杆中的特殊工程需求。

优化设计；锚头结构；锚固性能；高应力幅；特殊吊索

1 基本阐述

钢绞线整束挤压拉索体系成功的开发，开辟了拱桥吊杆设计运用的新世界。该结构的锚头结构短小紧凑特性，解决了拱桥梁体在满足桥体受力同时又实现结构优化设计的矛盾，并在一些旧桥换索领域发挥了其优越的性能。但是由于锚固套是采用整体挤压握裹的方式，锚头太长或者操作不当容易发生弯曲，导致产品破坏或者影响产品质量稳定的可能。另外在旧桥换索或者拱桥吊杆设计运用中，有些工况对锚头的外露景观效果有特色要求，不允许锚头外露在拱顶或梁底。随着桥梁工程的快速发展，基础设计建设也在向大跨度、大结构方向挺进。随之带来的是对桥梁结构及拉索受力提出了新的挑战，甚至提出了一些高应力幅、重载受力拉索，因此针对这些情况，我们需要对对锚固结构进行优化设计[1-5]。

2 锚头存在问题

主要有以下几个改进点：

（1）锚固套在挤压过程中容易出现弯曲、开裂的现象，见图1、图2。

锚固套太长，挤压后导致弯曲直接影响锚固夹持性能，无法加工外螺纹，增加报废率。

锚固套在挤压是发生弯曲，如果操作工人无法预见的情况下，强行挤压后就容易发生锚头表面被撕裂、拉伤的质量隐患。

图1 锚固套挤弯

图2 锚固套表面开裂

（2）锚固区域抗疲劳改进

由于锚固套采用整体挤压握裹的锚固方式，在锚固套前端夹持处容易发生应力过度集中，密封段剥除PE的钢绞线产生振动摩擦，尤其是在对拉索提出高应力幅设计要求的工况下，锚固区域很容易发生疲劳破坏，从而影响拉索寿命及整体性能，见图3。

图3 容易发生疲劳破坏点

3 锚固夹持优化设计分析

针对以上的分析，需要对锚固区域进行优化设计分析，提出了以下几个方面进行改进。

（1）针对锚固套弯曲采取措施

锚固套弯曲主要原因是锚固套设计太长，其次是挤压对中同轴度不好导致。因此可以采取减短锚固长度，将锚固套的径向挤压力加大，并在锚固套前端设计导向对中结构。

锚固套的改进结构对比见图4。

图4 锚固套改进结构对比

（2）对提高锚固效率的关键在于增大钢绞线所受的摩擦力，通过对挤压锚固钢绞线拉索结构进行分析认为，有效增大钢绞线与锚固套间的摩擦力有下几种方式：

a.在锚固套挤压时，在钢绞线端面设置楔形锥套，使钢绞线形成膨胀效果端部抗滑。

b.对钢绞线表面进行咬齿，增加与锚固套孔的摩擦。

c.加大锚固套内部孔间距的开槽宽度来实现挤压握裹应力的释放，从而实现挤压锚固效果得到提升，满足夹持效果。

d.在钢绞线端部对钢绞线中心丝进行墩头处理。

4 高疲劳应力幅下的锚固区域设计

目前在某些特殊工程提出了300 MPa的动载应力幅，而拉索的疲劳性能主要取决于锚固区域的夹持段疲劳稳定性和钢绞线母材的疲劳，由于钢绞线是市场上非常成熟的、质量可靠的且大量验证过的材料，本次研究主要针对锚固夹持段的研究改进。

首先对拉索锚固区域的夹持结构进行了变更设计，以便更好的提高拉索疲劳稳定性。

为了减少锚固套的挤压应力问题，对挤压段进行了优化改进，通过小角度缓慢挤压引导的方式，使得挤压力慢慢增加，不至于让挤压应力一开始就集中在锚固套最前端出口处形成疲劳剪切现象。另外在前端设计了一段直线对中引导过度，可以起到防止挤压前无法对中挤偏。改进前后的锚固套见图5（以GJ15-19型为例）。

