CN105064358A - 一种锚索预应力损失补偿调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚索预应力损失补偿调节方法。该方法按以下工艺步骤进行实施：a、清除外露钢绞线上的杂物；b、安装卡瓦器及卡瓦并限位；c、将连接螺杆穿过连接锚具，将连接锚具旋入卡瓦器；d、安装支承架、千斤顶、传感器、工具锚，然后进行张拉；e、外锚具发生位移，当张拉至需要的锁定力后，将半合钢垫片垫到外锚具下；f、卸除千斤顶和支承架，取出卡瓦及卡瓦器等；g、进行外锚具防腐处理。本发明的方法延长了原固定式锚具的使用寿命、施工成本低廉、简化了施工难度、让原固定式锚具能及时使用。解决了长期困扰工程界的由于自然或人为因素引起的固定式锚索预应力损失之后无法进行补偿张拉的难题。

Description

一种锚索预应力损失补偿调节方法

技术领域

本发明涉及一种锚索预应力损失补偿调节方法。

背景技术

现有预应力技术从工程应用至今仅半个多世纪，由于它所特有的优点，使其迅速发展，广泛地应用于各个领域，应用数量日益增多。预应力锚索(锚杆、锚具)由于能够充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，应用预应力锚索技术后，可以大大减轻结构自重，节约工程材料，可以保证施工安全与工程稳定性，因而得到广泛应用。已在大跨度地下硐室加固、坝基工程、深基坑支挡、边坡工程、结构抗浮与抗倾、地质灾害治理等领域得到应用，并取得了良好的技术、经济效益和社会效益。

随着预应力施工技术的发展，预应力张拉锚固体系也在不断完善，给工程应用的选择提供了较大的空间。

现有国外主要的预应力张拉锚固体系有法国弗莱西奈(FREYSSINET)体系、瑞士VSL和BBRV体系、英国CCL体系、德国地伟达(DYWIDAG)体系，国内主要的预应力张拉锚固体系有OVM型预应力张拉锚固体系、DM型预应力张拉锚固体系、LM型预应力张拉锚固体系、钢质锥形锚具、XM型预应力张拉锚固体系、QM型预应力张拉锚固体系、YM型预应力张拉锚固体系等。

在锚固体系施加预应力后，在一定的时间内，其锁定预应力值会因种种因素发生变化，这些预应力变化严重者将导致结构体破坏，使锚固工程失败。锁定预应力变化的主要原因有：

1、自然因素

地质结构、地下水位、地震等都是引起预应力变化的主要因素。在胶结松散、风化严重的砂页岩、破碎岩、火成岩、泥岩和砂土层、粘土等岩土体中，锁定预应力常随时间而减少，特别在泥岩等高压缩性的凝聚性土层更为显著。水位的变化，会造成预应力消失而危及工程安全。地震的发生常使锁定预应力增加或减少，若其增量超过锚固体系强度时，即发生破坏，若预应力减少时，对日后压力增加所产生的变形可能导致结构体破坏。

2、人为因素

主要表现为预应力锁定装置强度不足以承受拉力而打滑，日后锈蚀等作用使锁定预应力消失；自由端长期受张力作用，将发生松弛现象，自由端长期暴露在大气或水中，锈蚀等化学反应使性质改变也会造成锁定预应力的减少；固定端由于是地下灌浆作业，地层的含水量、渗透性等性质将改变灌浆材料的配比，使日后受力时发生不同程度的变形；自由端摩阻力(R值)的影响，使得固定端受力未达设计值，即固定端受力P＝P_p-R(P_p为千斤顶所施拉的预应力)，当日后压力增量超过P时，即产生位移变形。

