CN114319105B - 摩擦型夹片及其施工方法 - Google Patents

Abstract

随着预应力钢绞线向着高强度化发展，将钢绞线锚固在锚具上所需夹片(Wedge)的表面硬度提升范围已经趋于极限，为了解决钢绞线和夹片表面硬度差缩减所产生的锚固效果降低的问题，本发明提出了摩擦型夹片及其施工方法，即摩擦型夹片的夹持面没有加工传统的螺纹牙型，而是覆盖有一定厚度的塑性变形材料，以及与上述塑性变形材料混合成一体并部分突出塑性变形材料表面的摩擦材料。钢绞线在锚固过程中，上述塑性变形材料产生塑性变形，并在其变形过程中挤压摩擦材料与钢绞线接触并咬合在其表面从而产生摩擦力进行锚固。

Description

摩擦型夹片及其施工方法

技术领域

本发明涉及摩擦型夹片及其施工方法，更具体的说就是随着预应力钢绞线的高强度化发展，为了将预应力钢绞线锚固在锚固具上所使用的夹片(Wedge)表面硬度已经到达了极限值，本发明的摩擦型夹片即为解决因上述原因导致锚固效率指数下降问题的方案。

背景技术

预应力钢绞线(S，也称PS钢绞线)为桥梁等用于预应力施工的钢丝束(Strand)，通过将钢丝扭绞加工成型。这种传统预应力钢绞线(S)的锚固是通过在两片式或者三片式的夹片(30)内表面加工能够将预应力钢绞线(S)咬合的螺纹进行锚固，而夹片插入锚固具上的锚孔，且夹片的外表面则与锚固具上的锚孔内壁接触，再通过张拉钢绞线投入预应力后即可锚固。

如图1a所示，锚固在预应力钢绞线(S)圆周面上的夹片(30)为了得到充分的摩擦力，我们可以看到在其内表面上加工有螺纹，这些螺纹在锚固过程中将会咬合在预应力钢绞线(S)的圆周面上，形成一定深度的咬痕(A)。即，夹片(30)咬合在预应力钢绞线(S)上从而成为一个整体，并在进入锚固具的锚孔时依靠其产生的摩擦阻力将预应力钢绞线(S)锚固起来。

近期以来，桥梁施工(技术规范)要求用高碳钢生产制作的预应力钢绞线(S)的表面硬度(通常表示为HRC(HardnessRockwellC：即洛氏硬度)要在一定的规定范围内，但是随着桥梁长大化的发展需要，开始使用高强度预应力钢绞线(S)，也即提高了预应力钢绞线(S)的表面硬度。

但是夹片(30)并没有为了应对高强度预应力钢绞线(S)的应用而进行改变，还在沿用从前的产品，因此在锚固表面硬度已经提高的高强度预应力钢绞线(S)的时候，夹片(30)的螺纹无法在预应力钢绞线(S)上形成充分咬痕(A)，此时夹片(30)将会产生锚固效率系数不足的问题。虽然可以用热处理等方法提升夹片(30)的表面硬度，但是目前已经接近或达到了钢材经热处理所能提升硬度的极限，所以通过不断提升夹片(30)的强度(包括表面硬度)来解决锚固效率系数问题的方法已经没有了现实可行性，因为超过了钢材热处理硬度极限的夹片在锚固高强度预应力钢绞线(S)时，会产生龟裂，破损等问题。

上述先行技术的锚固套(Grip，70)为一种包覆在预应力钢绞线(10)的圆周面上的管状材料，穿过锚具的穿透式锚孔(81)时，锚固套(Grip，70)的前端产生压缩力从而使其变径包裹钢绞线，利用这一原理对预应力钢绞线(10)进行锚固。

预应力钢绞线(10)与锚固套(Grip，70)之间具有一种螺旋形式的金属部件(40)，当锚固套产生塑性变形时，压迫该部件，使锚固套(Grip，70)更加紧密地压迫预应力钢绞线(10)，从而产生更好的锚固效果。

该螺旋形式的金属部件(40)为一种处于预应力钢绞线(10)与锚固套(Grip，70)之间的，且另外制作并安装在上面的部件，其目的是为了增加锚固套(70)的摩擦阻力效果，并且只适用于预应力钢绞线的一个端部(即固定端)，不适用于张拉端的锚固(张拉后进行锚固的那一端)。

