CN102888896B - 高钒圆钢丝束索索夹以及其加工工艺和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要公开了高钒圆钢丝束索索夹包括索夹体、连接耳板、防腐锌层、抗滑金属层和高强螺栓。索夹通过高强螺栓将两个形状对称的索夹体连成一体来夹紧高钒圆钢丝束索索体；在索夹体与索体的接触部位填充抗滑金属层；索夹体通过热镀锌防腐处理。同时提出了索夹体的加工工艺和形状尺寸的设计方法。索夹体采用高强钢材加工，避免了采用铸钢节点引起的造价、质量缺陷等问题，本发明的索夹节点构造简单，便于制作施工，经济合理，节点性能通过试验验证，适用于张拉式索杆梁预应力空间结构的连接节点中。该索夹有效的改善了高钒索索体受力性能，保护了钢丝表面防腐镀层，并提高了索夹与索体的抗滑移力，有助于高钒圆钢丝束索的在我国的推广与应用。

Description

高钒圆钢丝束索索夹以及其加工工艺和设计方法

技术领域

本发明涉及一种建筑结构中张拉式索杆梁预应力空间结构中的拉索连接节点。更具体的，涉及一种改善高钒圆钢丝束索受力性能及提高抗滑移摩擦力的索夹以及其加工工艺和设计方法。

背景技术

在大跨度索杆梁预应力空间结构中，索系之间会产生较大的不平衡内力，这些不平衡内力需通过索夹来抵抗，而索夹抗滑能力不足容易产生索夹滑动并刻伤索体外层保护材料，索夹滑移后又将改变索系的位形，从而改变索系之间的受力状态及内力，对结构安全产生不利影响，所以索夹节点的设计是整个预应力结构体系的关键。

高钒索索体材料采用了95%锌-5%铝-混和稀土合金镀层高强度钢丝，经过捻制而成，是一种外层没有保护套的裸索，也是一种新型的预应力拉索材料。近年来，国内首次将大直径高钒圆钢丝束索应用到体育场馆的建设中，但对配套索夹的抗滑移性能缺乏专门研究，应用中存在几个技术难点需要克服。首先，在索夹夹紧索体时，索体外层圆形钢丝与索槽内壁之间的接触为线面接触关系，这对索夹的抗滑移性能极为不利，且在夹紧力作用下，钢丝表面会产生应力集中而压碎钢丝表面防腐镀层；另外，索体外层无保护套，在夹紧力作用下，索体圆形横截面容易产生变形，从而改变索体内各层钢丝受力关系，影响索体受力性能。

在目前较为成熟应用的索夹节点设计构造中，增加索夹抗滑移性能的方法有索槽内置锌板或锌铝合金板、喷砂处理增大接触面摩擦系数和增大索槽与索体接触面积等方法。结合高钒圆钢丝束索索体的特点，应用以上所提方法都会存在着一定缺点，需进行一定的改进。内置锌板的方法使索夹构造上存在两道接触面（锌片与索道、锌片与索体），提高了滑移风险，对于在室外条件下应用，其构造防腐性能也较差；索槽内喷砂无法解决圆形钢丝与索槽线面接触的问题；而增加索体接触面积，需要加长索夹长度，这样预紧所需高强螺栓数量也会增多，影响施工效率加大施工难度，且影响索夹节点的美观。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种高钒圆钢丝束索索夹，以填补国内高钒索索夹节点研究空白，达到改善高钒索索体受力性能、保护钢丝表面防腐镀层和增大索夹与索体之间抗滑移力的效果。同时本发明中还提出了索夹体的加工工艺和其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

高钒圆钢丝束索索夹，包括索夹体、连接耳板、防腐锌层、抗滑金属层和高强螺栓；两个形状对称的索夹体夹紧索体，通过高强螺栓固定连成一体；在索夹体与索体的接触部位填充有抗滑金属层；索夹体表面通过热浸镀锌防腐处理形成一层防腐锌层；在索夹体下部带有可与拉杆或压杆相连接的连接耳板。

所述的索夹体包括弯曲段和平直段，弯曲段上开设有用于安装高钒圆钢丝束索的索槽，索槽圆弧半径大小与索体外径相同。

所述的平直段上开设高强螺栓孔，高强螺栓穿过螺栓孔实现连接。

所述的两个形状对称的索夹体平直段之间设有用于适应索夹在高强螺栓预拉力作用下弯曲变形的间隙。

所述的索夹体和连接耳板焊接固定。

所述的抗滑金属层采用相对索夹体材质软的金属材料。

所述的抗滑金属层厚度为0.5-1.0mm。

高钒圆钢丝束索索夹加工工艺如下：

第一步，索夹体形状通过机加工形成，粗糙度要求应达到Ra12.5；

第二步，在索夹体上采取配钻工艺钻取螺栓孔；

第三步，索夹体下部采用焊接方式将连接耳板连接，形成索夹；

第四步，索夹整体进行热浸镀锌防腐处理，镀锌前金属表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度应达到Sa2.5，并符合《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》规定要求。

