固定端自鎖式錨具結構設計與應用研究

經鳳明

摘要：隨著預應力技術的迅猛發展和廣泛應用，其在工程中的應用正朝著多樣化、個性化方向發展。預應力結構設計緊湊，因此施工空間更小，這對錨固技術的應用提出新的要求。文章結合某工程的特殊工況及其空間受限、施工操作不便的預應力結構，設計了一款新型固定端自鎖式錨具，可預先埋入預應力混凝土。2020 Interim Revisions to the AASHTO LRF-DCONS-2017《2017版LRFD橋梁施工規范》（2020年臨時修訂）、ead-160004-00-0301（2016）《歐洲評定文件：結構預應力后張體系》、FIP-1993《后張預應力體系驗收建議》及《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2015）等國內外主流標準，完成了OVM.M15-19/27定端自鎖式錨具的靜載錨固性能試驗研究，錨固效率系數的實測值均在0.97以上、極限延伸率均大于3%，滿足標準要求的靜載錨固性能應同時達到兩個要求：錨固效率系數[ηa≥0.95]，極限延伸率[εapu≥2.0%]。綜合試驗結果分析與施工技術研究表明，固定端自鎖式錨具具有良好的放張自錨性能、錨固效率系數高、節省施工空間、安裝操作簡便、施工效率高等優點。新型固定端自鎖式錨具的設計與應用研究為在狹小空間要求預埋的梁端預應力結構提供一種錨固性能可靠、施工便捷的解決方案。

關鍵詞：體內預應力；自鎖式錨具；結構設計；施工技術

中圖分類號：TU757.3? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0039-04

0 引言

在預應力施工時，預應力筋的一端采用可以應用于張拉的錨具，即張拉端錨具，另一端采用埋入混凝土中且不用于張拉的錨具，即固定端錨具。根據鋼絞線的握裹方式，錨具可分為夾片式和擠壓式兩種類型。目前，用于預應力筋固定端的錨具主要為擠壓式錨具。采用擠壓式錨具需對嵌套有鋼絞線和擠壓簧的擠壓套進行擠壓而握緊預應力鋼絞線，施工要求必須有擠壓設備和一定條件的操作場地，并且存在擠壓耗時、鋼絞線損耗較大、擠壓質量難以控制等問題。夾片式錨具主要用于張拉端，作為固定端使用時，需要敲打工作夾片確保其安裝可靠、受力均衡，對施工操作空間有一定的要求且不能預埋。某快速公路工程為箱梁結構，采用體內預應力技術，預應力束為曲線布置，預應力束一端與橋墩的距離為750 mm。預應力鋼絞線束設計分別有19根和27根，鋼絞線的直徑為15.2 mm，即采用19/27孔1×7-15.2 mm-1 860 MPa鋼絞線。該工程采用現澆預應力混凝土，混凝土養護強度達到之后，要對結構施加預應力。由于梁端距離橋墩只有750 mm，施工操作空間受限，而擠壓式錨具因需要較大的預埋空間、施工工序復雜及周期較長而不被接受。常規的夾片式錨具由于夾持鋼絞線的錨固單元不允許有漿體和其他雜物的影響而無法預埋。針對以上工程問題，設計一款新型自鎖式錨具，可用于空間受限、施工操作不便的固定端，靜載錨固性能應同時滿足兩個要求：錨固效率系數[ηa≥0.95]，極限延伸率[ε]apu[≥]2.1%，符合國內外主流標準規范要求。

1 固定端自鎖式錨具結構設計

OVM.M15-nKP固定端自鎖式錨具通常由自鎖式錨頭、錨墊板、螺旋筋和螺栓等零部件組成（如圖1）。自鎖式錨頭部件由工作錨板、工作夾片、彈簧、過渡板、壓板和螺釘構成（如圖2所示）。相對于常規錨具結構，自鎖式錨頭的組成除了有工作錨板、工作夾片、錨墊板和螺旋筋，還有彈簧、過渡板、壓板、螺釘和螺栓等組件。自鎖式錨頭作為一個獨立的構件，可以在工廠內完成組裝，具有能縮短施工周期、保證施工安裝質量、提升施工效率的優點。