由于锚索(锚具)在各种自然因素和人为因素的作用下，或多或少地会发生预应力松弛，当松弛达到极限时，就必须进行补偿张拉。虽然国外在可调式预应力锚具方面已有系列产品，如日本VSL的E_R、E_A型锚具，台湾的HHL型锚具等，但国内在这方面的研究和开发都还存在很大的差距，有些方面还是空白，并且可调式锚具相对固定式锚具价格成本较高，因而可调式锚具在我国主要用于重大项目，在大部分锚索(锚具)应用领域还是以价格低廉、工艺简单、为我国工程技术人员熟悉的固定式锚索(固定式锚具)为主，并且长期以来，由于固定式锚索(固定式锚具)应用时间跨度长、应用范围广泛、数量巨大，如要全部更换为可调式锚具，其施工成本、施工难度、是否能及时使用等等问题就会接踵而至。所以，目前我国大量应用的锚具都还是延用不具有可调式张拉功能的固定式锚具，当预应力因为自然因素或人为因素损失后，即当预应力松弛达到极限时，要么对固定式锚具进行补偿张拉，要么重新锚固施工，否则容易出现重大事故。但是，国内目前还没有对固定式锚具的补偿张拉装置，如果进行重新锚固施工，不仅要去除原锚固产品，还要替换新锚固产品，其施工成本将会变得十分高昂。不仅如此，原锚固产品在被替换时，产品本身往往没有达到设计寿命，只是因为外部因素导致预应力松弛就被替换，造成极大浪费。这种现状成为了本领域技术人员一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题。

因此，研究和开发一种锚索预应力损失补偿调节方法和装置解决相应问题显得十分重要和必要。依据现有国内固定式锚索(固定式锚具)的使用情况，急需提供一种锚索预应力损失补偿调节方法以解决我国大量应用的固定式锚具预应力损失补偿问题。

发明内容

本发明的目的即是提供一种锚索预应力损失补偿调节方法。

本发明的基本构思是：通过卡瓦型固定式外锚具预应力调节装置进行锚索预应力损失补偿调节，该方法用一套楔形夹持工具，通过千斤顶与楔形夹持工具来对固定式锚具进行张拉与调节，这种方法主要适用于包含1000kN及1000kN以下的预应力调节。

本发明一种锚索预应力损失补偿调节方法所涉及的卡瓦型固定式外锚具预应力损失补偿调节装置主要由卡瓦器、卡瓦、连接器(连接锚具)、连接螺杆、工具锚、千斤顶和传感器组成。

千斤顶工作，活塞伸出，顶推传感器和工具锚运动，工具锚和连接螺杆螺纹连接，一起运动，连接锚具和卡瓦器受连接螺杆拉动而产生位移，通过卡瓦对工作锚具产生夹持力，从而使工作锚具产生位移来调节锚具预应力。在千斤顶工作的过程中，调节装置的主要零件如连接螺杆、连接器(连接锚具)等的强度要满足钢绞线的强度要求。

常用钢绞线直径按Φ15.24mm，强度级别为1860MPa，其单根钢绞线的破断荷载为260.7kN，每束锚索由4根钢绞线组成，其轴向最大荷载F_w为4×260.7kN＝1042.8kN。由于梯形螺纹具有良好的双向受力性能，所以选用普通梯形螺纹作为连结受力的形式。若钢绞线材料选用40MnMoV进行淬火热处理，则σ_s＝1568MPa，安全系数n＝1.2～1.7，取n＝1.5，n_τ＝2.5,则有[σ]＝σ_s/n＝1045.3MPa,[τ]＝σ_s/n_τ＝627.2MPa；取n＝1.7,则有[σ]＝σ_s/n＝922.3MPa。

连接螺杆结构设计及螺杆螺纹强度校核：

材料选用40MnMoV淬火热处理，取n＝1.5，n_τ＝2.5，由

$\mathrm{\σ}=\frac{F_w}{A_s}=\frac{4F_w}{{\mathrm{\πD}}^2}\≤\[\mathrm{\σ}\]$ 得

$D^2\≥\frac{4F_w}{\mathrm{\π}\[\mathrm{\σ}\]}$ 得D≥35mm

式中：σ—连接螺杆张拉应力

A_s—连接螺杆横截面积

D—连接螺杆螺纹公称直径

查机械设计手册，取D＝48mm，则螺纹为Tr48×3。

根据支承架和千斤顶确定长度，取螺杆长度L＝960mm，梯形螺纹长度Lˊ＝260mm。

取Tr48×3螺纹旋合长度N＝60mm，则有效旋合牙数Z＝20，螺距p＝3，小径d₁＝45，螺纹牙根部宽度b＝0.65p＝1.95，螺纹牙的工作高度h＝1.75，取载荷不均匀系数k_z＝0.56，有

