自锁型预应力锚索的试验研究

2011-05-04刘庆元朱本珍

铁道建筑 2011年7期

刘庆元，朱本珍

(中铁西北科学研究院有限公司南方分院，广东深圳 518048)

1 既有预应力锚索概述

自20世纪50年代预应力锚索加固技术大面积应用于实际工程以来，应用领域不断扩大，结构也不断改进，先后研制出普通拉力型、普通压力型、压力分散型、拉力分散型和拉压分散型等多种预应力锚索结构，在不同地层、不同的建筑行业领域都得到了广泛的应用。预应力锚索作用原理如图1，从图1可以看出，目前应用的所有预应力锚索的作用方式均为锚固段的综合作用力与反力结构之间的对拉作用，而张拉段只是作为传力机构而存在。

图1 常规预应力锚索力系示意

实际上，张拉段地层作为整个锚固能量场中的一部分，目前的预应力锚索并没有有效发挥其能量场的作用，既有预应力锚索的不足有:①因锚固荷载需要反力结构进行平衡，而反力结构主要由钢筋混凝土组成，导致施工难度大，在特殊抢险工程中发挥作用较缓;②因一般锚固部位浅表层岩(土)层力学强度较低，为了保证荷载平衡，只有采取降低锚固荷载或增大反力结构截面来弥补，造成材料浪费，由于反力结构上基本受集中荷载作用，容易因外锚头部位局部缺陷诱发突发性事故。③因张拉段地层在力系中只起传递作用，而该段地层在张拉过程中一般有部分岩(土)体被破坏，在锁定后期有应力场的重新调整而产生变形，加剧锚固荷载的损失。④由于既有预应力锚索存在材料浪费、施工难度较大及荷载损失严重等局限性，导致实际工程造价偏高。

因此，研究一种新型预应力锚索结构，能够充分利用张拉段地层的能量场，改善力系平衡模式，力求材料利用效率均衡，减少锚固荷载损失，将对工程实际有着重要的意义。

2 自锁型预应力锚索设计

2.1 自锁型预应力锚索的作用机理

自锁型预应力锚索主要是利用张拉段孔周岩(土)层的黏结强度提供的锚固抗力，部分或全部平衡锚固荷载，从而降低反力结构所承担的荷载或取消反力结构，使预应力锚索的整体应力场更趋均匀分布，避免应力集中所引起的安全隐患，达到锚固段、张拉段和反力结构共同实现力系平衡的效果。

图2 自锁器结构设计示意

2.2 自锁型预应力锚索的结构设计

自锁型预应力锚索的实质是在常规锚索结构的张拉段上设置自锁器，通过自锁器与锚索之间的锁定作用，将自锁器与孔周岩(土)层间的黏结强度传递至锚索上，从而提供自锁荷载。其核心结构为自锁器，自锁器结构见图2。在张拉段错开设置反锁钢质承载体，在反锁承载体上预先安装夹片，并采用钢质限位片防止张拉过程中夹片脱落，达到分级张拉、张拉段内部锁定和取消反力结构的目的。另外，为了防止锚固段和自锁段注浆体形成刚性柱，在锚固段和自锁段之间设置弹性隔离体，实现锚固段和自锁段的作用荷载有效传递至孔周地层。自锁型预应力锚索结构，见图3。

图3 自锁型预应力锚索结构示意

3 自锁性能试验

3.1 模型试验

3.1.1 夹片正常工作最小荷载

在安装自锁器过程中，因夹片不一定能完全陷入承载钢板圆台形孔内，导致承载钢板对夹片的支撑力无法正常提供，影响夹片之间与钢绞线之间的咬合作用，从而无法实现有效限制钢绞线反向位移，影响自锁性能。为此，需要通过试验确定夹片完全陷入承载钢板圆台形孔内时在夹片后端施加的最小荷载，该荷载即为自锁器夹片正常工作最小荷载。试验结果见表1。夹片正常工作最小荷载可以近似取为100 kN/孔，即要求每个自锁器连接螺栓能施加和承受的荷载不得小于200 kN。

3.1.2 自锁器最小工作荷载试验

自锁器在预应力锚索加载过程中，仅起通道作用，但是实际存在摩擦阻力，为了保证外加荷载有效传递至锚固段，需通过试验获取自锁器与钢绞线之间的摩擦阻力即自锁器最小工作荷载。试验结果见表2。由表2可以计算出自锁器的最小工作荷载为40 kN/孔。

表1 夹片正常工作最小荷载试验结果统计 kN

表2 自锁器最小工作荷载试验结果统计 kN

由上述两组模型试验可看出，为了使自锁型预应力锚索能正常工作，按组成锚索的钢绞线进行计算，其设计荷载不得小于100 kN/束。

3.2 现场试验

为了得到比较精确的自锁型预应力锚索自锁荷载和应力变化的数据，以便对预应力锚索结构进行力学机理分析，分别在每个单元的自锁器后布置两个应力计，并在孔口布置一个应力计，设置现场试验方案布置见图4。

由于锚索钢绞线与孔内浆体黏结剂之间存在摩擦阻力，因此作用在自锁器上的施加荷载 Pu、摩擦阻力P0以及千斤顶的张拉力Pa之间有如下计算关系

图4 自锁荷载测试试验方案设计

现场试验对各单元分别进行分级张拉，测量三个自锁单元自锁器后面的测力计随自锁器施加的荷载变化情况。

通过对自锁型预应力锚索MS1、MS2、MS3三个单元的分级加载、卸载，得到各自锁器的自锁荷载，见图5～图7。

图5 MS1自锁单元施加荷载与自锁荷载关系

图6 MS2自锁单元施加荷载与自锁荷载关系

图7 MS3自锁单元施加荷载与自锁荷载关系

1)施加在自锁器上的荷载Pu与自锁器的自锁荷载Ps成近似的线性关系。施加在自锁器的荷载Pu较小时，自锁器的自锁荷载Ps增幅较小;施加在自锁器的荷载Pu较大时，自锁器的自锁荷载Ps增幅较大。

2)自锁型预应力锚索MS1、MS2、MS3的自锁荷载效率(Ps/Pu)分别为71.6%，74.7%，72.5%。自锁器的自锁效率较高，都达到70%以上，但是由于存在预应力锚索本身的钢绞线和塑料套管之间的摩擦力、自锁器中裸露的钢绞线和水泥柱浆体的黏结力等影响因素，实际施加在自锁器上的荷载 Pu要小一些，故实际的自锁器自锁效率要高一些，自锁效果更好些，达到自锁器设计的目的。

3)从本次试验来看，施加在 MS2、MS3自锁器上的荷载几乎对MS1自锁器上的荷载没有影响;施加在MS3自锁器上的荷载几乎对MS2自锁器上的荷载没有影响，各单元实现了独立自锁的目的。