鋼絞線灌漿型錨夾具體系ANSYS有限元分析

摘要:目前，鋼絞線在實際應用過程中的錨固問題一直是人們關注的重點。夾片式錨夾具和握裹式錨夾具(也叫套管灌漿型錨夾具)是目前解決鋼絞線錨固問題的主要手段。本文針對灌漿料填充楔塊錨夾具，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了單孔錨具有限元模型，分析了錨杯內壁傾角、摩擦系數、錨杯長度、環氧灌漿料彈性模量以及灌漿料體積等對錨具力學特性——應力分布和變形的影響。

關鍵詞:鋼絞線 錨夾具 灌漿料 有限元法

0 引言

鋼絞線作為一種重要的建筑材料在土木工程中的應用十分廣泛。不過鋼絞線徑向強度相對于軸向強度稍低，徑向荷載過大會造成應力集中，或者發生滑移現象而使得其較高的軸向拉伸強度發揮不出來，因此鋼絞線的連接和錨固成為一個很重要的問題。

對于一般夾片式錨具，摩擦系數、錨杯內壁傾角、錨杯長度、等參數都會對錨固性能產生影響[1-3]。而對于握裹式錨夾具，錨具長度、灌漿料的彈性模量和粘結性能是錨夾具錨固性能的最重要的影響因素。本文設計了一種環氧灌漿型錨夾具，這種錨夾具相對于一般的夾片式錨具具有增強楔塊與鋼絞線之間粘結力、彈性模量可通過改變配方調整的優勢。通過建立單孔模具的有限元模性，來分析摩擦系數、錨具長度、錨杯內壁傾角、環氧灌漿料彈性模量以及灌漿料體積對錨具的變形特征和內部應力分布的影響。同時對握裹式錨夾具受力狀態進行了有限元軟件分析，研究了錨具長度、環氧灌漿料彈性模量對錨夾具錨固性能的影響，以期為鋼絞線錨具的研制和改進提供參考依據。

1 握裹式錨夾具(套管灌漿錨具)

1.1 握裹式錨夾具的結構 如圖1所示，當鋼絞線兩端與試驗機的夾具固結受力F作用時，環氧灌漿料通過粘結作用和靜摩擦作用一同將其傳遞給金屬套管。

不難看出，握裹式錨夾具對鋼絞線的錨固力主要由環氧灌漿料的粘結性能和粘結有效長度即金屬套管長度決定。

1.2 有限元計算 本文中的錨固對象是拉伸強度為1570MPa級別、表觀直徑為7mm的鋼絞線。根據其結構和受力特征，建立二維軸對稱單元進行分析，選用PLANE42實體單元。模型存在兩個接觸面，即鋼套管與灌漿料、灌漿料與鋼絞線之間。對于接觸問題，ANSYS能夠支持剛體—柔性體的面—面接觸單元。通過一個共享的實常數編號來識別“接觸對”(包括一個目標單元和一個接觸單元)。這種面—面接觸單元能夠支持低階或高階單元，對有較大滑動、變形并且存在摩擦的接觸問題可以提供較好的計算結果。本文的接觸單元和目標單元分別采用CONTA172和TARGE169。有限元模型如圖2所示:

1.3 結果分析 為了便于分析，本文主要考察粘結力較大，即鋼絞線與錨夾具之間無滑移時的情況。下圖是無滑移時錨具內鋼絞線內部應變及應力分布情況。

下圖是張拉鋼絞線過程中，其內部各點應變變化情況，圖5為計算結果:

從圖中可以看出，握裹式錨夾具中不同位置的應變變化情況。可以通過反復試驗對有限元計算參數進行修正，可以對鋼絞線錨具的受力狀態進行準確的分析。

2 灌漿料填充楔塊錨夾具

2.1 灌漿料填充楔塊錨夾具的結構 如圖6所示，當鋼絞線受力F作用時，環氧灌漿料楔塊由于粘結力和靜摩擦力作用隨鋼絞線一同運動。同時，由于楔塊原理將越楔越緊。當錨具對鋼絞線的錨固力大于設計強度或鋼絞線自身拉伸強度時，即滿足要求。

錨杯傾角、鋼絞線與環氧灌漿料之間的粘結力和摩擦系數、環氧灌漿料與錨杯的摩擦系數、錨杯長度、環氧灌漿料彈性模量以及體積等都會影響錨固性能。因此，需要通過參數化設計來尋求途徑使得鋼絞線的高強性能得以充分發揮。

2.2 有限元模型的建立 錨固對象是拉伸強度為1570MPa級別、直徑為7mm的鋼絞線。對于單孔錨具，根據其結構和受力特征，建立二維軸對稱單元進行分析，選用PLANE42實體單元。整個模型包含2個接觸面，一個接觸面位于環氧灌漿楔塊與錨杯之間，由于減小其摩擦有利于楔塊的滑動，故在實際實驗時采用涂潤滑油的方法減小其摩擦，定義其摩擦系數f1=0.02(固定);另一個接觸面位于鋼絞線與環氧灌漿楔塊之間，其間具有很強的粘結力有利于錨具對鋼絞線的錨固，定義其摩擦系數f2。本文的接觸單元和目標單元分別采用CONTA172和TARGE169。定義錨杯內壁傾角α、錨杯長度l。

