柳 勝，趙連剛，梁 旭，王 良

（武漢海潤(rùn)工程設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430084）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，為承受鋼橫梁端部的彎矩及抵抗豎向剪力，主塔鋼橫梁和混凝土塔柱通常采用錨桿進(jìn)行預(yù)緊連接。錨桿一端錨固在鋼橫梁端部的錨固牛腿上，另一端通過(guò)螺母錨固于混凝土塔柱內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)錨板上。在此工況下，高強(qiáng)錨桿及其組件將承受較大的工作載荷，一般可達(dá)1 500 kN以上[1]。因此，高強(qiáng)錨桿及其組件將具有較大的結(jié)構(gòu)尺寸。而此類錨桿組件的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可供參考；此外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝及檢修，目前大多采用螺紋連接的方法進(jìn)行錨固，但在普遍1 500 kN 的預(yù)緊力以及橋梁長(zhǎng)期微小位移與振動(dòng)的工作狀況下，經(jīng)常出現(xiàn)螺紋松動(dòng)及預(yù)緊力不足的問(wèn)題[2]。基于此，現(xiàn)開(kāi)展橋梁用高強(qiáng)錨桿組件的相關(guān)研究，對(duì)高強(qiáng)錨桿及其附屬組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高高強(qiáng)錨桿組件的結(jié)構(gòu)工藝性。

1 高強(qiáng)錨桿組件的設(shè)計(jì)與校核

1.1 高強(qiáng)錨桿組件基本結(jié)構(gòu)

一般情況下，高強(qiáng)度錨桿與螺母、墊圈配套使用，組成錨固系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝需要，一端為張拉端，在張拉端必須設(shè)置止退螺母，以提高張拉時(shí)錨桿的緊固可靠性；另一端為錨固端，在錨固端可不設(shè)置止退螺母[3]。此外，為了適應(yīng)橋梁用錨桿組件的偏載工作狀態(tài)、提高組件的預(yù)緊可靠性，設(shè)計(jì)采用球面螺母結(jié)構(gòu)形式，以增大螺母和墊片的接觸面積，減少應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)的高強(qiáng)錨桿組件整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 錨桿組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 高強(qiáng)錨桿的設(shè)計(jì)與校核

1.2.1 高強(qiáng)錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高強(qiáng)錨桿是中間為光桿、兩端為螺紋的細(xì)長(zhǎng)桿件。螺紋部分公稱直徑與光桿部分直徑相當(dāng)。光桿部分長(zhǎng)度可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整，螺紋部分長(zhǎng)度需結(jié)合螺母及墊圈考慮，安裝后螺紋外露長(zhǎng)度需大于5～10 倍螺紋螺距[4]，便于安裝時(shí)進(jìn)行張拉。加工成型的高強(qiáng)錨桿機(jī)械性能需達(dá)到10.9 級(jí)以上。

錨桿螺紋從加工及性能上考慮通常采用三角形螺紋，高強(qiáng)錨桿的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 錨桿結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 高強(qiáng)錨桿光桿部分強(qiáng)度校核

光桿部分拉力載荷Fm（光桿部分）為：

式中：φ 為高強(qiáng)錨桿光桿直徑，mm；Rm為材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

光桿部分保證載荷FP（光桿部分）為：

式中：ReL為材料屈服強(qiáng)度，MPa。

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)該滿足：

式中：F 為高強(qiáng)錨桿設(shè)計(jì)載荷，N。

1.2.3 高強(qiáng)錨桿螺紋部分強(qiáng)度校核

錨桿螺紋部分保證載荷FP（螺紋部分）為：

式中：As，公稱為螺紋公稱應(yīng)力截面積，mm2；SP為螺紋保證應(yīng)力，MPa，數(shù)值可參考GB/T3098.1。

而三角形螺紋公稱應(yīng)力截面積As，公稱為：

式中：d2為外螺紋基本中徑，mm；d3為外螺紋小徑，mm。

拉力載荷Fm（螺紋部分）為：

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)滿足：

1.2.4 螺紋部分切應(yīng)力校核

對(duì)內(nèi)螺紋而言，其切應(yīng)力截面積Ats為：

式中：lt為螺紋旋合部分長(zhǎng)度，mm，可近似取值為螺母厚度；D1為內(nèi)螺紋的基本小徑，mm。

對(duì)外螺紋而言，其切應(yīng)力截面積Ares為：

式中：d1為外螺紋的基本小徑，mm。

對(duì)高強(qiáng)錨桿而言，設(shè)計(jì)剪切應(yīng)力τ 為：

若考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)滿足：

1.3 球面螺母的設(shè)計(jì)與校核

1.3.1 球面螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球面螺母設(shè)計(jì)成一端球面、一端平面的結(jié)構(gòu)?？紤]到偏載工況的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，球面球徑SR 一般為螺母外徑dw 的1.5～2.8 倍[5]。同時(shí)，為了滿足張拉及起吊需求，在側(cè)面設(shè)計(jì)了專用螺紋孔，球面螺母結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 球面螺母結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 球面螺母強(qiáng)度校核

