CN111487120A - 一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法，由试件、反力系统、加载系统和监测系统构成，其中反力系统包括装配式反力框架、弧形锚座和弧形垫板、顶推撑杆，索端可自由转动且适应不同拉索弯折角度；加载系统包括索端张拉千斤顶及撑脚和螺母、横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片、索夹顶推千斤顶，主要通过横向张拉千斤顶对拉索施加张拉力，用较小的横向力获得较大的索力；监测系统包括索力、高强螺栓紧固力、顶推力、滑动位移的传感器。精细化试验中拉索弯折角度、索夹孔道、试验过程与实际施工过程和受力一致，充分考虑了拉索弯折及拉力、高强螺栓应力松弛、索体蠕变及时间效应的影响，亦可用于直线拉索。

Description

一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法

所属领域

本发明涉及一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验技术，属于土木工程索结构技术领域。

背景技术

索结构是由拉索作为主要受力构件而形成的预应力结构体系，大量应用于大跨桥梁和房屋建筑。拉索一般采用高强钢丝构成的钢绞线、钢丝绳、钢丝束，具有高强、轻质、抗疲劳强度高、柔韧性好等优点。索结构中的索夹作为夹持住索体的连接节点，一般由主体、压板和高强螺栓组成。主体和压板中设有索孔槽道；高强螺栓连接主体和压板，通过对高强螺栓施加预紧力，使主体和压板夹持索体，产生足够的摩擦力来抵抗索夹两侧的不平衡索力。《索结构技术规程》(JGJ25712)中要求：索体在索夹中不应滑移，索夹与索体之间的摩擦力应大于索夹两侧索体的索力之差。在欧洲规范《Eurocode 3》(EN 1993-1-11:2006)的Section 6.4.1中，明确了对索夹抗滑力计算时应考虑垂直于索夹孔道方向上的荷载。

在索结构工程中，索夹抗滑移问题贯穿于结构的设计、施工和正常使用各个阶段，备受技术人员的关注。若索夹无法提供足够的抗滑承载力，不仅会改变相连构件的空间位形，而且会改变结构性能，甚至可能造成安全事故。

以弦支穹顶为例，撑杆下节点即索夹，是撑杆与环索、径向索的交汇点，是拉索将拉力转换为对上部网格支承力的关键节点。若索夹与环索之间产生滑移，会导致索夹两侧环索段长度发生变化，环索预应力重分布，进而对结构的整体稳定和承载力等结构性能产生不利影响。

索夹抗滑承载力取决于索体与索夹之间的摩擦系数、高强螺栓的有效紧固力和弯折拉索对索夹孔道的横向压力。

影响高强螺栓有效紧固力的主要因素为：高强螺栓的预紧力值及其自身应力松弛、索体直径变化。高强螺栓预紧力是施工拧紧高强螺栓在螺杆中产生的初始拉力，是影响紧固力的直接因素。预紧力越大，经过自身应力松弛和索径变化后，剩余的高强螺栓有效紧固力越大，反之越少；高强螺栓的拉力随着时间会发生应力松弛现象，导致高强螺栓紧固力损失。由于泊松效应，拉索的轴向拉伸引起索体直径减小，以及索体横向受压的蠕变效应，这些都导致高强螺栓有效紧固力减小，从而降低了索夹的抗滑承载力。

弯折拉索对索夹孔道的横向压力取决于索力和弯折角度，且与两者成正比关系。横向压力越大越有利于索夹抗滑。

为减少索头费用，工程中常采用索夹节点，使连通的索体穿过多个索夹节点与相邻构件连接。由于拉索仅受拉的力学特性，穿过索夹的拉索一般是弯折的，如张弦梁中的下弦索、弦支穹顶的环索等。但以往索夹抗滑试验中常将弯折拉索-索夹简化为直线拉索-索夹，忽略了实际工程中弯折拉索横向压力对索夹抗滑的影响，因此简化的直线拉索-索夹抗滑试验与实际工程的弯折拉索-索夹抗滑情况不一致。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法。试验总系统包括试件、反力系统、加载系统和监测系统，其中反力系统采用便于尺寸调整的装配式自平衡框架，能适应在较大范围内变化的不同拉索弯折角度，且索端能自由转动；加载系统能实现在索端和索中对拉索施加张拉力，且主要通过横向张拉对拉索施加较大的张拉力，另外能对索夹进行顶推加载；监测系统能实时监测高强螺栓紧固力、拉索索力、顶推力、索夹滑移量。该精细化试验中的拉索弯折角度、索夹孔道、试验过程与弯折拉索-索夹实际受力和施工过程高度一致，充分考虑了拉索弯折及拉力、高强螺栓应力松弛、索体蠕变及时间效应对索夹抗滑承载力的影响，并通过顶推力-滑移量曲线明确索夹抗滑承载力，再结合高强螺栓有效紧固力、拉索索力和弯折角度推算出索体和索夹间的综合摩擦系数。另外，该试验系统和方法亦可用于直线拉索。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法，试验总系统包括试件、反力系统、加载系统和监测系统，其中拉索试件由索体、锚具、索头螺杆和索头螺母构成；索夹由主体、压板和高强螺栓构成；反力系统主要由装配式反力框架、弧形锚座和弧形垫板、顶推撑杆构成；加载系统主要由索端张拉千斤顶及撑脚和螺母、横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片、索夹顶推千斤顶构成；监测系统主要由索力传感器、索夹高强螺栓紧固力传感器、顶推力传感器、索夹滑移位移传感器构成。试验方法包括以下步骤：