為確保同一工程中使用同系列預應力產品且避免工程中錨具產品出現混用的現象，固定端自鎖式錨具的錨固單元和錨下受力構件與張拉端保持一致，即配套的工作錨板、工作夾片、錨墊板和螺旋筋的外形尺寸和作用相同。

普通張拉端錨具用于預應力的固定端，將鋼絞線穿過工作錨板后，安裝工作夾片，并用鋼套管或其他工具將工作夾片敲緊，確保工作夾片端面平齊、錨固單元受力均勻。相較普通張拉端錨具而言，自鎖式錨具也是用于預應力的固定端，但只要將鋼絞線穿入自鎖式錨頭的工作錨板孔即可，結構中的彈簧、過渡板在鋼絞線的安裝過程中起著關鍵作用，需要重點關注其結構與參數的設計，做好安裝和相關試驗驗證；其中，壓板和螺釘的作用是緊固錨頭結構、定位鋼絞線。

1.1 彈簧的設計

彈簧的作用是經外力作用而被壓縮達到一定位移后，工作夾片張開，鋼絞線順利穿過工作夾片，外力撤銷之后回彈頂推工作夾片端面，確保將夾持鋼絞線的工作夾片楔進工作錨板錐孔內形成自錨。如果彈簧的壓縮力太大，導致工作夾片無法張開會則鋼絞線難以穿過工作夾片；如果彈簧的壓縮力太小，鋼絞線穿過之后，彈簧變形但不回彈，無法確保工作夾片跟進。通過理論計算與反復試裝、試用，不斷改進圈數和剛度，確定彈簧最終的設計參數。

自鎖式錨頭對疲勞性能的要求不是很高，因此可以采用常規彈簧鋼材，優選冷卷壓縮彈簧。圖3為彈簧的設計圖，根據實際工況可以確定彈簧的工作荷載F1、F2、F3及工作荷載對應軸向壓縮后的長度L1、L2、L3。自鎖式錨頭處于組裝狀態時，壓板和工作夾片對彈簧壓縮至L1狀態時的力為F1，也是彈簧將工作夾片頂緊至工作錨板錐孔的力。用手動方式將鋼絞線從工作錨板直孔端穿過、推動工作夾片張開，當鋼絞線剛好穿過工作夾片時，壓板和工作夾片對彈簧壓縮至L2狀態時的力為F2。用手動方式將鋼絞線穿過工作夾片的最大力即安裝過程中壓板和工作夾片對彈簧的最大壓縮力為F3。根據工作荷載與壓縮量的線性關系公式可以確定彈簧剛度。彈簧的中徑φD1取值為鋼絞線的直徑+彈簧的材料直徑φd+間隙，查詢彈簧標準并結合實際工況可以確定彈簧的直徑、中徑、旋繞比及有效圈數n［1-2］。彈簧的螺距p通過推薦公式0.28D1≤p≤0.5D1確定。為保證壓板和工作夾片與彈簧的作用力均勻，要求彈簧的兩端圈并緊磨平。彈簧的總長公式為L=n×p+1.5d，其中n為有效圈數，總圈數為n+2。

1.2 過渡板的設計

過渡板設有沉孔和通孔且孔的分布和數量與錨板錐孔一致，沉孔的作用是限制工作夾片的位移，通孔的作用是限制壓縮彈簧徑向位移。由于過渡板不是關鍵受力件，所以原材料可以選取普通鋼材或者剛性較好的塑料，要求接觸端面平整。圖4為過渡板結構圖，過渡板的外徑E1等于錨板外徑E，厚度S=L1+m，其中L1為自鎖錨頭組裝狀態時彈簧的長度，m為自鎖錨頭組裝狀態時工作夾片端面相對工作錨板端面的距離。通孔直徑D2=D1+d+配合間隙，D1為彈簧中徑，d為彈簧原材料直徑。沉孔直徑D3由工作夾片夾持鋼絞線時的最大外徑與間隙確定；深度h由夾持鋼絞線時工作夾片端面相對工作錨板端面的距離和富余量確定；設計3組或3組以上尺寸參數，通過安裝試驗的數據對比，確定h的最佳取值。

