不同锚具锚固高强钢绞线性能的分析

2020-04-30程佳佳何明胜李玉成王京陈立福

石河子大学学报（自然科学版） 2020年2期

程佳佳，何明胜，李玉成，王京，陈立福

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003)

近年来，高强钢绞线体外加固得到科研工作者的广泛研究[1-8]。实验研究表明，高强钢绞线作为体外加固的一种方式，可以明显提升试验构件的承载力与变形能力，同时高强钢绞线耐火性能好、强度高、安全可靠度高等因素，在工程加固领域得到大量应用[9-11]。其中，郭子雄[12]采用闭合预应力钢丝绳且未抹聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁，试验结果表明，该加固方式有效提高了RC梁变形能力与抗剪承载能力，但从试验现象发现，加固所使用的闭合钢丝绳断裂基本发生在锚具处与梁的倒角处。由于钢绞线加固试验研究多数会在外围抹上聚合砂浆，试验结果不宜分析钢绞线的破坏形态，因此该加固体系的薄弱点很难判定[13-15]。经查阅相关研究文献，归纳出目前钢绞线张拉过程与锚具性能研究存在以下问题：一是许多研究结果均表明高强钢绞线体外加固是一种有效的加固方式，但相关研究中几乎未涉及与钢绞线端头连接的锚具装置；二是为满足钢绞线与钢绞线网加固施工所需的预应力值，尚无对该加固方式下张拉控制方式选择的研究；三是钢绞线加固体系张拉计算公式推导研究较少。

针对以上问题，本研究课题组将试验分成2个阶段进行，第1阶段在自主设计的张拉试验机上通过控制锚具的种类和数量对制作的试件进行张拉试验，研究不同锚具对钢绞线锚固性能的影响，第2阶段是通过试验模拟工程实际的张拉过程，选择合理的张拉控制方式。

1 试验概况

1.1 锚具的选择

研究已验证了高强钢绞线网与聚合物砂浆协同加固技术加固方式的有效性，同时，该技术在建筑工程中得到了应用，但施工中出现的不同锚具差异性，现阶段缺乏相关的对比试验研究。为了给该加固选择合适的锚固构件，充分发挥钢绞线的抗拉强度，试验选用以下3种常用的锚具进行试验，如图1所示。

图1 不同的钢绞线锚具

1.2 试件的制作

根据钢绞线规格选择锚具的大小。先将钢绞线的一端穿过配套的吊环活节螺栓，再用锚具锚固钢绞线的弯折处，使得钢绞线与活节螺栓形成一个整体，最后将钢绞线的另一端以相同的操作方式与拉压传感器连接。

试验采用6×7+IWS型镀锌钢绞线，钢绞线直径D=4.5 mm,横截面面积A=9.62 mm2,钢绞线能承受的最大拉力Ft=16.1 kN(表1),钢绞线穿过活节螺栓处的弯折长度为80 mm。

表1 钢绞线的力学性能

1.3 试验的设计

试验共对50组试件进行同等速率的张拉，研究的变量包括锚具的种类、数量和垫片的类型、数量。先将制作好的试件安装在自主设计的张拉装置上，再把活节螺栓穿过60 mm厚钢板中，用手拧螺母使其初步拉紧，如图2所示。试验使用力矩扳手连接套筒拧活节螺栓的螺母，力矩控制增量为每级1 N·m，力矩扳手旋转速度缓慢直至钢绞线断裂。试件另一段与拉压传感器相连接，并由进口的TDS数据采集箱采集钢绞线实时承受的拉力大小。

试验主要采集的数据有随着力矩的每级增加钢绞线承受力值大小的变化、钢绞线断裂前的峰值荷载、试件的破坏形态。

图2 钢绞线张拉试验现场

1.4 铝扣挤压方式的选择

试验中对铝扣的挤压采用横向、竖向2种挤压方式。试验结果显示，采用横向挤压时可以将钢绞线固定住，但横向挤压方式下的椭圆型铝扣出现了多组脱扣现象。试验采用竖向挤压铝扣时，进行张拉试验的试件未出现脱扣现象。说明挤压铝扣采用横向挤压方式其失效概率要比竖向挤压方式大。从安全储备的角度来看，竖向挤压铝扣要比横向挤压更好。因此,后续的试件制作过程中对铝扣统一采用竖向挤压方式。

