探討鋼構(gòu)鋼管預(yù)應(yīng)力連接器及其應(yīng)用

吳志剛，武長(zhǎng)民，汪茗祥

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230011）

探討鋼構(gòu)鋼管預(yù)應(yīng)力連接器及其應(yīng)用

吳志剛，武長(zhǎng)民，汪茗祥

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230011）

建設(shè)工程項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)的使用量越來(lái)越大，如：工業(yè)民用建筑的廠房、倉(cāng)庫(kù)、體育場(chǎng)館、景觀設(shè)施、基礎(chǔ)施工、巷道的支撐系統(tǒng)等。隨著鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用增加，鋼構(gòu)鋼管連結(jié)的一些問(wèn)題也就顯現(xiàn)出來(lái)，目前常用的聯(lián)結(jié)方法在施工現(xiàn)場(chǎng)因受場(chǎng)地限制很難保證鋼構(gòu)鋼管的正、平、直的聯(lián)結(jié)要求，連接時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)勁，且各聯(lián)結(jié)方式都會(huì)有焊接作業(yè)，而焊接質(zhì)量又難以控制。有關(guān)規(guī)范要求：建設(shè)大跨度樓層或屋面梁、板時(shí)，為改善視角錯(cuò)覺(jué)，也為了修正自重沉降，設(shè)計(jì)文件中也要求提前增加跨中高度（起拱）。

預(yù)應(yīng)力連接器；鋼結(jié)構(gòu)的“起拱”；設(shè)計(jì)計(jì)算；應(yīng)用

經(jīng)過(guò)檢索并未見用于鋼結(jié)構(gòu)管材中的預(yù)應(yīng)力連接器，但需要促使我們?cè)O(shè)計(jì)出一種用于鋼結(jié)構(gòu)管材中的預(yù)應(yīng)力連接器，即可高效、可靠的安裝和拆除還可以使剛構(gòu)鋼管“起拱”。

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的“起拱”，設(shè)計(jì)文件雖有要求，因沒(méi)有統(tǒng)一的“起拱”方案，所以實(shí)際施工時(shí)或不做或亂做“起拱”。

通常，建筑構(gòu)件中使用的普通鋼筋也只有在屈服階段前才能保證安全，當(dāng)鋼筋到屈服階段后會(huì)發(fā)生塑性變形直至構(gòu)件破壞。

利用預(yù)應(yīng)力鋼筋制作構(gòu)件則可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力；改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性；降低用鋼量，節(jié)約成本。所以需要把預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合一起使用。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線，因其具有更好的柔韌性、高強(qiáng)度、低松弛性能等，故較其他預(yù)應(yīng)力鋼筋可以方便的布置，通過(guò)張拉施力，就可以使構(gòu)件在工作前就具有一定應(yīng)力（預(yù)應(yīng)力），使原本受拉應(yīng)力段被施加預(yù)應(yīng)力后變?yōu)閴簯?yīng)力，即“存儲(chǔ)”部分應(yīng)力，待正常使用時(shí)“釋放”出來(lái)。

其實(shí)兩根鋼管用預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行聯(lián)結(jié)并不難，但既要可靠聯(lián)結(jié)，又要拆卸方便；操作簡(jiǎn)單，節(jié)省鋼材；特別是大型鋼結(jié)構(gòu)在施工現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)正、對(duì)接，往往會(huì)耗費(fèi)大量的人工和時(shí)間；過(guò)長(zhǎng)的鋼絞線在高溫、大應(yīng)力狀態(tài)下其松弛性能也將大打折扣；盡可能的少用或不用焊接；滿足鋼構(gòu)鋼管的“起拱”要求，都是需要在設(shè)計(jì)中給予考慮的。