(1)试验系统准备，拼装反力系统中的反力框架和弧形锚座(该反力框架采用法兰盘连接框架梁，便于反力框架尺寸的调整)；

(2)在装配式反力框架中安装拉索试件和弧形垫板，并在索头螺母和弧形垫板之间安装索力传感器(索力传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(3)在索体中部安装试验索夹试件，在索夹的高强螺栓下安装紧固力传感器(紧固力传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(4)预紧索夹的高强螺栓，直至紧固力达到设计预紧力(该设计预紧力为设计规范规定的值或者设计人员提出的值，为试验前已知的要求值)；

(5)静置，直至高强螺栓紧固力衰减稳定(静置时，紧固力传感器仍实时采集高强螺栓的紧固力值)；

(6)安装横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片，横向对拉索施加初始张拉力，至拉索弯折角度接近设计角度；

(7)安装索端张拉用的撑脚、千斤顶和螺母，对拉索初始张拉力进行调整；

(8)用横向张拉千斤顶对拉索正式施加张拉力至设计值，且拉索弯折角度达到设计角度；

(9)维持索力在设计值的条件下静置，直至高强螺栓紧固力再次衰减稳定；

步骤(5)和步骤(9)中的静置，是考虑高强螺栓自身应力松弛和索体受横向挤压蠕变的时间效应，对拉索-索夹组装件抗滑移承载力的影响。

(10)安装顶推撑杆、顶推千斤顶、顶推力传感器、索夹滑移位移传感器(顶推力传感器和索夹滑移位移传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(11)分级顶推索夹，同步监测高强螺栓紧固力、顶推力和索夹滑移量，直至索夹滑移量迅速增长，顶推力难以继续增加；

(12)依次卸除加载系统、监测系统和试件；

(13)根据顶推力-滑移量曲线确定索夹抗滑承载力，再结合高强螺栓的有效紧固力(该有效紧固力是高强螺栓预紧后，经过一系列试验过程，发生应力松弛后的剩余紧固力，这个紧固力是最终顶推滑移时有效夹紧索体的力)、拉索索力和弯折角度推算索体和索夹间的综合摩擦系数。

其中，在步骤(2)，在索头螺母和弧形垫板之间安设用于测量拉索拉力的索力传感器，并连接数据采集系统，保证步骤(6)中拉索预张力值，步骤(7)中横向张拉时的索力，以及对索力进行实时监测。

进一步，在步骤(3)，在试验索夹的高强螺栓上安设用于测量高强螺栓紧固力值的紧固压力传感器，并连接数据采集系统，保证高强螺栓在施拧时达到设计预紧力，并对试验索夹高强螺栓的紧固力进行实时监测。

进一步，在步骤(10)中在顶推千斤顶和试验索夹之间安设用于测量千斤顶顶推力值的顶推压力传感器，并连接数据采集系统，在步骤(11)的顶推加载过程中实时监测顶推力值。

在步骤(11)操作之前，在索体和索夹之间安设用于分别测量索夹的主体和压板相对索体滑移量的位移传感器，并连接数据采集系统。安装时，安装两个，且这两个位移传感器固定在索体上，顶针分别抵住试验索夹的主体和压板，伸缩方向与索体平行，在顶推加载时，同时监测试验索夹的主体和压板相对索体的滑移量。

进一步的，所述步骤(11)中所述分级顶推加载为采用先分级大后分级小的加载制度，当索夹开始出现微小位移时，改成小荷载分级加载，根据对索夹抗滑移承载力的预估，选择合适的分级加载值。

