预应力锚杆扭力扳手率定试验

齐 宇

（中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310004）

0 引言

周宁抽水蓄能电站主厂房岩锚梁的部位布设了498根预应力锚杆，预应力锚杆的设计参数：岩锚梁上下各两排，设计吨位12 t，锚杆为10 m 长度Φ 36 mmⅢ级螺纹钢，排距3 m×1.5 m。目前预应力锚杆的张拉方法主要采用穿心式千斤顶、拉伸机、扭力扳手等机具进行施工。考虑到主厂房预应力锚杆外露仅10 cm，如采用穿心式千斤顶或拉伸机，需对锚杆进行接长处理，底部需加空心垫块。由于穿心式千斤顶及拉伸机较为笨重，现场固定困难，且螺母拧动不易，采用此方法，将大大降低工效，增加施工工期，影响到后续岩锚梁的浇筑施工。如采用扭力扳手进行张拉，施工工艺简单，人员投入少，且现场施工易于控制。经过综合比较，决定采用扭力扳手进行主厂房预应力锚杆的张拉施工。张拉前需要对采用扭力扳手进行率定，以寻找扭力扳手扭矩与其张拉力之间的对应关系。

1 扭力扳手率定方案的选定

根据国内目前类似工程施工经验来看，确定扭力扳手扭矩与预应力锚杆张拉力的对应关系一般采用以下3种方式。

1.1 试验室率定

根据国内类似工程施工情况，少数试验室采用锚杆测力计对扭力扳手进行扭矩与张拉力对应关系的率定，出具扭力扳手率定报告。优点是率定数值准确，可根据率定报告直接采用相关数值进行施工；缺点是无法判断试验工况是否接近现场实际施工工况，同时开展此项业务的试验室极少。

1.2 现场安装锚杆测力计进行率定试验

国内部分类似工程，采用在现场预应力锚杆上安装锚杆测力计进行生产性试验，设定扭力扳手数值后对锚杆进行张拉，然后读取相应的锚杆测力计数值，根据扭力扳手扭矩数值和相对应的锚杆测力计数值绘制线性关系。优点是率定数值准确，试验工况与现场实际施工工况一致；缺点是需单独采购锚杆测力计和测力读数仪，锚杆安装困难，试验测试可能影响现场正常施工。

1.3 综合采用经验公式和厂家推荐数值

锚杆预紧扭矩与其张拉力的关系经验公式为：

其中，

式中：M为锚杆预紧扭矩，N·m；T为张拉力，kN；k为比例系数；β为螺纹升角，与螺纹的形式、导程、杆径等因素有关；ρ为当量摩擦角，ρ=arctgf，f为当量摩擦系数，与螺纹形式、接触面、材料等有关；d为杆体直径，mm。

部分工程综合采用式（1）和扭力扳手厂家推荐数值，根据工程经验对比例系数k进行取值。优点是确定比例系数k值后即可直接进行施工；缺点是比例系数k是一个综合系数，包含了各个因素的影响，对确定锚杆预紧扭矩与张拉力之间的关系影响大，仅靠经验和厂家推荐数值进行取值，预应力锚杆施工质量控制困难，不推荐采用。

结合以上分析，对预应力锚杆张拉过程进行分析，根据施工工艺原理，制作与现场施工工艺类似的扭矩测试盒，通过扭力扳手施加扭矩对液压万能试验机产生的张拉力后显示的数据进行率定，以确定扭力扳手显示的扭矩与液压万能试验机显示的张拉力之间的对应关系。

2 扭力扳手率定影响因素分析及相应对策

试验设备确认后，对试验方法及试验过程进行分析，发现影响扭力扳手率定的因素主要有锚杆直径、螺距、螺母与丝杆摩擦阻力、螺母与钢垫板间的摩擦阻力等。为保证率定试验工作的顺利开展，确保率定试验的成果能有效指导现场施工，采用完全模拟现场锚杆的张拉方式来开展率定试验工作。试验所用的丝杆大小、螺距及螺母尺寸等试验工件与现场的预应力锚杆完全相同。扭矩测试盒由加工厂负责加工，扭矩测试盒主要由丝杆、螺母、钢垫板、盒状体等部件组成，其中核心扭矩测试盒主要起一个力的传导作用。测试盒采用1 cm 厚钢板按内部净空长20 cm、宽20 cm、高30 cm 的尺寸加工；为保证测试盒的强度，均采用1 cm 厚双层钢板拼接，接缝处用电焊焊接牢固。测试盒加工完成后，在该测试盒顶部开设一个40 mm的圆孔，并焊接固定一个直径为36 mm 的螺纹钢作为工件固定的夹持点，底部开设一个40 mm 的圆孔，保证张拉丝杆能在孔内自由行进，加工时要求测试盒顶部的孔位与底部孔位位于同一轴线上，并用36 mm的螺纹钢加工一段15 cm长的丝杆。扭矩测试盒式样见图1。

3 扭力扳手的率定

首先采用液压万能试验机的钢筋夹具将测试盒上部固定，再将丝杆通过测试盒底部圆孔用钢筋夹具固定，伸入测试盒内的丝杆长度控制在5 cm左右，并加装钢垫板，再将测试盒内露出的自由段丝杆装上螺母，通过拧动螺母，将扭矩传递给万能试验机，扭力扳手从150 N·m 开始试验，一直试验至950 N·m，每次设定的扭矩增量为100 N·m，当扭力扳手达到预设的扭矩时，记录万能试验机的张拉力值。如此进行3次重复试验，取得3组试验数据，经分析，3组试验数据相关性强，各次施加相同的扭矩，所测的各张拉力值偏差较小。率定结果见表1、图2。

表1 扭力扳手扭矩与张拉力率定结果表

由图2 可知，其线性回归方程为y=0.1 692x+1.1 867，相关系数R为0.9 996，接近1，表明两者拟合度高、相关性好。率定结果可以为主厂房预应力锚杆的张拉施工提供了基准数据，各预应力锚杆所需的张拉力可通过回归方程计算扭力扳手的扭矩来确定。

4 结语

本文采用在液压万能试验机上张拉扭矩测试盒的方法进行扭力扳手率定试验，试验过程与现场实际施工工况一致，试验过程其他因素对试验结果影响小，是一种科学、可靠、准确和经济简便的测定方法。该方法率定扭力扳手具有简单、实用、投入资源少、精度高等特点，可以推广使用。