探讨钢构钢管预应力连接器及其应用

吴志刚，武长民，汪茗祥

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011）

探讨钢构钢管预应力连接器及其应用

吴志刚，武长民，汪茗祥

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011）

建设工程项目中，钢结构的使用量越来越大，如：工业民用建筑的厂房、仓库、体育场馆、景观设施、基础施工、巷道的支撑系统等。随着钢结构应用增加，钢构钢管连结的一些问题也就显现出来，目前常用的联结方法在施工现场因受场地限制很难保证钢构钢管的正、平、直的联结要求，连接时费时、费劲，且各联结方式都会有焊接作业，而焊接质量又难以控制。有关规范要求：建设大跨度楼层或屋面梁、板时，为改善视角错觉，也为了修正自重沉降，设计文件中也要求提前增加跨中高度（起拱）。

预应力连接器；钢结构的“起拱”；设计计算；应用

经过检索并未见用于钢结构管材中的预应力连接器，但需要促使我们设计出一种用于钢结构管材中的预应力连接器，即可高效、可靠的安装和拆除还可以使刚构钢管“起拱”。

关于钢结构的“起拱”，设计文件虽有要求，因没有统一的“起拱”方案，所以实际施工时或不做或乱做“起拱”。

通常，建筑构件中使用的普通钢筋也只有在屈服阶段前才能保证安全，当钢筋到屈服阶段后会发生塑性变形直至构件破坏。

利用预应力钢筋制作构件则可以提高结构的承载能力；改善结构的受力状态；提高结构刚度及稳定性；降低用钢量，节约成本。所以需要把预应力钢绞线和钢结构结合一起使用。

预应力钢绞线，因其具有更好的柔韧性、高强度、低松弛性能等，故较其他预应力钢筋可以方便的布置，通过张拉施力，就可以使构件在工作前就具有一定应力（预应力），使原本受拉应力段被施加预应力后变为压应力，即“存储”部分应力，待正常使用时“释放”出来。

其实两根钢管用预应力钢绞线进行联结并不难，但既要可靠联结，又要拆卸方便；操作简单，节省钢材；特别是大型钢结构在施工现场的对正、对接，往往会耗费大量的人工和时间；过长的钢绞线在高温、大应力状态下其松弛性能也将大打折扣；尽可能的少用或不用焊接；满足钢构钢管的“起拱”要求，都是需要在设计中给予考虑的。

设计一个钢构钢管预应力连接器，给钢构钢管一个施加预应力的刚性平台，可以方便的连接和拆除；可以满足设计要求，使钢构钢管“起拱”，“存储”应力。

我们设计出一种用于刚构钢管中的钢绞线（预应力）连接器：

连接器的使用方法

①按计算长度裁切钢绞线，并分别在钢绞线的一端安装挤压锚头（见安装图1示意），将钢绞线束依次穿过螺纹垫板，方圆对接端A，穿入钢构钢管内。

安装图1：

②将挤压锚端塞入第一个连接器内250mm左右，旋入螺纹垫板到设计位置（见安装图2示意）。

安装图2:

③在钢构钢管的另一端，将方圆对接端B的一端放入第一根钢构钢管中，依次、依序将钢绞线穿入锚环的各孔中，向钢构钢管的两端顺入方圆对接端，给锚环和钢绞线装上夹片，确保锚环和方圆对接端B对中后就可以实施张拉了（见安装图3示意，注意两个方圆对接端与连接器的关系）。

安装图3:

④张拉过程应遵守相关规程，张拉结束后锚环外出露的钢绞线应留有开始张拉时的余量，待拆卸（放张）时用。

⑤旋入第二个连接器（见安装图4示意），即可联结第二根钢构钢管。

安装图4:

⑥设计中钢绞线在穿过方、圆对接端B时可做基本定位，但因锚环与方、圆对接端B为平面接触定位，所以在张拉钢绞线时应加装对正装置（护罩）确保锚环和方、圆对接端B的位置，方便后续旋入连接器。

⑦需要注意的是：拆卸过程绝不能看成简单的安装逆过程，特别是钢绞线的放张，须有一定经验的作业人员来完成，禁止单根钢绞线一次性完全放张，使其他钢绞线承受额外的拉力，引起不测，必须逐级释放锚环钢绞线上的拉力。

设计计算

为了说明其原理，本设计中只是选择了一种常见的配置。

①设计中安全系数的选择

构件受力简单的拉、压时安全系数取1.5。较重要的构件且受力状态复杂时用综合系数法确定其安全系数：S=S1·S2·S3。(选择过程略)。

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

②本设计中选择被连接的钢管材质为Q345，尺寸为150×150mm的方管(如选择被连接的钢管为圆管时其几何尺寸和连接端部略有调整，连接方式不变)，壁厚为8mm，长度5m，钢材的屈服强度为345MPa，抗拉强度为470MPa，安全系数选择1.5，许用应力[σ]=345/1.5=230MPa。