如图1b的右侧图所示，作为张拉端的夹片(6)与预应力钢绞线(10)之间，可以填充多种填充物(13)，填充物硬化后，使预应力钢绞线(10)与夹片(6)之间产生充分的附着力用以锚固。我们知道利用这种树脂类填充材料(13)也可以增加夹片与预应力钢绞线之间的锚固效果，但是上述填充材料(13)作为树脂类材料，其提供的锚固效率系数不足以适应预应力钢绞线高强度化所需的锚固效果，基于上述原因，即使夹片本身的强度不能大幅度提升，但仍能够使夹片锚固高强度钢绞线的锚固系数得到满足的技术手段就变得具有必要性。

先行技术文献如下：

(专利文献0001)0001)韩国专利第10-0956799号(发明名称：夹片式钢丝夹具，公开日期：2009年11月03日)；

(专利文献0002)0002)日本国专利第399708号(发明名称：预应力钢材的固定方法，公开日期：2007年07月27日)

(专利文献0003)0003)日本国公开专利第2000-345656(发明名称：预应力钢材的压缩套，公开日期：2000年12月12日)。

发明内容

有鉴于此，本发明为了应对预应力钢绞线的高强度化趋势，将即便不提升高强度钢绞线用夹片的硬度，也能够利用夹片将预应力钢绞线通过张拉将其锚固在锚固具上锚孔里的解决方案作为本发明的技术课题，即，摩擦型夹片以及其施工方法。也就是说，与上述先行技术中的夹片与提供摩擦力的材料分别安装的方式不同，本发明希望解决的技术课题是将夹片与增加锚固力的摩擦材料形成一个整体，在预应力钢绞线的锚固作业中，与传统夹片相比，其施工难易度和作业效率没有变化的一种摩擦型夹片及其施工方法。

为了达成上述课题的目的，本发明提供了一种将摩擦型夹片，本发明为了锚固插入在锚固具锚孔中的预应力钢绞线，在单片夹片的内表面具有塑性变形材料，以及与上述塑性变形材料混合为一体且部分突出表面的摩擦材料；在上述预应力钢绞线的锚固过程中，塑性变形材料产生塑性变形，并促使突出在表面的部分摩擦材料咬合在预应力钢绞线上获得摩擦力，也即是上述摩擦力为在预应力钢绞线锚固过程中，突出在塑性变形材料表面的摩擦材料首先接触预应力钢绞线的圆周面(外表面)，并咬合在其上形成第一层次的摩擦力；在锚固过程中持续投入的预应力作用在塑性变形材料上使其产生塑性变形，这一过程可持续至预应力钢绞线的圆周面和夹片表面接近至相同的摩擦材料同时咬合在预应力钢绞线的表面上和夹片的表面上以完成塑性变形过程，并产生第二层次的摩擦力，增大锚固效果。上述摩擦材料和塑性变形材料为混合后加热，熔点低的塑性变形材料首先熔化，并与摩擦材料混合，然后将其喷涂在单片夹片的内表面成型，这一过程将有部分摩擦材料颗粒处于突出于塑性变形材料的表面；上述摩擦材料是熔点比塑性变形材料高的材料，并且是硬度的要超过预应力钢绞线表面硬度的颗粒状材料，如碳化钨颗粒或氧化铝颗粒等。上述塑性变形材料是一种在锚固过程中，在应力作用下可以产生塑性变形的材料，如低碳素钢等。

为了达成上述课题的目的，本发明还提供了一种摩擦型夹片施工方法，将摩擦型夹片安装在锚固具上的锚孔内，将预应力钢绞线锚固在锚孔上；塑性变形材料产生塑性变形，并使突出在表面的部分摩擦材料咬合在预应力钢绞线上获得摩擦力，也即是上述摩擦力为在预应力钢绞线锚固过程中，突出在塑性变形材料表面的摩擦材料首先接触预应力钢绞线的圆周面(外表面)，并咬合在其上形成第一层次的摩擦力；在锚固过程中持续投入的预应力作用在塑性变形材料上使其产生塑性变形，这一过程可持续至预应力钢绞线的圆周面和夹片表面接近至相同的摩擦材料同时咬合在预应力钢绞线的表面上和夹片的表面上以完成塑性变形过程，并产生第二层次的摩擦力，这一过程即使无视夹片本身的强度和硬度也可以发生。