1.3 壓板的設計

壓板具備一定的剛性，通過螺栓將自鎖式錨頭與錨墊板連接緊固，同時將彈簧壓縮頂緊工作夾片端面，要求壓板與過渡板接觸的端面平整。壓板的結構如圖5所示，原材料選擇A3鋼，外形尺寸A1的取值與錨墊板外徑A一致，A2的取值確保避開錨墊板的灌漿空間即可，分度圓尺寸C、C1分別與錨墊板、工作錨板的分度圓尺寸相同，壓板壁厚設計滿足使用要求且不出現變形。

2 固定端自鎖式錨具試驗研究

根據工程要求的相關標準，對19孔和27孔固定端自鎖式錨具進行靜載試驗研究，驗證其靜載錨固性能是否滿足要求。

2.1 試驗檢測方法

固定端自鎖式錨具靜載試驗檢測和判定依據如下：①2020 Interim Revisions to the AASHTO LRF-DCONS-2017《2017版LRFD橋梁施工規范》（2020年臨時修訂）；②ead-160004-00-0301（2016）《歐洲評定文件：結構預應力后張體系》；③FIP-1993《后張預應力體系驗收建議》；④《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2015）。根據以上標準要求［3-5］，靜載錨固性能應同時滿足兩個要求：錨固效率系數[ηa≥0.95]，極限延伸率[εapu≥2.0%]。

2.2 試件規格與試驗要求

（1）預應力鋼絞線符合《用于預應力混凝土用低松弛七絲鋼絞線標準規范》（ASTM A416/A416M—16）的要求［6］：①公稱直徑為15.2 mm，公差范圍為［0.65，-0.15］；②公稱橫截面積為140 mm；③公稱強度級別為1 860 MPa；④最小破斷力為261 kN。

（2）錨具規格為15系列19孔、27孔固定端自鎖式錨具和張拉端錨具，每個規格隨機抽取3組，試驗前固定端自鎖式錨具必須組裝好。

（3）試驗設備及工裝：張拉千斤頂、測力傳感器、靜載試驗臺座、鋼直尺、位移計、墊環。

2.3 試驗程序

（1）將鋼絞線和錨具組裝件按照標準要求安裝于靜載試驗臺座。

（2）使用240 Q千斤頂對每根鋼絞線進行單根預緊，初始預緊力值為單根鋼絞線最小破斷力值的10%，確保預緊力調試均勻。

（3）使用YCW 900 A千斤頂按照預應力鋼絞線最小破斷力的20%、40%、60%、80%逐級加載，要求按照100 MPa/min的恒定速率加載，當最小破斷力達到80%之后，持荷1 h，再以最大不超過每分鐘0.002的應變速率加載到試件破壞［3］。

（4）當力值加載至鋼絞線實測極限抗拉力（單根鋼絞線實際的平均極限抗拉力×根數）的95%以上，并且總伸長率（總應變）達到2%時，則靜載試驗滿足標準要求，充分考慮試驗現場的安全因素，檢測人員可擇時終止試驗。

2.4 試驗結果與分析

開展OVM.M15-19/27KP固定端自鎖式錨具靜載試驗，其結果見表1，固定端自鎖式錨頭拆除后狀態完好，鋼絞線外露均勻。

分析表1中固定端自鎖式錨具靜載錨固性能試驗結果得出，①OVM.M15-19KP錨固效率系數實測最小值為0.971，均大于標準允許值，即0.95；極限延伸率實測最小值為3.14%，均大于標準允許值，即2%。試驗后拆除錨具組裝件，觀察3組試件的工作錨具與夾片均未出現異常情況，滿足標準要求。②OVM.M15-27KP錨固效率系數實測最小值為0.972，均大于標準允許值，即0.95；極限延伸率實測最小值為4.03%，均大于標準允許值，即2%。試驗后拆除錨具組裝件，觀察3組試件的工作錨具與夾片均未出現異常情況，滿足標準要求。