进一步的，所述数据采集系统为利用标定过的数据采集设备对拉索拉力、高强螺栓紧固力、千斤顶顶推力和索夹滑移量进行实时监测。

相对于现有技术，本发明的优点如下：该试验系统采用法兰盘连接的自平衡反力框架，便于反力框架尺寸的调整；索端通过弧形锚座和弧形垫板支承在反力框架上，能自由转动且适应不同拉索弯折角度；主要通过横向张拉千斤顶对拉索施加张拉力，用较小的横向力获得较大的索力；横向张拉千斤顶与索夹之间的顶托滚轴和滑动垫片降低了横向张拉对索夹抗滑承载力的影响。该精细化试验中的拉索弯折角度、索夹孔道、试验过程与弯折拉索-索夹实际受力和施工过程高度一致，充分考虑了拉索弯折及拉力、高强螺栓应力松弛、索体蠕变以及时间效应对索夹抗滑承载力的影响，并通过顶推力-滑移量曲线明确索夹抗滑承载力，再结合高强螺栓有效紧固力、拉索索力和弯折角度推算出索体和索夹间的综合摩擦系数。另外，该试验系统和方法亦可用于直线拉索。

附图说明

图1为实现本发明的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统及方法的试验装置结构示意图；

图2为本发明步骤(1)中拼装反力系统中反力框架和弧形锚座的示意图；

图3为本发明步骤(2)中安装拉索试件、弧形垫板、索力传感器的示意图；

图4为本发明步骤(3)中安装索夹及其高强螺栓、紧固力传感器的示意图；

图5为本发明步骤(4)中预紧高强螺栓的示意图；

图6为本发明步骤(6)中安装横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片、横向对拉索施加初始张拉力的示意图；

图7为本发明步骤(7)中安装索端张拉用的撑脚、千斤顶和螺母，对拉索初始张拉力进行调整的示意图；

图8为本发明步骤(8)中用横向张拉千斤顶对拉索正式施加设计张拉力的示意图；

图9为本发明步骤(10)中安装顶推撑杆、顶推千斤顶、顶推力传感器、索夹滑移位移传感器的示意图；

图10为本发明步骤(11)中顶推试验索夹的示意图。

图中：1、拉索，2、试验索夹，3、索端张拉千斤顶，4、顶推千斤顶，5、位移传感器，6、顶推力传感器，7、紧固力传感器，8、横向张拉千斤顶，9、高强螺栓，10、顶托滚轴，11、滑动垫片，12、顶推撑杆，13、索力传感器，14、装配式反力框架，15、法兰连接装置，16、弧形锚座，17、索头螺母，18、索端张拉用螺母，19、索端张拉用撑脚，20、弧形垫板。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：参见图1，一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统所用装置系统示意图，包括拉索1、试验索夹2、索端张拉千斤顶3、顶推千斤顶4、位移传感器5、顶推力传感器6、紧固力传感器7、横向张拉千斤顶8、高强螺栓9、顶托滚轴10、滑动垫片11、顶推撑杆12、索力传感器13、装配式反力框架14、法兰连接装置15、弧形锚座16、索头螺母17、索端张拉用螺母18、索端张拉用撑脚19以及弧形垫板20，其中，试验索夹2通过高强螺栓9夹持在拉索1的索体上，试验索夹2上的每个高强螺栓9设置紧固力传感器7，用于实时监测螺栓紧固力变化。在拉索1两端，在索头螺母17和弧形垫板16之间设置索力传感器13，用于实时监测索力变化。索端张拉千斤顶3通过索端张拉用螺母18和索端张拉用撑脚19实现对拉索初始张拉力的调整。顶推千斤顶4通过顶推撑杆12置于试验索夹2和装配式反力框架14之间，在顶推千斤顶4和试验索夹2之间放置顶推力传感器6，测量顶推力值，位移传感器5放置在拉索1的索体上，测量试验索夹2与拉索1的相对滑移量。横向张拉千斤顶、顶托滚轴、滑动垫片放置在索夹和反力框架之间，横向对拉索施加张拉力。装配式反力框架14通过法兰连接装置15拼接，便于尺寸扩展。拉索1两端的索头螺母17通过弧形垫板16和弧形锚座16支承在反力框架14上，使索端能自由转动且适应不同拉索弯折角度。

实施例2：参见图2—图10，一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，具体实施步骤为：

(1)试验系统准备，拼装反力系统中的装配式反力框架14和弧形锚座16(该反力框架采用法兰盘连接框架梁，便于反力框架尺寸的调整)；

(2)在装配式反力框架14中安装拉索1试件和弧形垫板20，并在索头螺母17和弧形垫板20之间安装索力传感器13(索力传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(3)在拉索1索体中部安装试验索夹2试件，在试验索夹2的高强螺栓9下安装紧固力传感器7(紧固力传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(4)预紧试验索夹2的高强螺栓9，直至紧固力达到设计预紧力(该设计预紧力为设计规范规定的值或者设计人员提出的值，为试验前已知的要求值)；