本发明中摩擦型夹片与塑性变形材料及摩擦材料形成一体的原理是利用了摩擦材料的熔化温度高于塑性变形材料熔化温度这一特性，将两种材料混合成一体，并与夹片有效地结合成一体，所以可以确保较高的生产效率和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a为关于现有技术预应力钢绞线(S)及锚固用夹片(30)的图示；

图1b为现有先行技术的锚固套(Grip，40)的安装图示及预应力钢绞线(S)与夹片之间装有填充材料(6)的图示；

图2a，图2b及图2c为本发明摩擦型夹片(100)的构成要素示意图及安装示意图；

图3a及图3b为本发明摩擦型夹片(100)施工方法图示；

图中：100、摩擦型夹片；110、单片夹片；120、约束圈；130、塑性变形材料；140、摩擦材料；200、锚板；210、预应力钢绞线；220、锚固具；230、锚孔；300、混凝土结构物。

具体实施方式

为了使具备本发明所属技术领域常识的任何人员，通过参考下附的示意图即可以理解并实施本发明方案，本方案做了详细的说明，但是本发明有可能通过几种不同的形态进行具体实施，所以本发明的范围并不局限于这里所做的说明案例。另外，为了通过示意图正确地描述本发明，所以将与本发明案描述无关的部分进行了省略，并在明细说明内容上将类似的部分命名了类似的符号。

明细说明上描述“包括”了那种构成要素的的时候，如没有与之相冲突的记载，就意味着不是排除那种构成要素以外的要素，而是可能包括了那些要素。

本发明实施例公开了摩擦型夹片。

上述摩擦型夹片(100)参考图2c，单片夹片(110，夹片的一个部分)，是将塑性变形材料(130)，及与其混为一体的摩擦材料(140)进行一体化的主体，摩擦型夹片(100)是由数个单片夹片通过约束圈(120)结合而成。

摩擦型夹片(100)安装在预应力钢绞线(210)的外圆周面上，预应力钢绞线(210)经过张拉后锚固在锚固具(220)上的数个锚孔(230)里。

构成本发明摩擦型夹片(100)的单片夹片(110)的塑性变形材料的熔点温度(范例，钢铁；1580℃左右)相比较，摩擦材料的熔点温度更高(范例，立方氮化硼CBN-Cubicboronnitride；1900℃以上；或硬质合金材料颗粒WC-Tungstencarbide，碳化钨；2870℃)，将两种材料混合并喷涂在单片夹片(110)的内表面上成型。

也可以利用电镀技术，将混有塑性变形材料电解离子、界面活性剂和摩擦材料颗粒的电镀液直接在单片夹片内表面混镀成一定厚度的塑性变形摩擦层的方法来具体实施。

通过摩擦材料(140)和塑性变形材料(130)的作用，在与预应力钢绞线(210)的强度和表面硬度无关的情况下，单片夹片(110)都可以给锚固具(220)提供足够的锚固效果。

上述本发明描述的方案包含了锚板(200)，预应力钢绞线(210)，锚固具(220)，锚孔(230)。

首先，如图2C所示，预应力钢绞线(210)是由数根钢丝扭绞后加工而成，利用张拉器具张拉后，再利用摩擦型夹片(100)将其锚固在锚固具(220)上的锚孔(230)内。

制作预应力钢绞线(210)的钢丝通常是利用高碳素钢制作而成，具有一定的强度和表面硬度。目前，由于拉索类桥梁使用的预应力钢绞线的高强度等级为2200～2400MPa，其表面硬度(通常用洛氏硬度指标来表示)自然会随之增大，鉴于此，咬合在上述预应力钢绞线(210)圆周面上的夹片如果根据高强度化的预应力钢绞线将其表面硬度(包括强度)进行提升(即使用高强度专用夹片)，则在锚固过程中有可能滑移现象，从而降低锚固效果和可靠性。