2 试验破坏形态及分析

3种不同锚具制作的试件，依据锚具的种类和数量进行编号，其中a为八字型铝扣，b为椭圆型铝扣，c为玛钢卡扣，字母后的第1个数字代表钢绞线弯折处锚具的数量，最后一个数字代表对应锚具组别的试件编号。图3、图4及图5为各组试件的试验现象与破坏模式，据此分析试件的试验现象和破坏形态。

2.1 八字型铝扣试件破坏形态及分析

使用力矩扳手缓慢的拧螺母，当力矩值在0～2 N·m之间时，力值上升缓慢，试件的伸长变形较大。该阶段属于初拉紧阶段，主要克服钢绞线两端的弯折变形。力矩值达2 N·m后，试件承受的力值的增速随着力矩扳手的旋转加快。钢绞线弯折处安放1个八字铝扣的4组试件中，如图3a所示，除了第1组试件a-1-1钢绞线在活节螺栓孔眼处发生断裂，极限承载能力达到14.1 kN，其余3组均在铝扣处发生断裂，试件极限抗拉强度都在13.3 kN附近。弯折处安装2个八字型铝扣，试验现象与安装一个铝扣的现象相近，4组试件中a-2-2极限抗拉强度同样达到14.1 kN，钢绞线在活节螺栓孔眼处发生断裂，剩下3组试件在铝扣处断裂，如图3b所示。试件断裂大多都发生在铝扣附近，说明挤压铝扣对钢绞线有损伤，使得铝扣附近成为试件的薄弱点。

图3 八字型铝扣破坏现象

2.2 椭圆型铝扣试验现象及分析

结果见图4。

图4 椭圆型铝扣破形态

由图4可见：椭圆型铝扣钢绞线弯折处设置1个铝扣时，b-1-1试件在孔眼处发生断裂，且其极限抗拉强度达到14.2 kN。剩余3组试件极限抗拉强度均未超过14 kN，断裂均发生在铝扣处，如图4a所示。弯折处安放2个椭圆型铝扣时，4组试件的极限抗拉强度均徘徊在13 kN附近，数值浮动在0.1 kN以内，断裂均发生在挤压的铝扣处，试验现象见图2b。结合八字型铝扣的试验现象说明，采用竖向挤压铝扣的方式，钢绞线弯折处只需设置1个铝扣，其安全储备足以满足该规格的钢绞线施工要求，且锚固性能可靠。

2.3 U型玛钢卡头试验现象

对U型玛钢卡头前期进行试验时，发现试件出现了脱扣现象，而且极限承载力在10 kN附近。后期试件制作时，试验组将U型卡头用力拧紧，结果发现试件的断裂全部发生在U型玛钢卡头处，同时依然存在脱扣现象，试件的极限抗拉强度达到9.5 kN附近便发生断裂(图5a)。对采用双U型玛钢卡头制作的试件，有2组极限抗拉强度低于9 kN，同样存在脱扣现象(图5b)。表明对于U型玛钢卡头而言，安装的数量越多，反而对钢绞线的损伤越严重。U型玛钢卡头的所有试件极限承载能力均在10 kN附近，因此，从试验现象可知2种铝扣的性能要优于U型玛钢卡头。

图5 U型玛钢卡头破坏形态

3 锚具性能试验结果及数据分析

不同锚具控制下各组试件的试验结果统计见表2，其中Fu表示试件整体的极限承载能力。

力矩值每增加1 N·m，数据采集器记录一次力值。试验将同种锚固构件和数量的试件作为一组实验数据，通过实验数据绘制出力—力矩曲线，结果如图6所示。

表2 试件的参数与结果

图6 力与力矩曲线

(1)锚具节点处变形越小，试验数据图形的重合度就会越高；力与力矩曲线越平直、重合度越高，表明锚具的锚固性能越好。

(2)不同锚具对曲线的走势有较大的影响。八字型铝扣与椭圆型铝扣较U型玛钢卡头的曲线重合率更高，并且八字型铝扣曲线重合率比椭圆型铝扣更高。由此说明八字型铝扣对于钢绞线弯折处的锚固效果最稳定。