有限元模型如圖7所示。

錨夾具各組成部分特性如表1所示，其中環氧灌漿楔塊的彈性模量根據配比來確定。

本文主要研究鋼絞線在荷載作用下所受到的徑向應力變化。

2.3 數值計算結果分析 計算時，先對錨杯施加一擾動壓力，然后以1KN的步長逐步張拉鋼絞線，最終載荷為50KN，對于直徑7mm的鋼絞線而言，拉應力幅值達到1300MPa，同極限強度相當。通過計算來分析鋼絞線與環氧灌漿楔塊間摩擦系數、環氧灌漿料彈性模量、錨杯內壁傾角、錨杯長度以及灌漿料體積對鋼絞線所受徑向應力的影響。

2.3.1 鋼絞線與環氧灌漿楔塊摩擦系數的影響 在環氧灌漿料與鋼絞線之間的粘結力不足夠大時，荷載作用下，鋼絞線會發生滑移。本文取鋼絞線與環氧楔塊之間的摩擦系數f2分別為0.1、0.3、0.5、0.7。此時固定錨具長度6cm，內壁傾角6°，環氧灌漿楔塊彈性模量32GPa。計算結果如下:

從圖中可以看出，鋼絞線在錨具長度范圍內的徑向應力隨著摩擦系數的增大而增大，摩擦系數為0.7時的最大徑向應力-138.37MPa僅是0.1時-116.91的1.18倍，變化不是很大?？梢姡敪h氧灌漿楔塊粘結力不足，導致與鋼絞線之間產生滑移后，如果產生滑移的界面能夠保證一定的摩擦系數，錨具性能還能夠保持良好，而鋼絞線也不至于在徑向應力作用下被剪斷。

2.3.2 環氧灌漿楔塊彈性模量的影響 在環氧樹脂中摻加不定量的金屬粉末，可控制灌漿料材料的彈性模量在純環氧樹脂和金屬之間變化。本文取環氧灌漿楔塊的彈性模量分別為32GPa(純環氧樹脂)、49GPa(同GFRP)、80GPa、199GPa(同金屬)。此時固定錨具長度6cm，內壁傾角6°，楔塊與鋼絞線摩擦系數0.7。計算結果如下:

從圖中可以看出，隨著環氧灌漿料彈性模量的增加，鋼絞線所受徑向應力越小。在其彈性模量接近金屬時最小，達到-54.92MPa。但同時由于金屬粉末摻加量的增加，會降低環氧填充料與鋼絞線之間的粘結力和摩擦系數。這也是金屬夾片式錨具的缺點。所以，在配制環氧灌漿料時要兼顧粘結力和彈性模量兩個參數。在滿足徑向應力條件下，降低金屬粉的摻加量。

2.3.3 錨杯內壁傾角的影響 本文取環氧灌漿楔塊的彈性模量分別為32GPa、固定錨具長度6cm，楔塊與鋼絞線摩擦系數0.7。計算內壁傾角分別為2°、4°、6°、8°時結果如下:

從圖中可以看出，當內壁傾角為6°時鋼絞線所受徑向應力最小為-161.27MPa，分別為2°、4°、8°時-200.815MPa、-165.934MPa、-188.076MPa時的80.3%、97.2%、85.7%。可見，對于本文楔形灌漿形錨夾具的最佳內壁傾角應為6°。

2.3.4 錨杯長度的影響 本文取環氧灌漿楔塊的彈性模量分別為32GPa、固定內壁傾角4°，楔塊與鋼絞線摩擦系數0.7。計算錨具長度分別為4cm、6cm、8cm、10cm時結果如下:

從圖中可以看出，當錨具長度為6cm時，鋼絞線所受最大徑向應力為-107.951MPa，分別為4cm、8cm、10cm時的86.62%、83.55%、72.45%?？梢姡瑢τ诒疚闹泄酀{型錨具，雖然增加錨具長度會提高錨具體系的錨固力，但會增加鋼絞線所受的徑向壓力。對于本文中的錨固體系，錨具長度取6cm為宜。

2.3.5 灌漿料體積的影響 在保證內壁傾角、錨具長度時，灌漿料的體積由灌漿料前端厚度h大小來決定。本文取環氧灌漿楔塊的彈性模量分別為32GPa、固定內壁傾角6°，楔塊與鋼絞線摩擦系數0.7、錨具長度為6cm時，計算灌漿料前端厚度h分別為0.002、0.005、0.008、0.012、0.016時的結果如下:

從圖中可以看出，灌漿料前端厚度越大即灌漿料體積越大，G鋼絞線所受的最大徑向壓力越小，h為0.012時的最大徑向應力為-63.131MPa，分別為h為0.002、0.005、0.008時最大徑向應力-217.757MPa、-133.731MPa、-93.212MPa的29.0%、47.2%、67.7%。但是，由于灌漿料體積增大使錨夾具的整體體積變大，不便于與試驗機連接。所以，在確定灌漿料體積時，要綜合考慮強度和實際試驗條件。

3 結語

3.1 有限元參數化設計分析方法是確定錨夾具形式的一種有效途徑，本文應用這一方法對灌漿性錨夾具建立了考慮接觸問題的非線性有限元模型，分析了金屬套管握裹式錨夾具以及楔形錨夾具的受力狀態，并對影響楔形錨夾具的幾個參數:摩擦系數、錨杯內壁傾角、錨杯長度、環氧灌漿料彈性模量以及灌漿料體積等等作了分別討論，給出了最佳參數。

3.2 雖然采用有限元法可以給出較合理的錨夾具體系參數，但同時還要結合考慮實際加工和連接情況將各參數控制在一個合理的范圍即可。

參考文獻:

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[3]孔慶華，王四玲，謝強.夾片式單孔預應力錨具的結構分析[J].精密制造與自動化，2005(3): 9~10