随着预应力钢绞线(210)的高强度化，如果进行传统夹片本身的升级以适应这个趋势，我们知道已经达到材料的极限，参照图2c上的锚固具(220)，是一种埋入在混凝土结构物(300)中的，通常呈圆形板状态的钢材。这种圆形板状形态的锚固具(220)上加工有数个锚孔(230)，该锚孔(230)为贯穿锚固具(220)的通孔。这种锚固具(220)埋入在包括桥梁在内的混凝土结构(300)上，但是锚孔(230)是外露的，进行安装作业时，在插入锚孔(230)上的预应力钢绞线(210)的周围设置安装摩擦型夹片(110)。

张拉预应力钢绞线(210)后，将张拉力撤出时，摩擦型夹片(100)随收缩的钢绞线进入锚孔(230)，并锚固钢绞线，从而将张拉所得的预应力传递到混凝土结构物(300)上。

参考图2c我们可以得知，上述锚孔(230)的作用是当预应力钢绞线(210)插入并引出在锚固具(220)上的锚孔(230)的时候，提供将摩擦型夹片(100)环绕着钢绞线安装在其上并通过锚固具(220)将钢绞线锚固的孔道，而该孔道的形状与摩擦型夹片(100)相对应，是一端直径比另一端直径小的锥形通孔。

摩擦型夹片(100)的小端直径从锚孔(230)的大端直径侧进入并大部分插入其中，环绕安装在预应力钢绞线(210)的圆周面上，受力后摩擦型夹片(100)根据楔形原理进行锚固。此时，摩擦型夹片(100)的内侧面包覆预应力钢绞线(210)的外圆周面，而外侧面与锚孔(230)的内侧面相接触，产生楔形面。结合图2a下部的示意图中，本发明方案中，突出在塑性变形材料(130)表面上的摩擦材料(140)呈环状附着在预应力钢绞线(210)的钢丝上并提供一定的咬合力，张拉预应力钢绞线(210)时，摩擦型夹片(100)被自动带入锚孔里产生自锚现象(SelfAnchor现象)。

随着张拉应力的增加，塑性变形材料(130)发生塑性变形，当塑性变形量达到极限值，不再发生塑性变形时预应力钢绞线(210)的外表面将于摩擦型夹片(100)基体的内表面接触，并不再发生塑性变形，上述摩擦材料将在预应力钢绞线(210)和摩擦型夹片中间产生交互咬合，在张拉应力的反方向上产生摩擦力，极大地提升锚固效果，如图2a和2b所示为了能够使上述摩擦型夹片(100)呈环状附着在预应力钢绞线(210)上，数片单片夹片(110)用弹性约束圈(120)约束在一起。

如图1a所示，现有先行技术的夹片在咬合预应力钢绞线的所用的内表面则加工有螺纹，而锚固时需在预应力钢绞线的圆周面上咬合出咬痕(A)才能进行有效锚固。而预应力钢绞线(210)的高强度化，使夹片的表面硬度(强度)无法随之进行提升，螺纹会发生无法正常在预应力钢绞线(210)的表面产生咬痕，从而产生滑移现象，降低锚固效果，鉴于此，如图2a和2b所示，本发明不是在上述单片夹片(110)的内部加工螺纹，而是在单片夹片(110)的内部将与塑性变形材料(130)混为一体的摩擦材料与其本身形成一体。

如图2a及2b所示，塑性变形材料(130)是一种在锚固过程中，可以受到应力的作用而产生塑性变形的金属材料，如低碳素钢，合金钢等，其中以低碳素钢为例，其熔点温度为1450℃。

如图2a及2b所示，摩擦材料(140)是熔点温度要高于塑性变形材料(130)的熔点温度，而且硬度高于预应力钢绞线(210)的表面硬度的颗粒状材料，如用于制作切削金属用硬质合金工具用的碳化钨颗粒，以及制作磨削工具用的氧化铝颗粒等。以碳化钨颗粒为例，其熔点温度高达2800℃以上，而采用氧化铝颗粒的情况下，其熔点温度则为2200℃以上。

