CN102505686A - 孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法 - Google Patents

孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及预应力锚固工程施工领域，特别涉及一种孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法。该孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：其具体方法如下：控制钻孔精度；控制编索质量；控制测力计、锚垫板与千斤顶的同心；控制张拉工艺。该孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，通过数学手段分析了孔道弯曲和孔道偏差影响，推导出了孔道摩擦损失理论计算公式，更加客观和符合工程实际，具有较大的实用价值，同时对孔道成孔引起的锚固力损失提出了相应的具体工程控制措施。

Description

孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法
（一）      技术领域
    本发明涉及预应力锚固工程施工领域，特别涉及一种孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法。
（二）      背景技术
预应力锚索由于具有诸多优点而被广泛应用各种工程。但是众多工程实例表明：锚索锚固力的损失将使得结构受力情况恶化，造成受力不均匀，损失超过一定界限值时，将导致其锚固效果的减弱或失效，会使结构失稳甚至破坏，不仅会造成重大的经济损失，还严重危及人民生命财产的安全，因此锚固力损失是涉及工程安全与否的大问题，设计人员和工程管理人员不能忽视。预应力锚索锚固效果（受力状态）受预应力材料性质、被锚固介质力学特性、锚索结构、锚固体系、锚夹具的加工质量、施工工艺、工程地质环境以及运行管理水平等因素的影响而变化，预应力锚固作用机理复杂，影响预应力锚固效果的因素众多，其中施工工艺对预应力锚索的锚固力损失起重要作用。预应力锚索规范都对预应力锚固工程的施工工艺做了强制性规定。一般情况下其施工工艺程序是：钻孔—编索—下索—锚固段灌浆—张拉—锁定—自由段灌浆—封闭张拉段。上述每步工艺流程都会引起锚索锚固力的损失。通常预应力锚索造孔采用潜孔钻施工，一般锚索孔道比较长，钻孔机械的钻头受自重影响下沉而导致下悬臂下沉，钻孔深度越大下沉的幅度也就越大，在钻孔时就越难以钻成直孔，因此钻孔一般呈向下弯曲状态。锚索张拉时，自由段与孔道壁之间可能存在一个或多个接触点，这种接触点会使锚索与孔道壁之间产生摩擦力，从而使锚索锚固力发生沿程摩阻损失。
采用后张法施工工艺的体内、体外预应力筋都有此项孔道摩阻损失。后张法的预应力筋一般由直线和曲线两部分组成。在施加预应力时，由于预留孔道位置的偏差、孔道曲斜、孔道粗糙不光滑、施工偏差以及预应力筋的形状等原因，均会使预应力筋与孔道内壁接触引起摩擦力，造成锚固力损失。由于孔道摩擦的存在，张拉时形成张拉端应力高，远离张拉端的截面由于摩擦力的影响使预应力筋拉应力逐渐减小，因为控制应力是在张拉端测定的，所以任意两个截面之间预应力筋的应力差值，就是此两截面间由摩擦引起的锚固力损失值。分析孔道摩擦损失产生的原因，可分为孔道弯曲影响和孔道偏差影响两部分。对于预应力孔道的弯道部分，除了管道偏差影响外，还有因管道弯转而引起的摩擦损失。在预应力锚索锚固工程中，孔道摩阻损失难于计算与控制，规范计算公式参数取值复杂计算过程繁琐且可操作性较差，施工过程中孔道成孔工艺控制不明确，对锚固力损失控制难以有效控制。
（三）      发明内容
    本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种通过数学手段分析并控制孔道弯曲和孔道偏差影响、控制锚固力损失的孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：其具体方法如下：
步骤（1）控制钻孔精度：控制钻孔同心度，提高孔道的平直程度；