$\mathrm{\&tau;}=\frac{F_w}{k_z\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;d_1\&CenterDot;b\&CenterDot;z}=\frac{4\&times;260.7\&times;1000}{0.56\&times;3.14\&times;45\&times;1.95\&times;20}=337.9MPa<\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;=627.2MPa$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&sigma;}}_w=\frac{3F_w\&CenterDot;h}{k_z\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;d_1\&CenterDot;b^2\&CenterDot;z}=\frac{3\&times;4\&times;260.7\&times;1000\&times;1.75}{0.56\&times;3.14\&times;45\&times;{1.95}^2\&times;20}\\ =909.8MPa<\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;=1045.3MPa\end{array}$

式中：F_w—最大轴向外荷载

τ—螺纹剪应力

σ_w—螺纹弯应力

说明螺纹强度足够，是安全的。

卡瓦器结构设计：

取卡瓦器斜面角α＝14°，由卡瓦结构及锚具结构，并考虑钢绞线长度，选取螺纹规格d为Tr160×6，螺纹深度H₁＝100mm，楔形长度H₂＝100mm，所以卡瓦高度H＝200mm，取楔面止口直径为135mm。

材料选用40MnMoV淬火，由

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{F_w}{A_s}=\frac{4F_w}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}\&le;\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;$ 得

$D^2\&GreaterEqual;\frac{4F_w}{\mathrm{\&pi;}\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;}$ 得D≥164mm

取D＝180mm。

连接锚具结构设计及连接锚具螺纹强度校核：

由卡瓦器可确定螺纹规格为Tr160×6，高度H＝50mm，根据螺杆螺纹规格，取内孔直径Фd＝52mm。

取Tr160×6螺纹旋合长度N＝50mm，则有Z＝8，p＝6，d₁＝154，b＝0.65p＝3.9，h＝3.5，取k_z＝0.56，有

$\mathrm{\&tau;}=\frac{F_w}{k_z\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;d_1\&CenterDot;b\&CenterDot;z}=\frac{4\&times;260.7\&times;1000}{0.56\&times;3.14\&times;154\&times;3.9\&times;8}=123.4MPa<\&lsqb;\mathrm{\&tau;}\&rsqb;=627.2MPa$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&sigma;}}_w=\frac{3F_w\&CenterDot;h}{k_z\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;d_1\&CenterDot;b^2\&CenterDot;z}=\frac{3\&times;4\&times;260.7\&times;1000\&times;3.5}{0.56\&times;3.14\&times;154\&times;3.9\&times;3.9\&times;8}\\ =332.3MPa<\&lsqb;\mathrm{\&sigma;}\&rsqb;=1045.3MPa\end{array}$

说明螺纹强度足够，是安全的。

具体来说，本发明的一种锚索预应力损失补偿调节方法按以下工艺步骤进行实施：

a、清除外露钢绞线上的杂物；

b、安装卡瓦器及卡瓦并限位；

c、将连接螺杆穿过连接锚具，将连接锚具旋入卡瓦器；

d、安装支承架、千斤顶、传感器、工具锚，然后进行张拉；

e、外锚具发生位移，当张拉至需要的锁定力后，将半合钢垫片垫到外锚具下；

f、卸除千斤顶和支承架，取出卡瓦及卡瓦器等；

g、进行外锚具防腐处理；

在上述步骤a中进行锚索预应力调节施工时，首先要人工凿开保护墩，剔除工作锚具和外露钢绞线上附着的混凝土，才能进行下一步的锚索预应力调节施工；

在上述步骤b中将钢绞线与调节装置的工作锚进行连接锁死，安装卡瓦器及卡瓦并限位，进行卡瓦型固定式外锚具预应力调节装置的安装；

在上述步骤c中将连接螺杆通过螺纹与连接锚具连接，并将连接锚具旋入卡瓦器，与卡瓦器螺纹连接；

在上述步骤d中将支撑架安装固定于锚墩上，千斤顶固定在支撑架上，工具锚通过螺纹与连接螺杆连接，在千斤顶与工具锚之间安装传感器装置，然后进行张拉；

在上述步骤e中千斤顶工作，顶推传感器装置和工具锚一起运动，工具锚与连接螺杆、连接螺杆与连接锚具、连接锚具与卡瓦器相互之间都通过螺纹连接，工具锚运动就带动卡瓦器运动，卡瓦器和卡瓦之间为楔形斜面接触，通过卡瓦器产生位移挤压卡瓦对工作锚产生夹持力，从而使工作锚产生位移，最终带动钢绞线产生位移，进行钢绞线的张拉，当传感器装置显示的力值达到需要的锁定力(原固定式锚具设计安装时计算好的预应力值)后，将半合钢垫片垫满工作锚和锚墩之间的间隙，锁定预应力值；