因此，把摩擦材料(140)与塑性变形材料(130)互相混合的办法为加热后熔点温度低的塑性变形材料(130)使其先融化，从而使摩擦材料(140)与塑性变形材料(130)产生充分的混合，将摩擦材料(140)和熔融的塑性变形材料(130)高速喷涂到单片夹片(110)的表面，并自然产生出部分突出表面的摩擦颗粒。

上述解决预应力钢绞线(210)表面硬度问题的摩擦材料(140)与塑性变形材料(130)的混合喷涂，可采用等离子高温喷涂技术或纳米材料低温喷涂技术在夹片表面形成一定的厚度，摩擦材料(140)的部分颗粒突出在塑性变形材料(130)的表面上，硬化后，在一定的外部应力作用下可以产生永久塑性变形。即，如图2a所示，在外部应力作用下，塑性变形材料(130)层产生了施加应力的预应力钢绞线(210)的线型形态的凹进部分，因此我们可以知道摩擦材料颗粒(140)透过变形的塑性变形材料(130)而接触到预应力钢绞线(210)的圆周面，从而获得摩擦力。亦即，在张拉应力的作用下，塑性变形材料(130)包围在预应力钢绞线(210)的圆周面产生变形，塑性变形最终完成时，摩擦材料(140)将同时接触摩擦型夹片(100)及预应力钢绞线(210)的圆周面，并咬合其上。

如图2a及2b所示，摩擦材料(140)直接接触并咬合在预应力钢绞线(210)的圆周面上，并产生第一个层次的摩擦力。在投入预应力的锚固过程中，与塑性变形材料(130)混为一体的摩擦材料(140)在相反于预应力的方向产生阻抗的同时产生塑性变形，最终塑性变形完成后摩擦材料(140)同时咬合在摩擦型夹片(100)内表面和预应力钢绞线(210)的外表面上，产生第二个层次的摩擦力。

本发明还公开了摩擦型夹片(100)的施工方法。

上述摩擦型夹片(100)的施工方法如图3a及图3b所示，是一种在埋入混凝土结构物(300)中的锚固具(220)上的锚孔(230)内，利用摩擦型夹片(100)将预应力钢绞线(210)进行张拉后锚固的方法

如图3a所示，前面所述桥梁预应力锚板(200)埋入在混凝土结构物(300)中。

上述锚板(200)以锚孔(230)外露的方式埋入在混凝土结构物(300)中，预应力钢绞线(210)插入在锚孔(230)内，端部延伸至孔外。

前面描述的摩擦型夹片(100)内侧面形成有一定密度的突出于表面的摩擦材料(140)，为使突出于塑性变形材料(130)表面的摩擦材料(140)与预应力钢绞线(210)的外周面更好地接触，为了使预应力钢绞线(210)、单片夹片(110)处在锚固初期各自表面硬度不产生作用的滑入锚孔阶段的顺利进行，并顺利安装在锚固具(220)上，在夹片上安装约束圈(120)予以约束。

如图3b所示，在预应力钢绞线(210)延伸出来的部分，利用液压千斤顶等装备进行张拉(未图示部分)，此为摩擦型夹片(100)在锚固具(220)上的锚孔(230)里进行的初期锚固，将张拉状态解除后，预应力钢绞线(210)将产生回缩，而摩擦型夹片(100)将缩入锚孔(230)内部由楔形效应产生锚固效果，从而通过锚固具(220)在混凝土结构物(300)上产生预应力。

在锚固过程中，摩擦型夹片(100)上的摩擦材料(140)直接接触在预应力钢绞线(210)的圆周面(表面)上并咬合在其上产生第一阶段的摩擦力，与塑性变形材料(130)混合为一体的摩擦材料(140)在持续投入预应力的过程中，塑性变形材料(130)在预应力的作用下发生塑性变形，并在塑性变形过程中使单片夹片(110)更加紧密的包覆预应力钢绞线(210)进而产生第二个层次的摩擦力，也就是说，单片夹片(110)的强度和硬度也间接参与了增加锚固效应。

上述关于本发明的叙述是为了根据范例进行说明的内容，具备本发明所属技术领域常识的任何人员，在没有对本发明的的技术思路和必要的特征进行改变的情况下，可以比较容易地以其它形态进行具体实施，所以上述说明的范围是为了说明本发明案的特殊例子，例如，以单一形态进行了说明的各个构成要素可以进行分散实施，而分散说明的的构成要素也可以按照集成形态实施。