設(shè)計(jì)一個(gè)鋼構(gòu)鋼管預(yù)應(yīng)力連接器，給鋼構(gòu)鋼管一個(gè)施加預(yù)應(yīng)力的剛性平臺(tái)，可以方便的連接和拆除；可以滿足設(shè)計(jì)要求，使鋼構(gòu)鋼管“起拱”，“存儲(chǔ)”應(yīng)力。

我們?cè)O(shè)計(jì)出一種用于剛構(gòu)鋼管中的鋼絞線（預(yù)應(yīng)力）連接器：

連接器的使用方法

①按計(jì)算長(zhǎng)度裁切鋼絞線，并分別在鋼絞線的一端安裝擠壓錨頭（見安裝圖1示意），將鋼絞線束依次穿過(guò)螺紋墊板，方圓對(duì)接端A，穿入鋼構(gòu)鋼管內(nèi)。

安裝圖1：

②將擠壓錨端塞入第一個(gè)連接器內(nèi)250mm左右，旋入螺紋墊板到設(shè)計(jì)位置（見安裝圖2示意）。

安裝圖2:

③在鋼構(gòu)鋼管的另一端，將方圓對(duì)接端B的一端放入第一根鋼構(gòu)鋼管中，依次、依序?qū)摻g線穿入錨環(huán)的各孔中，向鋼構(gòu)鋼管的兩端順入方圓對(duì)接端，給錨環(huán)和鋼絞線裝上夾片，確保錨環(huán)和方圓對(duì)接端B對(duì)中后就可以實(shí)施張拉了（見安裝圖3示意，注意兩個(gè)方圓對(duì)接端與連接器的關(guān)系）。

安裝圖3:

④張拉過(guò)程應(yīng)遵守相關(guān)規(guī)程，張拉結(jié)束后錨環(huán)外出露的鋼絞線應(yīng)留有開始張拉時(shí)的余量，待拆卸（放張）時(shí)用。

⑤旋入第二個(gè)連接器（見安裝圖4示意），即可聯(lián)結(jié)第二根鋼構(gòu)鋼管。

安裝圖4:

⑥設(shè)計(jì)中鋼絞線在穿過(guò)方、圓對(duì)接端B時(shí)可做基本定位，但因錨環(huán)與方、圓對(duì)接端B為平面接觸定位，所以在張拉鋼絞線時(shí)應(yīng)加裝對(duì)正裝置（護(hù)罩）確保錨環(huán)和方、圓對(duì)接端B的位置，方便后續(xù)旋入連接器。

⑦需要注意的是：拆卸過(guò)程絕不能看成簡(jiǎn)單的安裝逆過(guò)程，特別是鋼絞線的放張，須有一定經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)人員來(lái)完成，禁止單根鋼絞線一次性完全放張，使其他鋼絞線承受額外的拉力，引起不測(cè)，必須逐級(jí)釋放錨環(huán)鋼絞線上的拉力。

設(shè)計(jì)計(jì)算

為了說(shuō)明其原理，本設(shè)計(jì)中只是選擇了一種常見的配置。

①設(shè)計(jì)中安全系數(shù)的選擇

構(gòu)件受力簡(jiǎn)單的拉、壓時(shí)安全系數(shù)取1.5。較重要的構(gòu)件且受力狀態(tài)復(fù)雜時(shí)用綜合系數(shù)法確定其安全系數(shù)：S=S1·S2·S3。(選擇過(guò)程略)。

于是：S=S1·S2·S3=1.25×1.35×1.25=2.109，故取S=2.11[1]。

②本設(shè)計(jì)中選擇被連接的鋼管材質(zhì)為Q345，尺寸為150×150mm的方管(如選擇被連接的鋼管為圓管時(shí)其幾何尺寸和連接端部略有調(diào)整，連接方式不變)，壁厚為8mm，長(zhǎng)度5m，鋼材的屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470MPa，安全系數(shù)選擇1.5，許用應(yīng)力[σ]=345/1.5=230MPa。

