自锁锚杆在铁塔基站中的运用研究

张旭宇 陈明亮 刘军 王志成

摘要：通信铁塔自锁锚杆的原理是在底部扩成锥形的锚孔内插入自锁锚杆，施加压力使锚杆张开自锁，形成一种快速、有效、耐热、耐水、不易老化的锚固技术[1]，自锁锚杆与传统锚杆相比占地面积较小、稳定性较高、造价成本相对较低。通过对自锁锚杆基础模型的受力分析，其在工作状态下，影响基础稳定主要有基础倾覆产生的拉拔力以及滑移所产生的剪切力。本文通过实验数据分析并结合地质勘查报告对自锁锚杆的破坏模式、设计计算方法、施工工艺和经济技术指标进行分析研究[2]，为以后在山区铁塔的基础建设及其它领域的工程项目的运用提供了理论参考依据。

关键词：锚杆组成；安全；经济；拉拔实验；有限元分析；运用

1、实验数据分析与对比

1.1 实验开展、数据采集

1.1.1锚杆结构

实验采用直径为32表面螺纹HRB400作为锚杆主体，入中风化岩层3m，出自然地坪0.6米，其材料规格指标详见表1-1。锚头材质为Q235，锚头由扩胀套筒，锥形体，铁丝组成。扩胀套筒内部新开螺纹与钢筋机械连接，端部有切槽，方便胀开与孔壁咬合；锥形体半插入锚头内，在自锁锚杆利用自重下降至岩层时，与岩层碰撞，锚头胀开直径加大，增加其与孔壁咬合力；锚头扩胀前后尺寸变化如图1-1所示。锚头材质属性详见表1-2。

1.1.2 现场实验加载装置

实验采用液压油泵并配合空心千斤顶对锚杆施加荷载，拉力由压力表控制，实验前油泵及压力表均已标定。图2-2为加载装置示意图；图2-3为加载装置实体图。

1.1.3自锁锚杆拉拔实验结果

根据《土层锚杆（索）技术规程》（CECS22-2005）[4]基本试验规定，进行极限抗拔试验，试验数量不应少于3根，抗拔安全系数取2.0，即设计抗拔值乘以抗拔安全系数为基本试验值。

本次自锁锚杆拉拔实验实验，我们选取了3根已完工并达到养护日期标准自锁锚杆，实验结果如下表1-3。

1.2 有限元分析

1.2.1有限元模型建立

采用abaqus静力通用软件建立模型并进行有限元分析，岩层定义中风化岩层等。另外为了方便观察锚头附近岩层及锚头应变，在网格划分时锚头附近比较密集。详见图2-4、2-5、2-6。

1.2.2分级加载后的变形、力学特性

在锚杆顶部施加拉力，加载等级为：500KN，600KN，700KN；分别观察其应力及位移云图，应力单位为Pa，位移单位为mm。

（1）当拉力为500KN时，自锁锚杆及岩层应力及位移云图如下：

从应力云图可以看出，当加载拔力为500KN时，此时自锁锚杆中扩胀套筒与钢筋所受应力大于套筒与钢筋连接处应力，且机械连接处应力主要集中在窄口附近区域。扩展套筒所受最大应力为7.15X108Pa，岩层与扩胀套筒接触部位为其受力区域，最大应力为1.02X108Pa.

从位移云图可以看出，自锁锚杆锚头与孔壁咬合可靠，没有竖向位移，钢筋与锚头连接处结合良好，竖向位移约为1.9X10-3m，岩层竖向位移区域位于与自锁锚头接触部分，最大向上位移约为3X10-5m，位于扩胀套筒接触区域。

（2）当拉力为600KN时，自锁锚杆及岩层应力及位移云图如下：

从应力云图可以看出，当加载拔力为600KN时，此时自锁锚杆中扩胀套筒与钢筋所受应力进一步增大，最大应力为6.73X109Pa且機械连接处应力出现应力集中现象.岩层与自锁锚杆接触区域应力也进一步增大，达到9.13X108Pa。

从位移云图可以看出，自锁锚杆锚头与孔壁咬合较为可靠，竖向位移为2X10-6m，钢筋与锚头连接处结合也较为良好，竖向位移约为2.9X10-3m，岩层竖向位移区域位于与自锁锚头接触部分，最大向上位移约为2.8X10-4m。

（3） 当拉力为700KN时，自锁锚杆及岩层应力及位移云图如下：

从应力云图可以看出，当加载拔力为700KN时，此时自锁锚杆中扩胀套筒与钢筋所受应力急剧下降，最大应力为1.15X103Pa，岩层与扩胀套筒接触部位为其受力区域，最大应力为9X102Pa。