在上述步骤f中卸下除工作锚外的其余装置；

在上述步骤g中将工作锚和外露钢绞线都用混凝土做成保护墩进行防腐保护，混凝土保护厚度至少为2厘米。

这样一来，本发明的一种锚索预应力损失补偿调节方法，就能作为我国广泛使用的固定式锚具进行补偿张拉的有力补充，能经济有效的将固定式锚具改变为具有可调式张拉功能的固定式锚具，让固定式锚具也能将预应力值长期保持在最佳状态，不仅大大延长了原固定式锚具的使用寿命，而且施工成本低廉、简化了施工难度、还能让原固定式锚具及时使用，有效的缩短施工时间，避免因施工时间延长而加剧的预应力松弛，进而避免因施工产生的需锚固位置发生事故。并且，本发明的一种锚索预应力损失补偿调节方法，不改变我国工程技术人员熟悉的固定式锚索安装调节方式，无需对工程技术人员进行额外的培训，有利于推广实施和广泛应用。

与前述现有同类产品相比，本发明的一种锚索预应力损失补偿调节方法不仅大大延长了原固定式锚具的使用寿命，而且施工成本低廉、简化了施工难度、还能让原固定式锚具及时使用，有效的缩短施工时间，避免因施工时间延长而加剧的预应力松弛，进而避免因施工产生的需锚固位置发生事故。解决了长期困扰工程界的由于自然或人为因素引起的固定式锚索预应力损失之后无法进行补偿张拉的难题。也即解决了本领域技术人员一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题。

本发明应用楔形卡瓦夹持技术，创造性地解决了目前在我国普遍使用的固定式外锚具在预应力损失之后的补偿调节问题。

本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

附图说明

图1是本发明卡瓦型固定式外锚具预应力损失补偿调节装置示意图。

图2是本发明卡瓦器剖面放大图。

图3是本发明连接锚具剖面放大图。

图4是本发明连接螺杆示意图。

图5是本发明工具锚剖面放大图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种锚索预应力损失补偿调节方法按以下工艺步骤进行实施：

a、清除外露钢绞线上的杂物；

b、安装卡瓦器及卡瓦并限位；

c、将连接螺杆穿过连接锚具，将连接锚具旋入卡瓦器；

d、安装支承架、千斤顶、传感器、工具锚，然后进行张拉；

e、外锚具发生位移，当张拉至需要的锁定力后，将半合钢垫片垫到外锚具下；

f、卸除千斤顶和支承架，取出卡瓦及卡瓦器等；

g、进行外锚具防腐处理；

在上述步骤a中进行锚索预应力调节施工时，首先要人工凿开保护墩，剔除工作锚具和外露钢绞线上附着的混凝土，才能进行下一步的锚索预应力调节施工；

在上述步骤b中将钢绞线10与调节装置的工作锚9进行连接锁死，安装卡瓦器及卡瓦并限位，进行卡瓦型固定式外锚具预应力调节装置的安装；

在上述步骤c中将连接螺杆2通过螺纹与连接锚具6连接，并将连接锚具6旋入卡瓦器7，与卡瓦器7螺纹连接；

在上述步骤d中将支撑架5安装固定于锚墩上，千斤顶4固定在支撑架5上，工具锚1通过螺纹与连接螺杆2连接，在千斤顶4与工具锚1之间安装传感器3装置，然后进行张拉；

在上述步骤e中千斤顶4工作，顶推传感器3装置和工具锚1一起运动，工具锚1与连接螺杆2、连接螺杆2与连接锚具6、连接锚具6与卡瓦器7相互之间都通过螺纹连接，工具锚运动就带动卡瓦器7运动，卡瓦器7和卡瓦8之间为楔形斜面接触，通过卡瓦器7产生位移挤压卡瓦8对工作锚9产生夹持力，从而使工作锚9产生位移，最终带动钢绞线10产生位移，进行钢绞线10的张拉，当传感器3装置显示的力值达到需要的锁定力600kN后，将半合钢垫片垫满工作锚9和锚墩之间的间隙，锁定预应力值；