鋼絞線選擇公稱直徑15.2mm，公稱抗拉強(qiáng)度1860MPa，公稱鋼材面積140mm2，斷裂荷載260kN、屈服荷載229kN。

取屈服荷載的80%為最終張拉力，即：229×80% =183.2kN，用5孔錨具對(duì)其實(shí)施張拉，于是有：5× 183.2=916kN。

先對(duì)Q345的鋼管進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)鋼材的拉、壓公式：

σ=N/F=916×103/（0.152-0.1342）=201.6MPa＜[σ]，說(shuō)明該狀態(tài)下滿足鋼管的強(qiáng)度條件。

該狀態(tài)下鋼管的穩(wěn)定性能校驗(yàn)：

將各參數(shù)分別代入上述公式并計(jì)算：

即：λ（=86.06）＞λp（81.15），根據(jù)公式的應(yīng)用條件，故選擇歐拉公式對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)：

σlj（=267MPa）＞σ（=201.6MPa），即臨界應(yīng)力大于工作應(yīng)力，該鋼管在以上條件下應(yīng)用是安全的。

式中各符號(hào)[2]：

σ：正應(yīng)力，單位：Pa；

σp：鋼材的比例極限，單位：Pa；

N：鋼管受到的軸向力，單位：N；

F：鋼管的橫截面積，單位：m2；

λ：鋼管的柔度（又稱長(zhǎng)細(xì)比）；

λp：與比例極限相應(yīng)的柔度；

i：鋼管的慣性半徑，單位：m；

J：鋼管的慣性矩，單位：m4；

μ：稱為長(zhǎng)度系數(shù)，它反映了各種不同支撐情況對(duì)臨界力的影響；

μl：稱為相當(dāng)長(zhǎng)度；

b：鋼管橫截面的寬，b1鋼管橫截面的內(nèi)寬，單位：m；

h：鋼管橫截面的高，h1鋼管橫截面的內(nèi)高，單位：m；

E：鋼材的彈性模量，單位：Pa；

③對(duì)連接器的連接及螺紋部分進(jìn)行校驗(yàn)

a.連接器選擇 40Cr調(diào)質(zhì)后加工而成，其σS=800MPa，σb=1000MPa。安全系數(shù)取 2.11，[σS]=800/2.11=379.15MPa，

[σb]=1000/2.11=476.2MPa，

[τ]=0.7×[σS]=0.7×379.15=265.41MPa，

連接器實(shí)體部分的強(qiáng)度校驗(yàn)：

σ=N/F=916×103/[(0.152-0.1342)×л/4]=256.7MPa＜[σS]，故連接安全。

b.螺紋部分，螺母的大徑134mm，小徑131mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋。假定螺紋的荷載集中作用在平均直徑的圓周上，然后把螺紋展開，并作為懸臂梁來(lái)計(jì)算，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)：螺桿螺母材料相同時(shí)，只需校核螺桿螺紋的強(qiáng)度：

式中：

N：為連接器受到的軸向力，用于深基坑內(nèi)支撐的連接時(shí)，該螺紋上受力很小，但用于其他方面的連接時(shí)就必須進(jìn)行相應(yīng)的校驗(yàn)。

d3：外螺紋的小徑

b：螺紋牙根部的寬度，矩形螺紋b=0.5P,b=0.5× 6=3mm；

H1：基本牙型高度,設(shè)計(jì)牙高1.5mm；n:旋合圈數(shù)，n=H/P≤10-12，即：n=H/P=60/6=10≤10-12

H：螺紋長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)螺紋長(zhǎng)度60mm；

P：螺紋牙距為6mm；帶入相應(yīng)參數(shù)，剪切強(qiáng)度：τ=N/лd3bn=916×103/л×131×3×10=74.19 MPa≤[τ]；

帶入相應(yīng)參數(shù)，彎曲強(qiáng)度：σb=3NH1/лd3b2n=3× 916×103×1.5/л×131×32×10=111.28MPa≤[σb]；