本发明的权力范围通过上述的详细说明和后面的专利范围来，专利权的意义及范围，以及按照均等概念衡量所有要素时体现的形态、变化的形态都应当包括在本专利的权力解释范围内。

Claims (3)

1.摩擦型夹片，为了将插入在锚固具(220)上锚孔(230)内的预应力钢绞线(210)锚固在锚孔(230)内，其特征在于，单片夹片(110)内侧设有塑性变形材料(130)以及与塑性变形材料(130)形成混合体且部分突出塑性变形材料(130)表面的摩擦材料(140)，在锚固上述预应力钢绞线(210)的过程中，塑性变形材料(130)产生塑性变形并使突出表面的摩擦材料(140)咬合在预应力钢绞线(210)的表面上从而获得摩擦力；

上述摩擦力为预应力钢绞线(210)在被锚固的过程中，突出表面的摩擦材料(140)直接接触在预应力钢绞线(210)的圆周面上，并咬合在其上产生第一个层次的摩擦力；

在投入预应力进行锚固的过程中，与摩擦材料(140)混合为一体的塑性变形材料(130)在投入的预应力的作用下，将产生塑性变形，塑性变形最终完成至将摩擦材料(140)挤压到同时咬合摩擦型夹片(100)和预应力钢绞线(210)的变形程度时，产生第二个层次的摩擦力，提高锚固效果；

上述摩擦材料(140)和塑性变形材料(130)相互混合后进行加热，熔点低的塑性变形材料(130)先行熔化后与摩擦材料(140)混合成一体，喷射在单片夹片(110)的内表面形成变形层，有部分摩擦材料(140)将突出于塑性变形材料(130)的表面，上述摩擦材料(140)采用熔点高于塑性变形材料(130)的颗粒形态材料，并且其硬度高于预应力钢绞线(210)的表面硬度，所述摩擦材料(140)为碳化钨颗粒或氧化铝颗粒，而上述塑性变形材料(130)采用在锚固过程中能够发生塑性变形的金属材料，所述塑性变形材料(130)为低碳素钢材料。

2.摩擦型夹片施工方法，其特征在于，包括：

(a)摩擦型夹片(100)，在其单片夹片(110)内侧形成有塑性变形材料(130)以及与上述塑性变形材料(130)形成一体的摩擦材料(140)；预应力钢绞线(210)锚固过程中突出在表面的摩擦材料(140)直接接触在预应力钢绞线(210)的圆周面上，并咬合在其上，产生第一层次的摩擦力；随着预应力的投入，即锚固过程中，在应力的作用下与摩擦材料(140)形成一体的塑性变形材料(130)产生塑性变形，塑性变形最终完成至将部分摩擦材料(140)挤压到同时咬合摩擦型夹片(100)内表面和预应力钢绞线(210)的圆周面时，达到产生第二层次的摩擦力的目的，提高锚固效果；以及

(b)将上述摩擦型夹片(100)安装在锚固具(220)上的锚孔(230)内，将预应力钢绞线(210)锚固在锚孔(230)上；

上述(a)步骤所述的摩擦材料(140)及塑性变形材料(130)相互混合加热后，熔点低的塑性变形材料(130)先被熔化，从而使摩擦材料(140)与塑性变形材料(130)相互混合，并有部分摩擦材料(140)在喷射涂覆在单片夹片(110)内表面成型时突出在塑性变形材料(130)的表面；

上述(a)步骤所述的摩擦材料(140)具有比塑性变形材料(130)高的熔点，并且是一种具有硬度值比预应力钢绞线(210)表面硬度更高的颗粒状态摩擦材料，所述摩擦材料(140)为碳化钨或氧化铝颗粒；

上述塑性变形材料(130)采用在锚固过程中，通过张拉力的作用能够产生塑性变形的金属材料，所述塑性变形材料(130)为低碳素钢。

3.根据权利要求2所述的摩擦型夹片施工方法，其特征在于，上述(a)步骤的摩擦型夹片(100)被固定到锚固具(220)上以将预应力引入到混凝土结构物(300)中。