3 固定端自鎖式錨具應用研究

3.1 固定端自鎖式錨具安裝施工方法

固定端自鎖式錨具用于后張法體內預應力，具體的安裝施工方法如下：①將工作夾片裝入工作錨板的錐孔中，過渡板帶沉孔的端面與工作錨板錐孔大端面配合且進行對中，彈簧放入過渡板的通孔中且與工作夾片大端面接觸。②用螺釘依次將工作錨板、過渡板和壓板進行連接并緊固，形成自鎖式錨頭單元。③根據自鎖錨頭的軸向尺寸對鋼絞線長度進行標記。④在預應力孔道兩端分別安裝錨墊板，錨墊板與預應力孔道端部沿軸線對中且與孔道端部垂直，固定端錨墊板灌漿孔向上，張拉端錨墊板灌漿孔向下。⑤在錨墊板的正后方安裝螺旋筋，螺旋筋近端與模板間距離保持在30～50 mm為宜，其位置與預應力孔道中心線須對稱且固定牢靠。⑥預應力鋼絞線穿束工作完成后，備齊螺栓和步驟②的自鎖式錨頭單元，放置在預應力孔道的固定端。⑦將有長度標記的鋼絞線依次穿入步驟②的自鎖式錨頭單元中，一根鋼絞線穿一孔，每一根鋼絞線依次穿過工作錨板、工作夾片、彈簧、過渡板，直至抵達壓板端面，確保鋼絞線穿束到位標記位置相同。⑧沿預應力孔道的張拉端拉緊鋼絞線束，直到自鎖式錨頭單元與錨墊板對中密合，使用螺釘進行緊固安裝，使用膠帶或密封無對自鎖式錨頭的縫隙處進行密封，預防雜物進入錨固單元和預應力孔道。通常情況下，步驟①、步驟②在工廠內完成；如遇特殊情況需要拆卸錨頭單元，請按照步驟①、步驟②進行安裝。

3.2 安裝施工注意事項

（1）檢查工作錨板、工作夾片、彈簧、過渡板、螺釘、壓板是否配套，避免混用。

（2）工作夾片裝配前，要先在工作錨板錐孔內均勻涂抹退錨靈。

（3）確保螺旋筋安裝牢固，以防澆筑過程中產生位移。

（4）鋼絞線穿入自鎖式錨頭單元時，要確保鋼絞線穿過工作夾片的長度足夠，避免出現鋼絞線被拉脫的現象。

（5）自鎖式錨頭單元與錨墊板裝配時，確保錨墊板與預應力孔道清理干凈。

4 結論

（1）通過試驗結果分析可知，OVM.M15-19/27KP固定端自鎖式錨具的靜載錨固性能優異，靜載錨固效率系數均大于0.97。驗證結果可為類似工程提供參考。

（2）相比現行常用的固定端擠壓式錨具，固定端自鎖式錨具具有以下優勢：①施工前，可以用螺栓將工作錨板、工作夾片、壓縮彈簧、過渡板和壓板組裝成獨立的自鎖式錨頭單元（通常在工廠內完成）；②自鎖式錨頭安裝施工時，外力作用于壓縮彈簧對夾工作片大端面的頂緊作用，將預應力鋼絞線簡便、快捷地穿過工作夾片；撤銷外力后，彈簧回彈將夾持鋼絞線的工作夾片楔進工作錨板錐孔內，形成自錨；③該結構適合于操作空間狹小或無張拉操作空間的預應力結構；④該錨固體系具有節省施工空間、施工操作簡便、施工效率高等優點。

5 參考文獻

［1］GB/T 1358—2009， 圓柱螺旋彈簧尺寸系列［S］.

［2］GB/T 23935—2009， 圓柱螺旋彈簧設計計算［S］.

［3］EAD 160004-00-0301—2016，Post Tensioning Kits for prestressing of Structures［S］.

［4］LRFDCONS-4-I1，2020 Interim Revsions to the 2017 LRFD Bridge Construction Specifications 4th Edition ［S］.

［5］GB/T 14370—2015， 預應力筋用錨具、夾具和連接器［S］.

［6］ASTM A416/A416M-16，Standard Specification for Low-Relaxation，Seven-Wire Strand for Prestressed Concrete［S］.