橋梁用高強錨桿組件的設計與試驗

柳 勝，趙連剛，梁 旭，王 良

（武漢海潤工程設備有限公司，湖北 武漢 430084）

0 引言

鋼結構橋梁在設計施工過程中，為承受鋼橫梁端部的彎矩及抵抗豎向剪力，主塔鋼橫梁和混凝土塔柱通常采用錨桿進行預緊連接。錨桿一端錨固在鋼橫梁端部的錨固牛腿上，另一端通過螺母錨固于混凝土塔柱內鋼結構錨板上。在此工況下，高強錨桿及其組件將承受較大的工作載荷，一般可達1 500 kN以上[1]。因此，高強錨桿及其組件將具有較大的結構尺寸。而此類錨桿組件的設計，國內外尚無標準可供參考；此外，為了便于現場安裝及檢修，目前大多采用螺紋連接的方法進行錨固，但在普遍1 500 kN 的預緊力以及橋梁長期微小位移與振動的工作狀況下，經常出現螺紋松動及預緊力不足的問題[2]。基于此，現開展橋梁用高強錨桿組件的相關研究，對高強錨桿及其附屬組件進行設計，以提高高強錨桿組件的結構工藝性。

1 高強錨桿組件的設計與校核

1.1 高強錨桿組件基本結構

一般情況下，高強度錨桿與螺母、墊圈配套使用，組成錨固系統。根據現場安裝需要，一端為張拉端，在張拉端必須設置止退螺母，以提高張拉時錨桿的緊固可靠性；另一端為錨固端，在錨固端可不設置止退螺母[3]。此外，為了適應橋梁用錨桿組件的偏載工作狀態、提高組件的預緊可靠性，設計采用球面螺母結構形式，以增大螺母和墊片的接觸面積，減少應力集中。設計的高強錨桿組件整體結構如圖1 所示。

圖1 錨桿組件結構示意圖

1.2 高強錨桿的設計與校核

1.2.1 高強錨桿結構設計

高強錨桿是中間為光桿、兩端為螺紋的細長桿件。螺紋部分公稱直徑與光桿部分直徑相當。光桿部分長度可根據設計需要進行調整，螺紋部分長度需結合螺母及墊圈考慮，安裝后螺紋外露長度需大于5～10 倍螺紋螺距[4]，便于安裝時進行張拉。加工成型的高強錨桿機械性能需達到10.9 級以上。

錨桿螺紋從加工及性能上考慮通常采用三角形螺紋，高強錨桿的結構，如圖2 所示。

圖2 錨桿結構圖

1.2.2 高強錨桿光桿部分強度校核

光桿部分拉力載荷Fm（光桿部分）為：

式中：φ 為高強錨桿光桿直徑，mm；Rm為材料抗拉強度，MPa。

光桿部分保證載荷FP（光桿部分）為：

式中：ReL為材料屈服強度，MPa。

考慮安全系數[s]，應該滿足：

式中：F 為高強錨桿設計載荷，N。

1.2.3 高強錨桿螺紋部分強度校核

錨桿螺紋部分保證載荷FP（螺紋部分）為：

式中：As，公稱為螺紋公稱應力截面積，mm2；SP為螺紋保證應力，MPa，數值可參考GB/T3098.1。

而三角形螺紋公稱應力截面積As，公稱為：

式中：d2為外螺紋基本中徑，mm；d3為外螺紋小徑，mm。

拉力載荷Fm（螺紋部分）為：

考慮安全系數[s]，應滿足：

1.2.4 螺紋部分切應力校核

對內螺紋而言，其切應力截面積Ats為：

式中：lt為螺紋旋合部分長度，mm，可近似取值為螺母厚度；D1為內螺紋的基本小徑，mm。

對外螺紋而言，其切應力截面積Ares為：

式中：d1為外螺紋的基本小徑，mm。

對高強錨桿而言，設計剪切應力τ 為：

若考慮安全系數[s]，應滿足：

1.3 球面螺母的設計與校核

1.3.1 球面螺母結構設計

球面螺母設計成一端球面、一端平面的結構。考慮到偏載工況的需要，根據經驗，球面球徑SR 一般為螺母外徑dw 的1.5～2.8 倍[5]。同時，為了滿足張拉及起吊需求，在側面設計了專用螺紋孔，球面螺母結構形式如圖3 所示。