球面螺母的保證載荷FP（螺母）為：

式中：SP（螺母）為螺母保證應(yīng)力，MPa，數(shù)值可參考GB/T 3098.2 的規(guī)定。

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)該滿足：

球面螺母剪切強(qiáng)度τP（螺母）為：

螺母螺紋為內(nèi)螺紋，螺母剪切應(yīng)力τ（螺母）為：

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)該滿足：

球面螺母面壓σ（螺母）為：

式中：Ab1為球面部分承壓面積，mm2。

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)該滿足：

式中：σs（螺母）為球面螺母材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

1.4 球面墊圈的設(shè)計(jì)與校核

1.4.1 球面墊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球面墊圈與球面螺母配合，一端為凹球面，一端為平面[6]，結(jié)構(gòu)外形一般如圖4 所示。

圖4 球面墊圈結(jié)構(gòu)圖

圖4 中，E1的尺寸根據(jù)選定的螺紋直徑尺寸，參考國(guó)標(biāo)GB/T 5277 來(lái)選定，一般選擇中等裝配或者粗裝配系列尺寸；SR 尺寸與配合的球面螺母尺寸一致。

1.4.2 球面墊圈強(qiáng)度校核

球面墊圈面壓σ（墊圈）為：

考慮安全系數(shù)[s]，應(yīng)該滿足：

式中：σs（墊圈）為墊圈材料屈服強(qiáng)度，MPa。

1.5 止退螺母的設(shè)計(jì)與校核

當(dāng)螺紋規(guī)格M≤64 時(shí)，可按GB/T6172.1 的尺寸設(shè)計(jì)。

當(dāng)螺紋規(guī)格M＞64 時(shí)，厚度m1=0.6～0.8 M，其他尺寸按GB/T6172.1 設(shè)計(jì)。螺母?jìng)?cè)邊需設(shè)置吊裝及張拉擰緊用螺紋孔。

止退螺母結(jié)構(gòu)尺寸如圖5 所示。

圖5 止退螺母結(jié)構(gòu)圖

止退螺母按球面螺母方式進(jìn)行保證載荷及剪切強(qiáng)度校核即可。

2 高強(qiáng)錨桿組件工程算例

根據(jù)某斜拉橋工程設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)鋼橫梁和塔柱的連接，需要工作載荷分別為1 500 kN、1 200 kN、800 kN 的錨桿系列組件，根據(jù)前文設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行高強(qiáng)錨桿的工程實(shí)例設(shè)計(jì)，高強(qiáng)錨桿組件的材料及相關(guān)強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1 所列。

表1 高強(qiáng)錨桿組件材料及強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

當(dāng)設(shè)計(jì)載荷為1 500 kN 時(shí)，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

2.1 高強(qiáng)錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)式（3），可得錨桿光桿部分直徑φ 為：

根據(jù)普通三角形螺紋的尺寸關(guān)系，螺紋基本中徑和螺紋小徑可通過(guò)螺紋基本大徑和螺距來(lái)表示，一般基本尺寸大于60 mm 時(shí)取螺距P 為6 mm，那么經(jīng)過(guò)變換后錨桿螺紋部分的尺寸M 為：

由于錨桿光桿部分和螺紋部分的尺寸應(yīng)當(dāng)一致，參考螺紋尺寸系列，綜合考慮后選定錨桿光桿部分直徑φ 為85 mm，螺紋尺寸M 為85 mm，外螺紋基本小徑d1為78.5 mm。

為確定螺紋旋合長(zhǎng)度，根據(jù)式（11）可得：

因此，螺紋部分旋合長(zhǎng)度至少需達(dá)到38.4 mm，錨桿光桿部分長(zhǎng)度可根據(jù)工程需要及安裝尺寸調(diào)整，螺紋部分長(zhǎng)度L1可根據(jù)螺母及墊圈尺寸再次修正。

2.2 球面螺母設(shè)計(jì)計(jì)算

球面螺母需與錨桿螺紋部分配合，因此其M 為85 mm，內(nèi)螺紋基本小徑D1為78.5 mm，保證應(yīng)力校核后滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)式（16）可得：

在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)行螺母尺寸設(shè)計(jì)，最終螺母厚度m 為200 mm，螺母外圓dw 為240 mm，球徑SR為360 mm（取外圓直徑的1.5 倍），螺母?jìng)?cè)面張拉及吊裝螺紋孔M1為18 mm。