螺紋設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

c.螺紋墊板的螺紋強(qiáng)度校驗(yàn)

螺紋大徑124mm，小徑121mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋，有：

剪切強(qiáng)度：τ=N/лd3bn=916×103/л×121×3×10 =80.32 MPa≤[τ]；

彎曲強(qiáng)度：σb=3NH1/лd3b2n=3×916×103×1.5/л× 121×32×10=120.48MPa≤[σb]；

螺紋設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求（螺紋的自鎖性能校驗(yàn)略）[3]。

本例中給出的尺寸均為試驗(yàn)用尺寸。通過(guò)制作的實(shí)物驗(yàn)證也說(shuō)明該方案是切實(shí)可行的（見照片,因錨具等已標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可以外購(gòu)，這里就不贅述）。

連接器在系統(tǒng)中的應(yīng)用：

①在兩個(gè)連接器(錨夾具)之間的鋼構(gòu)鋼管中使用異位墊板、約束支架等可控制鋼絞線在鋼構(gòu)鋼管內(nèi)的分布路徑，改善其受力狀態(tài)及變形（起拱），發(fā)揮鋼構(gòu)鋼管和鋼絞線的綜合性能（見安裝圖5示意）。

②如將兩根鋼管的對(duì)接接口制作成一定角度，連接后的兩根鋼管的軸線也將按該角度產(chǎn)生相應(yīng)的安裝夾角（有別于“起拱”）。

③深基坑的作業(yè)時(shí)間較短所以內(nèi)支撐時(shí)張拉后不需注漿，方便拆卸。用于深基坑內(nèi)支撐時(shí)在鋼構(gòu)鋼管的節(jié)點(diǎn)上應(yīng)設(shè)置托樁或懸掛裝置。

④如需對(duì)鋼構(gòu)鋼管注漿時(shí)，注漿孔的位置應(yīng)低于排氣孔，采用邊注入水泥漿邊震動(dòng)的方法，輔助排出鋼構(gòu)鋼管或水泥漿中的空氣，確保注漿質(zhì)量。

⑤因各部件在使用過(guò)程中需承受較大拉、壓力的作用，所以對(duì)連接器應(yīng)進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，不符合要求的部件不得使用，防止發(fā)生意外事故。

⑥對(duì)稱、依序安裝鋼絞線在錨具中的位置，可以保證各構(gòu)件受力均勻。

⑦此連接方式可用于深基坑內(nèi)支護(hù)、巷道支護(hù)、鋼結(jié)構(gòu)廠房等方面。

結(jié)論：

①加強(qiáng)試驗(yàn)工作，探索在兩個(gè)連接器（錨夾具）之間的鋼結(jié)構(gòu)（鋼管）的“起拱”規(guī)律，發(fā)揮鋼構(gòu)鋼管和鋼絞線的綜合性能。

②探索將兩根或多根鋼構(gòu)鋼管對(duì)接接口制作成一定角度，連接后的狀況及規(guī)律。

③探索注漿的剛構(gòu)鋼管“起拱”后的抗彎性能。

④優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇更優(yōu)方案，面向?qū)嵱谩?/p>

⑤鋼構(gòu)鋼管預(yù)應(yīng)力連接器及應(yīng)用已申請(qǐng)專利。

[1]南京工學(xué)院機(jī)械原理及機(jī)械零件教研組.機(jī)械原理及機(jī)械零件[M].北京：人民教育出版社，1981.

[2]西安交通大學(xué)材料力學(xué)教研室.材料力學(xué)[M].北京：高教出版社，1979.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]汪菁.鋼結(jié)構(gòu)基本理論與應(yīng)用 [M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004.

[5]劉效堯，朱新實(shí).預(yù)應(yīng)力技術(shù)及材料設(shè)備[M].北京：人民交通出版社，2000.

TU391

B

1007-7359（2016）06-0077-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.030

吳志剛（1961-），男，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，主要從事探礦工程管理工作。