(3)U型玛钢卡头力矩值在0～3 N·m附近时，试件的曲线基本重合，可当力矩超过3 N·m时，曲线的离散性开始变得越来越大(图6e、f)。

(4)当不同数量的锚具作为控制变量时，U型玛钢卡头曲线的离散性未随着锚具数量发生过大的变化，难以拟合出力—力矩之间的关系公式。2种铝扣的曲线相似，整体的重合率较高；锚具的数量对钢绞线锚固效果的影响比锚具构造形式的影响要小。

4 模拟施工现场的张拉控制试验

4.1 张拉控制试验设计

通过上述试验结果分析，模拟施工现场张拉所制作的试件，锚具全部选择性能最优的八字型铝扣作为钢绞线弯折处的锚具进行张拉试验。为了模拟工程实际，采用现普遍使用的角钢固定钢绞线的方式进行张拉实验，结果如图7a所示；角钢螺孔的外侧粘贴了一个记录螺母旋转角度的罗盘，结果如图7b所示，通过记录的螺母旋转度数推算螺栓的伸长值。因活节螺栓的螺纹距为1 mm，所以螺母每旋转1圈，螺杆就伸长1 mm，而且试验记录下的螺母旋转圈数对后续伸长值控制公式推导至关重要。

通过试验发现：螺纹随着力值的增加，垫片和螺纹会发生不同程度的损伤，垫片的种类和数量对张拉力值的变化和控制精度有一定的影响。因此，试验过程中将垫片的数量和种类作为此次张拉试验的一个控制变量。试件的编号方式是d为薄垫片、e为厚垫片，字母后的数字表示垫片的数量，最后一位数字代表试件的组号。

图7 试验梁上张拉实验

4.2 八字型铝扣力值曲线分析

观察分析试验的力矩控制曲线(图8a、c、e、g)和伸长值控制曲线(图8b、d、f、h)可知：

(1)垫片种类和数量的变化对两种曲线的走势无太大影响，说明垫片数量和种类不是影响力矩控制后期曲线波动异常的因素。

(2)力矩控制下曲线在0～8 kN之间上升稳定，且基本呈线性增加的关系；当力值到达8 kN附近时，曲线的波动开始加大，曲线之间出现分离的趋势。这是由于垫片和螺纹发生不同程度的损伤，导致螺母与垫片、垫片与角钢之间的摩擦力增长异常。随着摩擦力增长的加快，力矩值上升的速度也同样加快，也解释了张拉后期各曲线离散性加大的原因。

(3)力值不超过8 kN时，无论是力矩控制还是伸长控制曲线波动基本成线性增长的趋势，而力值超过8 kN时，力矩控制曲线开始出现不同程度的波动，此时伸长值控制曲线依然保持稳定，表明当力值超过8 kN时，伸长值控制要比力值控制更稳定。

图8 八字型铝扣力值曲线分析

5 力矩与伸长值的协同控制计算方法

5.1 力矩控制

由于在钢绞线上无法粘贴应变片，又因活节螺栓与钢绞线的受力在同一条直线上，且大小相等，所以试验组将应变片设置在活节螺栓上，通过采集活节螺栓的实时应变可推断钢绞线的受力大小。为了推导力矩控制的计算公式，对张拉的螺栓体系建立几何模型(图9a)，再以螺纹表面研究对象，进行模型简化(图9b)。力矩扳手的作用下螺母受到力矩M的推动，克服摩擦阻力使得螺栓向上移动，相当于在滑块2上加了水平力P，使滑块2沿着斜面等速向上滑动。