2.3 球面墊圈設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)GB/T5277，選擇中等裝配，則與M 配合的墊圈尺寸E1為91 mm，球面尺寸SR 與球面螺母一致，根據(jù)式（19），可得E2為：

取整后E 為255 mm。

球面墊圈厚度H 為：

球面墊圈與球面螺母選擇相同的材料，校核后強(qiáng)度滿足要求。

2.4 止退螺母設(shè)計(jì)計(jì)算

止退螺母外形尺寸dw 與球面螺母一致，螺母厚度m1 取0.6 倍M，取整后尺寸為：

止退螺母保證應(yīng)力及面壓與球面螺母一致，而螺母旋合長(zhǎng)度m1＞40.5 mm，因此止退螺母強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮球面螺母、球面墊圈、止退螺母的厚度尺寸，保證裝配后螺紋外露5～10 倍螺紋螺距，則錨桿螺紋部分尺寸L1為380 mm。

按同樣的計(jì)算步驟，可以完成設(shè)計(jì)載荷為1 200 kN、800 kN 系列高強(qiáng)錨桿組件的設(shè)計(jì)計(jì)算，在此不再贅述，共完成M85、M76、M64 三種尺寸系列的高強(qiáng)錨桿設(shè)計(jì)，詳細(xì)尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表2 所列。

表2 高強(qiáng)錨桿組件尺寸系列表 單位：mm

3 高強(qiáng)錨桿組件試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)安裝高強(qiáng)錨桿組件時(shí)，為了填補(bǔ)錨桿由于混凝土縮變及錨桿張拉等所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，錨桿采用分級(jí)張拉錨固工藝進(jìn)行張拉[7]。為驗(yàn)證錨桿組件的設(shè)計(jì)可靠性并滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，每種規(guī)格型號(hào)的錨桿組件制造出廠前，必須抽取實(shí)物進(jìn)行靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)必須采用專用工裝，沿螺母軸線施加載荷。首先張拉到設(shè)計(jì)載荷的10%，然后分級(jí)加載至設(shè)計(jì)載荷的50%、75%、100%、150%。每級(jí)加載后保壓3 min，卸載錨固[8]。分別測(cè)量記錄伸長(zhǎng)量，滿足以下條件即為合格：

（1）試驗(yàn)前后試件無(wú)明顯變形，高強(qiáng)錨桿總長(zhǎng)度允許存在12.5 μm 的測(cè)量誤差；

（2）螺母、高強(qiáng)錨桿可順利旋合；

（3）高強(qiáng)錨桿、螺母、球面墊圈按照J(rèn)B/T 4730 要求進(jìn)行磁粉探傷，II 級(jí)驗(yàn)收合格。

圖6 為錨桿靜載試驗(yàn)工裝圖。主夾具及輔助墊板使用混凝土澆筑固定，中間設(shè)置支撐板以支撐高強(qiáng)錨桿，可換墊板設(shè)置有不同的內(nèi)徑尺寸以安裝高強(qiáng)錨桿，將高強(qiáng)錨桿及球面螺母、墊片安裝擰緊后，采用液壓拉伸器逐級(jí)施加試驗(yàn)載荷，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 錨桿靜載試驗(yàn)工裝示意圖

錨桿實(shí)物經(jīng)靜載試驗(yàn)后，螺母、高強(qiáng)錨桿可順利旋合拆卸。試驗(yàn)前后高強(qiáng)錨桿長(zhǎng)度測(cè)量差值均在12.5 μm 之內(nèi)，經(jīng)過(guò)磁粉探傷，滿足II 級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的高強(qiáng)錨桿組件滿足設(shè)計(jì)要求，可在工程實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)橋梁用高強(qiáng)錨桿組件進(jìn)行試驗(yàn)研究，完成了高強(qiáng)錨桿、球面螺母、球面墊片、止退螺母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，從而提供了一種可靠的高強(qiáng)錨桿組件設(shè)計(jì)方案。結(jié)合國(guó)內(nèi)某斜拉橋工程施工的需要，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，完成了螺紋規(guī)格M85、設(shè)計(jì)載荷1 500 kN，螺紋規(guī)格M76、設(shè)計(jì)載荷1 200 kN，螺紋規(guī)格M64、設(shè)計(jì)載荷800 kN 等三種尺寸系列的高強(qiáng)錨桿組件的設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)過(guò)分級(jí)張拉錨固工藝進(jìn)行靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的高強(qiáng)錨桿組件滿足設(shè)計(jì)及使用要求，并在國(guó)內(nèi)某斜拉橋項(xiàng)目得到工程應(yīng)用。