所述第四步之后，索夹体与索体的接触部位填充一层抗滑金属层，抗滑金属层的原料采用质地比索夹体材质软的金属。

高钒圆钢丝束索索夹的索夹设计方法：

第一步，首先确定索夹外形尺寸参数，

①索夹宽度l：根据索夹预拉力的要求，确定所配高强螺栓个数，再根据规范构造要求，即可确定索夹宽度l=2h+nm，其中n为高强螺栓个数减1，m为相邻两个螺栓孔的距离，h为两端边上的螺栓孔至索夹左右端边的距离；

②索槽半径r：索槽内径与索体外径取值相同；

③偏心距e：本索夹设计思路为高强螺栓孔心应尽可能靠近索体中心，有限元参数化化对比计算结果及试验验证，确定e取0.8 d _O，d _O为螺栓有效直径；

④索夹高度b：b索夹高度的确定主要取决于偏心距e的取值，f为螺栓孔至上下端边的距离，可以通过规范构造要求确定，最终确定,b=2×(f+e+r)。

第二步，将索体截面进行受力分析，由于高强螺栓的预紧力，使索夹体与索体紧贴部位产生环的效应，因而在圆周上出现拉应力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度t ₁；

 ，其中F为预紧力；r为索体半径；θ为0-π/2；p为索体与索槽接触表面正应力；σ₁为索夹设计应力,可根据不同索夹材料来确定。

第三步，平直段厚度t ₂，将索体截面进行受力分析，连接螺栓作用位置对索夹截面产生弯曲作用；通过以下公式

，其中F为预紧力；e：螺栓偏心距；σ₂为索夹设计应力,可根据不同索夹材料来确定。

本发明中采用上述方案后，具有诸多有益效果：

1传力简单，受力合理：与索夹体上耳板连接的杆件内力由索夹体直接传递给索体，高强螺栓仅提供索夹体抱紧索体的预紧力，可有效抱紧索体。

2 提高节点受力性能：由于抗滑金属层在索槽正压力作用下发生变形，嵌入到索体表层圆形钢丝间的空隙中，从而在索体外圈形成了连续的金属覆盖层，被嵌入的金属与圆形钢丝紧密接触，又形成了金属层外表面与索槽之间的面面接触关系，起到保护钢丝表面防腐镀层和增大索夹与索体之间抗滑移力的效果。

3 高效经济：索夹体直接采用钢板机加工成形，连接耳板通过焊接的方式连接索夹体。大大降低了造价、缩短了制作工期，避免了采用铸钢节点制作工艺复杂，尺寸精度控制难度大和容易产生质量缺陷等问题。

4 为验证本发明的高钒圆钢丝束索索夹节点受力性能，选取了一个与实际工程中情况相同的索夹节点，进行了足尺节点抗滑移试验。

试验条件及方法：

试验在某大学结构实验室“空间结构大型节点试验全方位加载装置”上进行。试验节点选取了实际工程节点受力最为不利的位置，试验节点详图如图14。

试验采用简单加载的原则，分级加载。先预加载，然后张拉径向索道最大设计内力，保持径向索拉力不变，再对斜拉杆以每5吨为加载梯度逐级加载，直到索夹滑移或者达到三倍设计荷载，并观察索夹处位移计数据。

试验结果：抗滑金属层有效的嵌入了索体外层钢丝间的空隙中，钢丝表面保护镀层没有受损；经过对实验数据的处理，得到抗滑移摩擦系数达到0.17。

附图说明

图1为本发明较佳实施例一的结构示意图；

图2为图1的正视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明较佳实施例的索夹体零件图；

图5为本发明较佳实施例一的安装前状态抗滑移金属层结构示意图；

图6为本发明较佳实施例一的使用状态抗滑移金属层结构示意图；

图7 为本发明较佳实施例二的结构示意图；

图8 为本发明较佳实施例三的结构示意图；

图9为本发明较佳实施例一的外形尺寸示意图；

图10为图9的局部截面示意图；

图11为发明较佳实施例一截面受力状态示意图；

图12为发明较佳实施例一内力分析简图；

图13为图11中A-A截面的弯曲应力图；

图14为发明较佳实施例一的试验节点详图。

具体实施方式

实施例一

结合附图1-6，对本发明较佳实施例一做进一步详细说明。

本实施例中采用的高钒圆钢丝束索体6直径为100mm，为国内首次使用的大直径高钒索。高钒圆钢丝束索索夹，包括索夹体1、连接耳板2、防腐锌层3、抗滑金属层4和高强螺栓5。