钢绞线选择公称直径15.2mm，公称抗拉强度1860MPa，公称钢材面积140mm2，断裂荷载260kN、屈服荷载229kN。

取屈服荷载的80%为最终张拉力，即：229×80% =183.2kN，用5孔锚具对其实施张拉，于是有：5× 183.2=916kN。

先对Q345的钢管进行强度及稳定性进行校验，根据钢材的拉、压公式：

σ=N/F=916×103/（0.152-0.1342）=201.6MPa＜[σ]，说明该状态下满足钢管的强度条件。

该状态下钢管的稳定性能校验：

将各参数分别代入上述公式并计算：

即：λ（=86.06）＞λp（81.15），根据公式的应用条件，故选择欧拉公式对其进行稳定性校验：

σlj（=267MPa）＞σ（=201.6MPa），即临界应力大于工作应力，该钢管在以上条件下应用是安全的。

式中各符号[2]：

σ：正应力，单位：Pa；

σp：钢材的比例极限，单位：Pa；

N：钢管受到的轴向力，单位：N；

F：钢管的横截面积，单位：m2；

λ：钢管的柔度（又称长细比）；

λp：与比例极限相应的柔度；

i：钢管的惯性半径，单位：m；

J：钢管的惯性矩，单位：m4；

μ：称为长度系数，它反映了各种不同支撑情况对临界力的影响；

μl：称为相当长度；

b：钢管横截面的宽，b1钢管横截面的内宽，单位：m；

h：钢管横截面的高，h1钢管横截面的内高，单位：m；

E：钢材的弹性模量，单位：Pa；

③对连接器的连接及螺纹部分进行校验

a.连接器选择 40Cr调质后加工而成，其σS=800MPa，σb=1000MPa。安全系数取 2.11，[σS]=800/2.11=379.15MPa，

[σb]=1000/2.11=476.2MPa，

[τ]=0.7×[σS]=0.7×379.15=265.41MPa，

连接器实体部分的强度校验：

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

b.螺纹部分，螺母的大径134mm，小径131mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺纹。假定螺纹的荷载集中作用在平均直径的圆周上，然后把螺纹展开，并作为悬臂梁来计算，根据相关经验：螺杆螺母材料相同时，只需校核螺杆螺纹的强度：

式中：

N：为连接器受到的轴向力，用于深基坑内支撑的连接时，该螺纹上受力很小，但用于其他方面的连接时就必须进行相应的校验。

d3：外螺纹的小径

b：螺纹牙根部的宽度，矩形螺纹b=0.5P,b=0.5× 6=3mm；

H1：基本牙型高度,设计牙高1.5mm；n:旋合圈数，n=H/P≤10-12，即：n=H/P=60/6=10≤10-12

H：螺纹长度，设计螺纹长度60mm；

P：螺纹牙距为6mm；带入相应参数，剪切强度：τ=N/лd3bn=916×103/л×131×3×10=74.19 MPa≤[τ]；

带入相应参数，弯曲强度：σb=3NH1/лd3b2n=3× 916×103×1.5/л×131×32×10=111.28MPa≤[σb]；

螺纹设计满足强度要求。

c.螺纹垫板的螺纹强度校验

螺纹大径124mm，小径121mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺纹，有：

剪切强度：τ=N/лd3bn=916×103/л×121×3×10 =80.32 MPa≤[τ]；

弯曲强度：σb=3NH1/лd3b2n=3×916×103×1.5/л× 121×32×10=120.48MPa≤[σb]；

螺纹设计满足强度要求（螺纹的自锁性能校验略）[3]。

本例中给出的尺寸均为试验用尺寸。通过制作的实物验证也说明该方案是切实可行的（见照片,因锚具等已标准化生产，可以外购，这里就不赘述）。

连接器在系统中的应用：

①在两个连接器(锚夹具)之间的钢构钢管中使用异位垫板、约束支架等可控制钢绞线在钢构钢管内的分布路径，改善其受力状态及变形（起拱），发挥钢构钢管和钢绞线的综合性能（见安装图5示意）。

②如将两根钢管的对接接口制作成一定角度，连接后的两根钢管的轴线也将按该角度产生相应的安装夹角（有别于“起拱”）。

③深基坑的作业时间较短所以内支撑时张拉后不需注浆，方便拆卸。用于深基坑内支撑时在钢构钢管的节点上应设置托桩或悬挂装置。

④如需对钢构钢管注浆时，注浆孔的位置应低于排气孔，采用边注入水泥浆边震动的方法，辅助排出钢构钢管或水泥浆中的空气，确保注浆质量。

⑤因各部件在使用过程中需承受较大拉、压力的作用，所以对连接器应进行探伤检验，不符合要求的部件不得使用，防止发生意外事故。

⑥对称、依序安装钢绞线在锚具中的位置，可以保证各构件受力均匀。

⑦此连接方式可用于深基坑内支护、巷道支护、钢结构厂房等方面。

结论：

①加强试验工作，探索在两个连接器（锚夹具）之间的钢结构（钢管）的“起拱”规律，发挥钢构钢管和钢绞线的综合性能。

②探索将两根或多根钢构钢管对接接口制作成一定角度，连接后的状况及规律。

③探索注浆的刚构钢管“起拱”后的抗弯性能。

④优化设计，选择更优方案，面向实用。

⑤钢构钢管预应力连接器及应用已申请专利。

[1]南京工学院机械原理及机械零件教研组.机械原理及机械零件[M].北京：人民教育出版社，1981.

[2]西安交通大学材料力学教研室.材料力学[M].北京：高教出版社，1979.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4]汪菁.钢结构基本理论与应用 [M].武汉：武汉理工大学出版社，2004.

[5]刘效尧，朱新实.预应力技术及材料设备[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

吴志刚（1961-），男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事探矿工程管理工作。