在上述步骤f中卸下除工作锚9外的其余装置；

在上述步骤g中将工作锚9和外露钢绞线10都用混凝土做成保护墩进行防腐保护，混凝土保护厚度为2厘米。

本实施例的一种锚索预应力损失补偿调节方法所涉及的卡瓦型固定式外锚具预应力损失补偿调节装置如图1～5所示。

卡瓦型固定式外锚具预应力损失补偿调节装置主要由卡瓦器7、卡瓦8、连接锚具6、连接螺杆2、工具锚1、千斤顶4、传感器3、支撑架5、工作锚9组成。

瓦型固定式外锚具预应力损失补偿调节装置的工作过程为：千斤顶工作，活塞伸出，顶推传感器和工具锚运动，工具锚和连接螺杆螺纹连接，一起运动，连接锚具和卡瓦器受连接螺杆拉动而产生位移，通过卡瓦对工作锚具产生夹持力，从而使工作锚具产生位移来调节锚具预应力。在千斤顶工作的过程中，调节装置的主要零件如连接螺杆、连接器(连接锚具)等的强度要满足钢绞线的强度要求。

本发明解决了长期困扰工程界的由于自然或人为因素引起的固定式锚索预应力损失之后无法进行补偿张拉的难题。

Claims (1)

1.一种锚索预应力损失补偿调节方法，其特征是按以下工艺步骤进行实施：

a、清除外露钢绞线上的杂物；

b、安装卡瓦器及卡瓦并限位；

c、将连接螺杆穿过连接锚具，将连接锚具旋入卡瓦器；

d、安装支承架、千斤顶、传感器、工具锚，然后进行张拉；

e、外锚具发生位移，当张拉至需要的锁定力后，将半合钢垫片垫到外锚具下；

f、卸除千斤顶和支承架，取出卡瓦及卡瓦器等；

g、进行外锚具防腐处理；

在上述步骤a中进行锚索预应力调节施工时，首先要人工凿开保护墩，剔除工作锚具和外露钢绞线上附着的混凝土，才能进行下一步的锚索预应力调节施工；

在上述步骤b中将钢绞线(10)与调节装置的工作锚(9)进行连接锁死，安装卡瓦器及卡瓦并限位，进行卡瓦型固定式外锚具预应力调节装置的安装；

在上述步骤c中将连接螺杆(2)通过螺纹与连接锚具(6)连接，并将连接锚具(6)旋入卡瓦器(7)，与卡瓦器(7)螺纹连接；

在上述步骤d中将支撑架(5)安装固定于锚墩上，千斤顶(4)固定在支撑架(5)上，工具锚(1)通过螺纹与连接螺杆(2)连接，在千斤顶(4)与工具锚(1)之间安装传感器(3)装置，然后进行张拉；

在上述步骤e中千斤顶(4)工作，顶推传感器(3)装置和工具锚(1)一起运动，工具锚(1)与连接螺杆(2)、连接螺杆(2)与连接锚具(6)、连接锚具(6)与卡瓦器(7)相互之间都通过螺纹连接，工具锚运动就带动卡瓦器(7)运动，卡瓦器(7)和卡瓦(8)之间为楔形斜面接触，通过卡瓦器(7)产生位移挤压卡瓦(8)对工作锚(9)产生夹持力，从而使工作锚(9)产生位移，最终带动钢绞线(10)产生位移，进行钢绞线(10)的张拉，当传感器(3)装置显示的力值达到需要的锁定力后，将半合钢垫片垫满工作锚(9)和锚墩之间的间隙，锁定预应力值；

在上述步骤f中卸下除工作锚(9)外的其余装置；

在上述步骤g中将工作锚(9)和外露钢绞线(10)都用混凝土做成保护墩进行防腐保护，混凝土保护厚度至少为2厘米。