索夹体1主要分成弯曲段9和平直段8，在弯曲段9部位内侧开设一索槽11，索槽11的圆弧半径与索体6外径相同。在索夹体1平直段8开设高强螺栓孔10。两块形状对称的索夹体1内侧面相对放置，索槽11扣合形成一个夹固索体6的空间，通过高强螺栓5穿过各自的螺栓孔10，将两个索夹体1连成一体来夹紧高钒圆钢丝束索索体6。

在两块索夹体1平直段8之间安装时存留一定间隙，以10mm为宜，来适应索夹在高强螺栓预拉力作用下平直段的弯曲变形。

索夹体6材质为Q390GJB-Z15，直接通过机加工形成，粗糙度要求应达到Ra12.5。高强螺栓孔10的加工采取配钻工艺，确保施工时螺栓的正常穿孔。

连接耳板2材质同索夹体，采用焊接方式连接到索夹上，连接耳板2孔心与索夹体6中心连线方向须与拉（压）杆受力方向一致。

索夹整体在工厂进行热浸镀锌防腐处理，使得在其表面具有一个防腐锌层3。镀锌前金属表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度应达到Sa2.5，并符合《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》（GB8923-88Sa）相关规定要求。

在索槽11表面附上一层抗滑金属层4，抗滑金属层4材质为相对索夹体6较软的金属，一般厚度为0.5-1.0mm。本实施例中采用0.5mm铝板，铝与钢的摩擦系数为0.17，钢与钢的摩擦系数为0.15，所以采用铝板可有效的保证不平衡力的传递。

高强螺栓5，用来连接两个形状对称索夹体1，通过逐渐增加高强螺栓5的预紧力来夹紧高钒圆钢丝束索索体6，预紧时应对称、分级施拧，确保预紧后螺栓整体受力的均匀性，并使抗滑移金属层4逐渐被嵌入到表层钢丝间的空隙。如图5、6为索夹索槽局部详图，其中图5为索夹高强螺栓预紧前状态，此时抗滑金属层4未发生变形，图6为高强螺栓预紧后状态，此时抗滑金属层4已经嵌入到索体表层钢丝间的空隙中，起到了保护索体的作用。

根据抗滑力的要求，计算需配6个M27、10.9级大六角高强螺栓，预拉力F=1740kN,以此参数来确定索夹主要外形尺寸。根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003对M27高强螺栓连接构造要求，取f=h=45mm、m=80mm。其中m为相邻两个高强螺栓孔10的距离，h为两端边上的高强螺栓孔10至索夹左右端边的距离；f为高强螺栓孔10至上下端边的距离。

本发明中的设计方法如下：

第一步，首先确定索夹外形尺寸参数，

①索夹宽度l：根据索夹预拉力的要求，确定所配高强螺栓个数，本实施例中每边取3个，则n为2，再根据规范构造要求，f=h=45mm、m=80mm，即可确定索夹宽度l=2h+nm=2×(80+45)=250mm，其中m为相邻两个螺栓孔的距离，h为两端边上的螺栓孔至索夹左右端边的距离。

②索槽半径r：索槽内径与索体外径取值相同，因此r=50mm。

③偏心距e：本索夹设计思路为高强螺栓孔心应尽可能靠近索体中心，有限元参数化对比计算结果及试验验证，确定e取0.8d，d为螺栓有效直径，因此e=22mm。

④索夹高度b：b索夹高度的确定主要取决于偏心距e的取值，b=2×(f+e+r)=2×(45+22+50)=234mm。

第二步，将索体截面进行受力分析，由于高强螺栓的预紧力，使索夹体与索体紧贴部位产生环的效应，因而在圆周上出现拉应力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度t ₁。取设计强度2倍安全系数，即取

 ，

  

第三步，平直段9厚度t ₂，将索体截面进行受力分析，连接螺栓作用位置对索夹截面产生弯曲作用。公式根据边缘屈服准则推出，取设计强度1.5倍安全系数，即取，

，

。

本发明中的整个加工工艺如下：

首先，索夹体1形状通过机加工形成，粗糙度要求应达到Ra12.5。接着在索夹体1上采取配钻工艺钻取高强螺栓孔10。第三步，索夹体1下部采用焊接方式将连接耳板2进行连接，形成一个索夹初制品。第四步，上述索夹整体进行热浸镀锌防腐处理，使得在其表面形成防腐锌层3。镀锌前金属表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度应达到Sa2.5，并符合《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》规定要求。然后，在索夹体1与索体6的接触部位，也就是在索夹体1开设的索槽11中填充一层抗滑金属层4，抗滑金属层4的原料采用质地比索夹体材质软的金属——0.5mm铝板，将其附在索槽11表面。