(5)静置，直至高强螺栓9紧固力衰减稳定(静置时，紧固力传感器仍实时采集高强螺栓的紧固力值)；

(6)安装横向张拉千斤顶8及顶托滚轴10和滑动垫片11，横向对拉索1施加初始张拉力，至拉索1弯折角度接近设计角度；

(7)安装索端张拉用的撑脚19、索端张拉用螺母18和索端张拉千斤顶3，对拉索1初始张拉力进行调整；

(8)用横向张拉千斤顶8对拉索1正式施加张拉力至设计值，且拉索1弯折角度达到设计角度；

(9)维持拉索1索力在设计值的条件下静置，直至高强螺栓9紧固力再次衰减稳定；

步骤(5)和步骤(9)中的静置，是考虑高强螺栓自身应力松弛和索体受横向挤压蠕变的时间效应，对拉索-索夹组装件抗滑移承载力的影响。

(10)安装顶推撑杆12、顶推千斤顶4、顶推力传感器6、索夹滑移位移传感器5(顶推力传感器和索夹滑移位移传感器接入数据采集系统进行实时采集)；

(11)分级顶推试验索夹2，同步监测高强螺栓9紧固力、顶推千斤顶4的顶推力和试验索夹2滑移量，直至试验索夹2滑移量迅速增长，顶推力难以继续增加；

(12)依次卸除加载系统、监测系统和试件；

(13)根据顶推力-滑移量曲线确定索夹抗滑承载力，再结合高强螺栓9的有效紧固力(该有效紧固力是高强螺栓预紧后，经过一系列试验过程，发生应力松弛后的剩余紧固力，这个紧固力是最终顶推滑移时有效夹紧索体的力)、拉索1的索力和弯折角度，推算索体和索夹间的综合摩擦系数。

步骤(1)装配式反力框架的框架梁通过法兰盘连接，便于反力框架尺寸的调整；

步骤(2)中在索头螺母下安装索力传感器，并连接数据采集系统，用于实时测量索力。

步骤(1)和(2)中所述弧形锚座和弧形垫板，弧形垫板可沿弧形锚座圆弧滑动，以保证索端自由转动，且适应不同拉索弯折角度。

步骤(3)在试验索夹的高强螺栓上安设用于测量高强螺栓紧固力值的紧固压力传感器，并连接数据采集系统，保证高强螺栓在施拧时达到设计预紧力，并对试验索夹高强螺栓的紧固力进行实时监测。

步骤(6)中所述顶托滚轴和滑动垫片安设在索夹试件和横向张拉千斤顶之间，顶托滚轴的滚动方向顺索夹滑动方向，减小对索夹抗滑承载力的影响。

拉索张拉分三步，首先步骤(6)通过横向张拉千斤顶对拉索施加初始张拉力，至拉索弯折角度接近设计角度，然后步骤(7)通过索端张拉千斤顶对拉索初始张拉力进行调整，最后步骤(8)用横向张拉千斤顶对拉索正式施加张拉力至设计值，且拉索弯折角度达到设计角度，实现用较小的横向力对拉索施加较大的拉力。

步骤(10)中在千斤顶和试验索夹之间安设用于测量顶推力值的顶推压力传感器，并连接数据采集系统，在步骤(11)的顶推加载过程中实时监测顶推力值。

步骤(10)中在索体上安设两个位移传感器，测量方向与索体平行，分别用于测量索夹的主体和压板相对索体的滑移量，并连接数据采集系统，在步骤(11)中实时监测。

步骤(10)中分级顶推加载采用先分级大后分级小的加载制度，当索夹开始出现微小位移时，改成小荷载分级加载，根据对索夹抗滑移承载力的预估，选择合适的分级加载值

在步骤(11)分级顶推索夹之前，进行拉索张拉，以考虑拉索拉力对索夹抗滑承载力的影响。

在步骤(8)之后，在步骤(11)之前，步骤(9)进行静置，直至高强螺栓紧固力衰减稳定，以考虑时间效应对索夹抗滑承载力的影响。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统，其特征在于，所述试验系统包括拉索试件、反力系统、加载系统和监测系统，其中拉索试件由索体、锚具、索头螺杆和索头螺母构成；索夹由主体、压板和高强螺栓构成；反力系统主要由装配式反力框架、弧形锚座和弧形垫板、顶推撑杆构成；加载系统主要由索端张拉千斤顶及撑脚和螺母、横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片、索夹顶推千斤顶构成；监测系统主要由索力传感器、索夹高强螺栓紧固力传感器、顶推力传感器、索夹滑移位移传感器构成。