圖3 球面螺母結構圖

1.3.2 球面螺母強度校核

球面螺母的保證載荷FP（螺母）為：

式中：SP（螺母）為螺母保證應力，MPa，數值可參考GB/T 3098.2 的規定。

考慮安全系數[s]，應該滿足：

球面螺母剪切強度τP（螺母）為：

螺母螺紋為內螺紋，螺母剪切應力τ（螺母）為：

考慮安全系數[s]，應該滿足：

球面螺母面壓σ（螺母）為：

式中：Ab1為球面部分承壓面積，mm2。

考慮安全系數[s]，應該滿足：

式中：σs（螺母）為球面螺母材料的屈服強度，MPa。

1.4 球面墊圈的設計與校核

1.4.1 球面墊圈結構設計

球面墊圈與球面螺母配合，一端為凹球面，一端為平面[6]，結構外形一般如圖4 所示。

圖4 球面墊圈結構圖

圖4 中，E1的尺寸根據選定的螺紋直徑尺寸，參考國標GB/T 5277 來選定，一般選擇中等裝配或者粗裝配系列尺寸；SR 尺寸與配合的球面螺母尺寸一致。

1.4.2 球面墊圈強度校核

球面墊圈面壓σ（墊圈）為：

考慮安全系數[s]，應該滿足：

式中：σs（墊圈）為墊圈材料屈服強度，MPa。

1.5 止退螺母的設計與校核

當螺紋規格M≤64 時，可按GB/T6172.1 的尺寸設計。

當螺紋規格M＞64 時，厚度m1=0.6～0.8 M，其他尺寸按GB/T6172.1 設計。螺母側邊需設置吊裝及張拉擰緊用螺紋孔。

止退螺母結構尺寸如圖5 所示。

圖5 止退螺母結構圖

止退螺母按球面螺母方式進行保證載荷及剪切強度校核即可。

2 高強錨桿組件工程算例

根據某斜拉橋工程設計方案，為實現鋼橫梁和塔柱的連接，需要工作載荷分別為1 500 kN、1 200 kN、800 kN 的錨桿系列組件，根據前文設計思路，進行高強錨桿的工程實例設計，高強錨桿組件的材料及相關強度數據如表1 所列。

表1 高強錨桿組件材料及強度數據表

當設計載荷為1 500 kN 時，其各項設計計算如下：

2.1 高強錨桿設計計算

根據式（3），可得錨桿光桿部分直徑φ 為：

根據普通三角形螺紋的尺寸關系，螺紋基本中徑和螺紋小徑可通過螺紋基本大徑和螺距來表示，一般基本尺寸大于60 mm 時取螺距P 為6 mm，那么經過變換后錨桿螺紋部分的尺寸M 為：

由于錨桿光桿部分和螺紋部分的尺寸應當一致，參考螺紋尺寸系列，綜合考慮后選定錨桿光桿部分直徑φ 為85 mm，螺紋尺寸M 為85 mm，外螺紋基本小徑d1為78.5 mm。

為確定螺紋旋合長度，根據式（11）可得：

因此，螺紋部分旋合長度至少需達到38.4 mm，錨桿光桿部分長度可根據工程需要及安裝尺寸調整，螺紋部分長度L1可根據螺母及墊圈尺寸再次修正。

2.2 球面螺母設計計算

球面螺母需與錨桿螺紋部分配合，因此其M 為85 mm，內螺紋基本小徑D1為78.5 mm，保證應力校核后滿足設計要求。根據式（16）可得：

在此基礎上，可進行螺母尺寸設計，最終螺母厚度m 為200 mm，螺母外圓dw 為240 mm，球徑SR為360 mm（取外圓直徑的1.5 倍），螺母側面張拉及吊裝螺紋孔M1為18 mm。