通过现场试验研究与有限元数据模型对比可以得出，JYM830-32自锁锚杆可承受拔力极限值约为650KN。其受拔力与竖向位移曲线图如下：

2、自锁锚杆在铁塔基站中的运用研究

2.1自锁锚杆在铁塔基础中的应用

2.1.1 受力分析

根据查阅的相关资料以及实验当中锚杆的破坏形式和有限元的分析结果，自锁锚杆主要受力工况有两种：1.拉伸荷载作用；2.拉伸荷载、剪切荷载共同作用。如图2-1-1所示：

2.2 计算公式与规范条文

2.2.1抗拔验算

（1）单管塔类自锁锚杆基础抗拔验算；

根据《建筑地基基础设计规范》GB -50007-2002-8.6.2[6]可知：按荷载效应标准组合下，单根锚杆所承受的拔力大小可由下式计算：

通过上述公式计算可得单管塔类铁塔在荷载效应标准组合下单根锚杆所承受的拔力值，我们可将计算所得的拔力与相应锚固深度的单根自锁锚杆的抗拔承载力特征值比较，满足上述公式条件即可。

（2）三管塔、角钢塔自锁锚杆基础抗拔验算；

三管塔、角钢塔可以根据铁塔资料直接获得单个塔脚所需的总拔力值，因此我们基础抗拔验算时，首先初步确定相应锚杆直径、根数、锚固深度等参数，然后得出所有锚杆总的抗拔承载力特征值，再与单根塔脚拔力值相比较，最后通过比对选用最安全、经济、适用、合理的方案即可。

2.2.2 抗剪切验算

自锁锚杆所受的剪切力是因为基础滑移趋势产生的，这种工况为拉伸荷载、剪切荷载共同作用。因此，我们可以通过基础抗滑移验算来判断锚杆抗剪切是否满足要求。

根据《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》YD/T5131-2005-7.4.6[7]可知：相应于荷载效应基本组合时，基础的抗滑移稳定可由下式计算：

通过对上述公式的推导可得：

n-基础抗滑移所需要的锚杆根数；RV-锚杆钢筋的抗剪强度设计值；

其中RV可按《钢结构设计规范》GB50017-2003[8]中的表3.4.1-1取值，u可按《建筑地基基础设计规范》GB -50007-2002中表6.6.5-2取值。最后由推导后的公式可算出基础抗滑移所需自锁锚杆的最少根数，从而确保基础抗剪强度满足要求。

3、结论

3.1结论

（1）通过对自锁锚杆的实验和分析并与传统锚杆方案各方面进行对比，进一步确定了自锁锚杆在通信铁塔基站中运用的可行性、合理性，从而为以后铁塔基站的工程设计提供了理论依据。

（2）本文对自锁锚杆力学性能的研究分别进行了实验和有限元计算分析，发现计算结果与实验数据的实测值相似率达到了95%以上，表明了我們实验所测得的数据的科学性，因此我们可以认为本次实验所采集的数据成果具有很大的参考价值。具体参数详见表3-1

（3）自锁锚杆之所以相对传统锚杆抗拔承载力较高，正是因为锚杆端部锚头的物理锁定和浆料固结共同作用的结果，因此为了确保锚杆抗拔强度达到设计要求，施工时必须保证相应施工工艺标准。其中扩孔施工环节更为重要，对于钻头的型号和尺寸见图3-1-1、3-1-2。

（4）自锁锚杆除了在通信铁塔基站中的应用，还可以根据工程性质的不同来优化锚头形式、锚固深度、浆料材性、上部连接形式等，从而在其它工程领域中大展伸手，比如山区输电线路基础的应用、建筑结构物的改造加固和维修、建筑地下室底板抗浮设计等。

参考文献

[1]邓航、谭瑞山、彭斌. CFRP筋自锁锚杆的拉拔实验与分析[D]. 武汉： 2015. 23-28

[2]王向红、吴晓锋、赵贞欣. 自锁锚杆技术在输电线路基础中的应用[D]. 山西： 2013. 61-65

[3]李颖. 在拉剪组合作用下自锁锚杆锚固性能实验研究[D]. 武汉： 2004. 22-68

[4]CECS22-2005， 土层锚杆（索）技术规程[S].

[5]GB50011-2010， 建筑抗震设计规范[S].

[6]GB50007-2002， 建筑地基基础设计规范[S].

[7]YD/T 5131-2005， 移动通信工程钢塔桅结构设计规范[S].

[8]GB 50017—2003， 钢结构设计规范[S].