2.根据权利要求1所述的弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验系统，其特征在于，试验索夹通过高强螺栓夹持在拉索索体上，试验索夹上的每个高强螺栓设置紧固力传感器，用于实时监测螺栓紧固力变化；在索头螺母和弧形垫板之间设置索力传感器，用于实时监测索力变化；索端张拉千斤顶通过索端张拉用螺母和索端张拉用撑脚实现对拉索初始张拉力的调整；顶推千斤顶通过顶推撑杆置于试验索夹和装配式反力框架之间，在顶推千斤顶和试验索夹之间放置顶推力传感器，测量顶推力值；两个位移传感器放置在拉索的索体上，分别测量索夹主体和压板相对索体的滑移量；横向张拉千斤顶、顶托滚轴、滑动垫片放置在索夹和反力框架之间，横向对拉索施加张拉力；装配式反力框架通过法兰连接装置拼接，拉索两端的索头螺母通过弧形垫板和弧形锚座支承在反力框架上，使索端能自由转动且适应不同拉索弯折角度。

3.采用权利要求1或2中所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于，试验过程包括以下步骤：

(1)试验系统准备，拼装反力系统中的反力框架和弧形锚座；

(2)在装配式反力框架中安装拉索试件和弧形垫板，并在索头螺母和弧形垫板之间安装索力传感器；

(3)在索体中部安装试验索夹试件，在索夹的高强螺栓下安装紧固力传感器；

(4)预紧索夹的高强螺栓，直至紧固力达到设计预紧力；

(5)静置，直至高强螺栓紧固力衰减稳定；

(6)安装横向张拉千斤顶及顶托滚轴和滑动垫片，横向对拉索施加初始张拉力，至拉索弯折角度接近设计角度；

(7)安装索端张拉用的撑脚、千斤顶和螺母，对拉索初始张拉力进行调整；

(8)用横向张拉千斤顶对拉索正式施加张拉力至设计值，且拉索弯折角度达到设计角度；

(9)维持索力在设计值的条件下静置，直至高强螺栓紧固力再次衰减稳定；

(10)安装顶推撑杆、顶推千斤顶、顶推力传感器、索夹滑移位移传感器；

(11)分级顶推索夹，同步监测高强螺栓紧固力、顶推力和索夹滑移量，直至索夹滑移量迅速增长，顶推力难以继续增加；

(12)依次卸除加载系统、监测系统和试件；

(13)根据顶推力-滑移量曲线确定索夹抗滑承载力，再结合高强螺栓的有效紧固力、拉索的索力和弯折角度推算索体和索夹间的综合摩擦系数。

4.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：在步骤(11)分级顶推索夹之前，进行拉索张拉，以考虑拉索拉力对索夹抗滑承载力的影响。

5.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：在步骤(8)之后，在步骤(11)之前，步骤(9)进行静置，直至高强螺栓紧固力衰减稳定，以考虑时间效应对索夹抗滑承载力的影响。

6.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：拉索张拉分三步，首先步骤(6)通过横向张拉千斤顶对拉索施加初始张拉力，至拉索弯折角度接近设计角度，然后步骤(7)通过索端张拉千斤顶对拉索初始张拉力进行调整，最后步骤(8)用横向张拉千斤顶对拉索正式施加张拉力至设计值，且拉索弯折角度达到设计角度，实现用较小的横向力对拉索施加较大的拉力。

7.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：步骤(10)中在千斤顶和试验索夹之间安设用于测量顶推力值的顶推压力传感器，并连接数据采集系统，在步骤(11)的顶推加载过程中实时监测顶推力值。

8.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：步骤(1)和(2)中所述弧形锚座和弧形垫板，弧形垫板可沿弧形锚座圆弧滑动，以保证索端自由转动，且适应不同拉索弯折角度。

9.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：步骤(1)装配式反力框架的框架梁通过法兰盘连接，便于反力框架尺寸的调整。

10.根据权利要求3所述的一种弯折拉索与索夹组装件抗滑移承载力试验方法，其特征在于：步骤(10)中分级顶推加载采用先分级大后分级小的加载制度，当索夹开始出现微小位移时，改成小荷载分级加载，根据对索夹抗滑移承载力的预估，选择合适的分级加载值。

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