步骤（2）控制编索质量：索体之间增设隔离架，隔离架中的单索编号前后顺序一致；
步骤（3）控制测力计、锚垫板与千斤顶的同心：保证锚索测力计与锚垫板的同心连接，使得锚索测力计嵌入锚垫板以便保持同心，保证锚索测力计与张拉千斤顶同心；
步骤（4）控制张拉工艺：采用两端张拉，减少弯曲角和管道长度。
该孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，步骤（1）中孔道弯曲产生的摩擦力为：                                                
Figure 351939DEST_PATH_IMAGE001
。步骤（1）中孔道偏差造成的预应力筋与微段孔壁间的径向挤压力所产生的摩擦为：
Figure 510388DEST_PATH_IMAGE002
。步骤（1）中孔道摩擦损失预应力筋任意计算截面的张拉力的计算公式为： 
Figure 221992DEST_PATH_IMAGE003
，任意两截面间预应力筋张拉力下降值为：
Figure 416342DEST_PATH_IMAGE004
，孔道摩擦所引起的应力损失值为：
Figure 555200DEST_PATH_IMAGE005
。锚固力损失值△P与孔斜率n及张拉荷载P 的相关关系为：
Figure 138628DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明的有益效果是：该孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，通过数学手段分析了孔道弯曲和孔道偏差影响，推导出了孔道摩擦损失理论计算公式，更加客观和符合工程实际，具有较大的实用价值，同时对孔道成孔引起的锚固力损失提出了相应的具体工程控制措施。
（四）      附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明孔道弯曲段预应力筋微小单元体受力示意图。
附图2为本发明孔道弯曲段预应力筋微小单元体受力分析图。
附图3为本发明孔道偏差段预应力筋微小单元体受力示意图。
附图4为本发明任意截面处张拉力N与端面处张拉力N0的关系示意图。
（五）      具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。
该孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其具体方法如下：
步骤（1）控制钻孔精度：控制钻孔同心度，提高孔道的平直程度；
步骤（2）控制编索质量：索体之间增设隔离架，隔离架中的单索编号前后顺序一致；
步骤（3）控制测力计、锚垫板与千斤顶的同心：保证锚索测力计与锚垫板的同心连接，使得锚索测力计嵌入锚垫板以便保持同心，保证锚索测力计与张拉千斤顶同心；
步骤（4）控制张拉工艺：采用两端张拉，减少弯曲角和管道长度。
1 .孔道弯曲影响分析
孔道弯曲影响引起的摩擦损失，主要是预加应力的预应力筋对弯曲孔道内壁产生的法向挤压力，使预应力筋与孔壁材料之间形成挤压摩擦，从而产生较大的锚固力损失。一般称此项损失为弯道影响摩擦损失，其值较大，与孔道弯曲程度有关，随孔道弯曲程度的增加而增大。
在孔道曲线部分，假设预应力筋与弯曲孔道内壁相贴，如图1所示，预应力筋与孔壁间的摩擦系数为μ。现取预应力筋微段dl为脱离体，如图2所示相应的弯转角为，曲率半径为R1 ，则dl=R1
Figure 450660DEST_PATH_IMAGE007
，设预应力筋对曲线孔道内壁产生的压力F，而引起的摩擦力为dN1，
Figure 435934DEST_PATH_IMAGE008
                                      （1）
根据图1和图2，径向力平衡条件
Figure 745692DEST_PATH_IMAGE009
，整理可得：          
Figure 629466DEST_PATH_IMAGE010
                                  （2）
又属于高阶微量，可以略去不计，而
Figure 522653DEST_PATH_IMAGE012
整理式（2），得
   