2.3 球面墊圈設計計算

根據GB/T5277，選擇中等裝配，則與M 配合的墊圈尺寸E1為91 mm，球面尺寸SR 與球面螺母一致，根據式（19），可得E2為：

取整后E 為255 mm。

球面墊圈厚度H 為：

球面墊圈與球面螺母選擇相同的材料，校核后強度滿足要求。

2.4 止退螺母設計計算

止退螺母外形尺寸dw 與球面螺母一致，螺母厚度m1 取0.6 倍M，取整后尺寸為：

止退螺母保證應力及面壓與球面螺母一致，而螺母旋合長度m1＞40.5 mm，因此止退螺母強度滿足設計要求。

考慮球面螺母、球面墊圈、止退螺母的厚度尺寸，保證裝配后螺紋外露5～10 倍螺紋螺距，則錨桿螺紋部分尺寸L1為380 mm。

按同樣的計算步驟，可以完成設計載荷為1 200 kN、800 kN 系列高強錨桿組件的設計計算，在此不再贅述，共完成M85、M76、M64 三種尺寸系列的高強錨桿設計，詳細尺寸數據見表2 所列。

表2 高強錨桿組件尺寸系列表 單位：mm

3 高強錨桿組件試驗驗證

現場安裝高強錨桿組件時，為了填補錨桿由于混凝土縮變及錨桿張拉等所產生的預應力損失，錨桿采用分級張拉錨固工藝進行張拉[7]。為驗證錨桿組件的設計可靠性并滿足現場施工要求，每種規格型號的錨桿組件制造出廠前，必須抽取實物進行靜載試驗。試驗必須采用專用工裝，沿螺母軸線施加載荷。首先張拉到設計載荷的10%，然后分級加載至設計載荷的50%、75%、100%、150%。每級加載后保壓3 min，卸載錨固[8]。分別測量記錄伸長量，滿足以下條件即為合格：

（1）試驗前后試件無明顯變形，高強錨桿總長度允許存在12.5 μm 的測量誤差；

（2）螺母、高強錨桿可順利旋合；

（3）高強錨桿、螺母、球面墊圈按照JB/T 4730 要求進行磁粉探傷，II 級驗收合格。

圖6 為錨桿靜載試驗工裝圖。主夾具及輔助墊板使用混凝土澆筑固定，中間設置支撐板以支撐高強錨桿，可換墊板設置有不同的內徑尺寸以安裝高強錨桿，將高強錨桿及球面螺母、墊片安裝擰緊后，采用液壓拉伸器逐級施加試驗載荷，并記錄試驗數據。

圖6 錨桿靜載試驗工裝示意圖

錨桿實物經靜載試驗后，螺母、高強錨桿可順利旋合拆卸。試驗前后高強錨桿長度測量差值均在12.5 μm 之內，經過磁粉探傷，滿足II 級驗收標準。通過靜載試驗驗證，所設計的高強錨桿組件滿足設計要求，可在工程實際中進行應用。

4 結論

通過對橋梁用高強錨桿組件進行試驗研究，完成了高強錨桿、球面螺母、球面墊片、止退螺母的結構設計與強度校核，從而提供了一種可靠的高強錨桿組件設計方案。結合國內某斜拉橋工程施工的需要，經過計算分析，完成了螺紋規格M85、設計載荷1 500 kN，螺紋規格M76、設計載荷1 200 kN，螺紋規格M64、設計載荷800 kN 等三種尺寸系列的高強錨桿組件的設計計算。經過分級張拉錨固工藝進行靜載試驗驗證，所設計的高強錨桿組件滿足設計及使用要求，并在國內某斜拉橋項目得到工程應用。