本发明装配使用时，将高强螺栓5穿过高强螺栓孔10，把两个对称结构的索夹进行连接固定即可。

实施例二

作为本发明实施例一的一种变换，参见图7，所述的连接耳板2在索夹体1上的焊接位置进行了变动，可与不同结构形式的拉（压）杆件进行连接。其余工作原理均相同。

实施例三

作为本发明实施例一的另外一种变换，如图8，所述的索夹体1的弯曲段9外形机加工成平直段13，索夹体1机加工难度得到减小，降低了制作成本。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，比如索体直径的改变、抗滑移金属层材料的改变和连接耳板在索夹体上的焊接位置的改动等，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高钒圆钢丝束索索夹，其特征在于：包括索夹体、连接耳板、防腐锌层、抗滑金属层和高强螺栓；两个形状对称的索夹体夹紧索体，通过高强螺栓固定连成一体；在索夹体与索体的接触部位填充有抗滑金属层；索夹体表面通过热浸镀锌防腐处理形成一层防腐锌层；在索夹体下部带有可与拉杆或压杆相连接的连接耳板；所述的索夹体包括弯曲段和平直段，弯曲段上开设有用于安装高钒圆钢丝束索的索槽，索槽圆弧半径大小与索体外径相同；所述的平直段上开设高强螺栓孔，高强螺栓穿过螺栓孔实现连接；所述的两个形状对称的索夹体平直段之间设有用于适应索夹在高强螺栓预拉力作用下弯曲变形的间隙；所述的抗滑金属层采用相对索夹体材质软的金属材料；所述的抗滑金属层厚度为0.5-1.0mm；通过逐渐增加高强螺栓的预紧力来夹紧高钒圆钢丝束索索体，预紧时应对称、分级施拧，确保预紧后螺栓整体受力的均匀性，并使抗滑移金属层逐渐被嵌入到表层钢丝间的空隙；所述的索夹体和连接耳板焊接固定。

2.如权利要求1所述的高钒圆钢丝束索索夹的加工工艺，其特征在于包括以下步骤：

第一步，索夹体形状通过机加工形成，粗糙度要求应达到Ra12.5；

第二步，在索夹体上采取配钻工艺钻取螺栓孔；

第三步，索夹体下部采用焊接方式将连接耳板连接，形成索夹；

第四步，索夹整体进行热浸镀锌防腐处理，镀锌前金属表面进行喷砂处理，喷砂后表面粗糙度应达到Sa2.5，并符合《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》规定要求；

所述第四步之后，索夹体与索体的接触部位填充一层抗滑金属层，抗滑金属层的原料采用质地比索夹体材质软的金属；高强螺栓，用来连接两个形状对称索夹体，通过逐渐增加高强螺栓的预紧力来夹紧高钒圆钢丝束索索体，预紧时应对称、分级施拧，确保预紧后螺栓整体受力的均匀性，并使抗滑移金属层逐渐被嵌入到表层钢丝间的空隙。

3.如权利要求1所述的高钒圆钢丝束索索夹的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，首先确定索夹外形尺寸参数，

①索夹宽度l：根据索夹预拉力的要求，确定所配高强螺栓个数，再根据规范构造要求，即可确定索夹宽度l＝2h+nm，其中n为高强螺栓个数减1，m为相邻两个螺栓孔的距离，h为两端边上的螺栓孔至索夹左右端边的距离；

②索槽半径r：索槽内径与索体外径取值相同；

③偏心距e：本索夹设计思路为高强螺栓孔心应尽可能靠近索体中心，有限元参数化对比计算结果及试验验证，确定e取0.8d_O，d_O为螺栓有效直径；

④索夹高度b：b索夹高度的确定主要取决于偏心距e的取值，f为螺栓孔至上下端边的距离，可以通过规范构造要求确定，最终确定,b＝2×(f+e+r)；

第二步，将索体截面进行受力分析，由于高强螺栓的预紧力，使索夹体与索体紧贴部位产生环的效应，因而在圆周上出现拉应力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度t₁；

其中F为预紧力；r为索体半径；θ为0-π/2；p为索体与索槽接触表面正应力；σ₁为索夹设计应力,可根据不同索夹材料来确定；

第三步，平直段厚度t₂，将索体截面进行受力分析，连接螺栓作用位置对索夹截面产生弯曲作用；通过以下公式

其中F为预紧力；e：螺栓偏心距；σ₂为索夹设计应力,可根据不同索夹材料来确定。