图5 锚固套改进对比

其次是增加一截辅助锚固区，增加对剥除PE段钢绞线的握裹稳定性。

第三个改进地方就是对锚固密封区域灌注密实性较好的环氧固化浆。

拉索锚固区域示意见图6。

图6 改进型锚固区结构

5 试验论证研究

5.1 改进型4度锥套作用的验证

（1）试验目的：验证中心丝4度锥套所能承受的极限力，见图7。

（2）试验样品1：7孔的锚固套作为固定端，7根环氧喷涂钢绞线穿过锚固套内孔（锚固套未经挤压）并在每根钢绞线的中心丝安装4度锥套，夹片作为张拉端。

（3）试验样品2：7孔的锚固套作为固定端，7根环氧喷涂钢绞线穿过锚固套内孔（锚固套未经挤压）并在每根钢绞线的中心丝安装3度锥套，夹片作为张拉端。

图7 4度锥套抗滑论证

（4）试验结果1：锚具效率系数约为43.9%，失效型式：钢绞线整体滑脱。

（5）试验结果2：锚具效率系数约为30.5%，失效型式：钢绞线整体滑脱。

（6）试验结论：在锚固套不进行挤压的情况下，只在钢绞线中心丝安装锥套并经过墩头后进行静载对比试验，通过试验证明4度锥套相对3度锥套具有很好的辅助抗滑锚固效果。

锥套抗滑对比试验见表1。

表1 锥套抗滑对比试验

5.2 缩短锚固套夹持性能论证

试验对GJ15-7型（见图8、图9）和GJ15-19型（见图10）挤压锚固套进行了优化设计，并采用4度锥套替换3度锥套进行了静载试验论证。

图8 缩短型GJ15-7锚固套

图9 减短型GJ15-7型锚固套静载试验

图10 GJ15-19型减短型锚固套静载

试验样品：一端7孔锚固套，总长度170 mm（原总长310 mm），其中锚固长度约155 mm（原295 mm）；另一端常规7孔夹片锚；单丝环氧钢绞线成品索体。

试验结果：锚具效率系数约为91%，延伸率约为1.25%，失效型式：中心钢绞线滑脱。

试验结论：在减少近一半锚固长度的情况下，其锚具效率系数仍达约91%。

由此结论可以看出，锚固套具有很大的优化空间。

同样采用缩短锚固长度，而增加锥套和钢绞线中心丝墩头进行了静载锚固试验论证，见图11。

图11 钢绞线中心丝锥套+墩头

试验样品1：一端19孔锚固套（见图12），总长度230 mm（原总长360 mm），其中短锚固长度约185 mm（原315 mm）；另一端常规7孔夹片锚；单丝环氧钢绞线成品索体。

图12 230 mm和280 mm 19孔锚头

试验样品2：一端19孔锚固套，总长度280 mm（原总长360 mm），其中短锚固长度约235 mm（原315 mm）；另一端常规7孔夹片锚；单丝环氧钢绞线成品索体。

试验结果1：锚具效率系数约为96.3%，延伸率约为1.8%，失效型式：中心钢绞线滑脱。

试验结果2：锚具效率系数约为99.2%，延伸率约为3.1%，失效型式：钢绞线断丝。

通过以上试验研究和论证可以证明，通过采用改进型锥套和钢丝墩头工艺，可以将锚固套进行优化减短30%左右，从而可以避免锚固套挤弯的缺陷，保证了产品质量，也节约了制作成本，提高工作效率。

5.3 拉索抗高应力幅疲劳试验论证

本次试验主要是验证如何提高拉索抗高应力幅疲劳的性能，试验样品采用了GJ15-15型钢绞线整束挤压拉索，钢绞线采用 1 860 MPa级φ15.24 mm的环氧涂层无粘结钢绞线。

试验要求：按照应力上限0.45fptk，应力幅300MPa，200万次的疲劳试验

根据以上提出的锚固区改进方案和改进锚固套的结构这几项措施进行了验证。

第一、锚固套外形采用斜角导入式结构；

第二、增加内锥形辅助装置；

第三、灌注常温固化环氧浆进行密封。

部分试验曲线见图13，GJ15-15孔300MPa疲劳数据见表2。

表2 GJ15-15孔300MPa疲劳数据

图13 部分试验曲线图

通过试验证明，采用以上的优化改进措施，可以大大提高拉索的抗疲劳性能，并能够 满足高应力幅拉索的设计需求。

6 结论

通过以上提出的各种优化改进的方案并经过对比试验验证可以分析出影响挤压锚固钢绞线拉索锚具锚固性能和疲劳性能的因素主要有以下几点：

（1）如何提高钢绞线与锚固套的接触摩擦力，及提高钢绞线表面的摩擦系数；

（2）通过增加钢绞线端部膨胀的角度(采用锥套、钢绞线中心丝墩头措施)能提高钢绞线的抗滑锚固效率系数；

（3）通过设置锚固套孔与孔间的开槽和改进锚固套挤压前端的引导对中结构设计，可以有效的避免挤压应力过度集中，提升钢绞线的疲劳锚固性能；

（4）通过增加延长锚固辅助装置，灌注具有握裹密封性能较好的环氧浆材料，可以实现提升拉索在高应力幅状态下的疲劳受力。

通过采用4度锥套、钢绞线中心丝墩头和对锚固套对中引导设计，可以实现优化缩短挤压锚固长度，避免挤压弯曲的缺陷，同时也解决了对于锚头长度有限制的空间需求，也有利于锚固套材料的成本节约和降低加工难度。

[1]苏韩,雷欢,黄颖,.基于梁底有限高要求的旧桥换索方案研究[J].预应力技术,2016(3):31-34.

[2]汪双炎,党志杰.大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具研究[J].桥梁建设,2002(3):14-16.

[3]翁辉,徐健.长兴港大桥维修加固工程吊杆更换设计[J].西南公路,2013(4):124-126.

[4]黄颖,朱万旭,杨帆,等.钢绞线整束挤压式拉索锚具抗滑性能的试验研究[J].建筑技术开发,2008,35(增刊):427-429.

[5]JT/T850-2013,挤压锚固钢绞线拉索[S].

U443.38

A

1009-7716（2017）03-0241-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.067

2016-12-21

朱元（1985-），男，江西吉安人，工程师，从事机械工程制造工作。