Figure 65629DEST_PATH_IMAGE013
               （3）
将式（3）代入（1），得微段曲线dl内由弯道影响产生的摩擦力为：
Figure 358070DEST_PATH_IMAGE014
                                      （4）
2.孔道偏差影响分析
从理论上讲，如果预设的直线管道内径比预应力筋的外径大，预应力筋与管道壁不接触，那么就不会有管道摩擦损失。但是实际上由于制孔器定位偏差造成施工中管道位置的偏差，使预应力孔道不顺直，再加上孔壁不光滑等原因，使预应力筋与孔壁材料之间形成接触摩擦，即所谓的由孔道偏差引起的摩擦损失。一般称此项损失为孔道偏差影响(或长度影响)摩擦损失，其值较小，主要取决于预应力筋的长度、管道偏差程度、接触材料间的摩阻系数及孔道成型的施工质量等。
设孔道具有正负偏差，假定其平均曲率半径为R2，如图3所示。设预应力与弯曲半径为R2的孔壁相贴，取预应力筋微段dl为脱离体，相应的弯转角为dθ2，3.1可求得微段直线内预应力筋与微段孔壁间的径向挤压力所产生的摩擦为：
  
Figure 526752DEST_PATH_IMAGE002
                                  （5）
3.孔道摩擦损失的数学推导
在预应力筋弯道部分微段dl内的总摩擦力为孔道弯曲影响和孔道偏差影响之和，即：
Figure 221039DEST_PATH_IMAGE015
                            （6）
整理得：
Figure 872600DEST_PATH_IMAGE016
                             （7）
在曲线范围内任意截面处的张拉力N与端截面处张拉力N0的关系如图4所示。
 对式（7）两边同时积分可得：
    
Figure 980233DEST_PATH_IMAGE017
       (8)
根据边界条件求常数C，当
Figure 375443DEST_PATH_IMAGE018
，代入上式可得：
     
Figure 737285DEST_PATH_IMAGE019
     （9）
式（9）即为预应力筋任意计算截面得张拉力的计算公式。由此可得任意两截面间预应力筋张拉力下降值为：
Figure 825327DEST_PATH_IMAGE020
  （10）
由此可求得孔道摩擦所引起的应力损失值为：
Figure 92360DEST_PATH_IMAGE021
   （11）
其中：Ap为预主力筋的截面面积；为：张拉钢筋时锚垫板下的控制应力；为预应力曲线筋部分弯曲角，按绝对值相加；
Figure 756877DEST_PATH_IMAGE023
为：预应力筋直线偏差部分弯曲角，如果管道在平面内和水平面内同时弯曲时，则
Figure 15820DEST_PATH_IMAGE023
应为双向弯曲夹角之和。
4.孔斜率与锚索锚固力损失的相关性分析
工程实践和理论分析表明，钻孔的孔斜率与锚固力沿程损失具有相关性，孔斜率对锚固力的损失主要表现在锚索的张拉初期。孔斜率越大，锚索锚固力损失也越大；在相同的孔斜率n 条件下，锚索张拉荷载P 越大，锚固力损失也越大。此外，锚索的类型对锚索锚固力的沿程损失也有一定的影响，无粘结锚索由于其采用一次灌浆的方法，灌浆时锚索体呈弯曲状，待浆体凝固后张拉，孔道摩擦力比有粘结大，故其锚固力沿程损失量也就比有粘结锚索大。
通过大量统计得到锚固力损失值△P与孔斜率n及张拉荷载P 的相关关系为：
Figure 81734DEST_PATH_IMAGE006
（12），式（12）中：△P 为锚固力损失值（kN）；P 为锚索张拉值(kN)；n 为锚索孔的孔斜率。

Claims (5)

1.一种孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：其具体方法如下：
步骤（1）控制钻孔精度：控制钻孔同心度，提高孔道的平直程度；
步骤（2）控制编索质量：索体之间增设隔离架，隔离架中的单索编号前后顺序一致；
步骤（3）控制测力计、锚垫板与千斤顶的同心：保证锚索测力计与锚垫板的同心连接，使得锚索测力计嵌入锚垫板以便保持同心，保证锚索测力计与张拉千斤顶同心；
步骤（4）控制张拉工艺：采用两端张拉，减少弯曲角和管道长度。
2.根据权利要求1所述的孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：步骤（1）中孔道弯曲产生的摩擦力为：                                                
Figure 90901DEST_PATH_IMAGE001
。
3.根据权利要求1所述的孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：步骤（1）中孔道偏差造成的预应力筋与微段孔壁间的径向挤压力所产生的摩擦为：
Figure 614286DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1所述的孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：步骤（1）中孔道摩擦损失预应力筋任意计算截面的张拉力的计算公式为：
Figure 355715DEST_PATH_IMAGE003
，任意两截面间预应力筋张拉力下降值为：
Figure 331761DEST_PATH_IMAGE004
，孔道摩擦所引起的应力损失值为：。
5.根据权利要求1所述的孔道成孔工艺引起的预应力锚索锚固力损失控制方法，其特征是：锚固力损失值△P与孔斜率n及张拉荷载P 的相关关系为：。
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