２０１７年０３月第０３期 １）ＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．（、ｎｋｉ．（‘ｓｄｑｙｆｈ．２０１７．０３．０６７ 城市道桥与防洪 相关专业２４１ 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，广两柳州５４５００５） 摘 要：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没汁的锚具结构．．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，另外也可以解决扎索往拱桥吊杆中的特殊Ｔ程需求 关键词：优化设计；锚头结构；锚固性能；高应力幅；特殊吊索 中图分类号：Ｕ４４３．３８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—７７ｌ６（２０１７）０３—０２４１—０４ 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 图１锚固套挤弯 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Ｔ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 桥梁丁程的快速发展，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ｍ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” Ｉ。 （２）锚固区域抗疲劳改进 图２锚固套表面开裂 ２锚头存在问题 主要有以下几个改进点： （１）锚同套在挤压过程中容易ｍ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 外螺纹，增加报废率。 由于锚同套采用整体挤压握裹的锚固方式，在 锚同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＿［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 锚固套在挤压是发生弯曲，如果操作＿１二人无 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。 收稿日期：２０１６一ｌ２－２１ 作者简介：朱元（１９８５一），男，汀两古安人， 程师，从事机械工 程制造］ 作 图３容易发生疲劳破坏点 ２４２相关专业 城市道桥与防洪 ２０１７年０３月第Ｏ３期 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。 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 （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。 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）。 （图中角度ａ是针对ｂ进行优化设计，Ａ为对中导向段） 图５锚固套改进对比 其中Ａ为锚固套基本外圆尺寸，Ｂ为径向加大的挤压量 ｃ为导向对中段。 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 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。 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。 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 ｃ．（其中１为中心丝墩头、３为锚固套、５为辅助锚固套、６为环氧浆） 图６改进型锚固区结构 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。 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。 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 （２）试验样品ｌ：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。 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 （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。 ２０ｌ７年０３月第０３期 城市道桥与防洪 相关专业２４３ ／：．． ｌ ｉ 图１０ ＧＪ１５—１９型减短型锚固套静载 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 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 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， ２９５ ＩＴｌｍ）；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。 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。 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。 锥套抗滑对比试验见表１。 表１锥套抗滑对比试验 同样采用缩短锚同长度，而增加锥套和钢绞 线中心丝墩头进行了静载锚同试验论证，见图１ １。 钢绞线 锚固套 配件 最大力，ｋＮ锚 萋率备注 图１１钢绞线中心丝锥套＋墩头 ５．２缩短锚固套夹持性能论证 试验对ＧＪｌ５—７型（见图８、图９）和ＧＪｌ５—１９ 试验样品ｌ：一端１９孔锚同套（见图１２），总 长度２３０ ｍｍ（原总长３６０ ｉ／ｌｍ），其中短锚同长度 型（见图ｌ０）挤压锚固套进行了优化设计，并采崩 ４度锥套替换３度锥套进行了静载试验沦证。 约ｌ８５ 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８缩短型ＧＪ１５—７锚固套 图１２ ２３０ ｍｍ和２８０ ｍｍ １９孑Ｌ锚头 试验样品２：一端ｌ９孑Ｌ锚同套，总长度２８０ ｍｍ 图９减短型ＧＪ１５－７型锚固套静载试验 （原总长３６０ ｍｍ），其中短锚固长度约２３５ ｒａｍ（原 ２４４相关专业 城市道桥与防洪 ２０１７年Ｏ３月第０３期 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 试验 试验力上峰值：１７５７．４ｋＮ 条件 试验力下峰值：１１２７３ｋＮ ．试验频率：５．０００ 试验次数：２００１２６３ ｌ 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。 ≈瑚 ｐ ， 典型 ｄ ≮姗 、薏蚺． ： 一｛ ： ＇： ｎ一 一： ： ｌ ｝一－一０… 瑚聋 鲫女 ‘ 试验 ｛ 船誊 争 曲线 ７誊●Ｓ＾基 ８ ０ ： ＿ ０ ～ ．： ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １ 备注 疲劳试验应力上限为０４５Ｆ，应力幅３００ＭＰａ，应力循环２００万次 评定 ５．３拉索抗高应力幅疲劳试验论证 部分试验曲线图 图１３部分试验曲线图 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 １５．２４ ｍｍ的环氧涂层无粘结钢绞线。 试验要求：按照应力上限０．４５ｆ￣，ｋ，应力幅３００ ＭＰａ， 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人式结构； 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。 通过试验证明，采用以上的优化改进措施，可 套、钢绞线中心丝墩头措施）ｇ…ｕ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 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。 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。 参考文献： 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］苏韩，雷欢，黄颖，．基于梁底有限高要求的旧桥换索方案研究【Ｊｊ． 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【ＪＪ＿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． （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 样品编号 检测项目 ［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】． 表２ ＧＪ１５—１５孔３００ＭＰａ疲劳数据 标准要求 实测结果 单项判断