桥梁用高强锚杆组件的设计与试验

柳 胜，赵连刚，梁 旭，王 良

（武汉海润工程设备有限公司，湖北 武汉 430084）

0 引言

钢结构桥梁在设计施工过程中，为承受钢横梁端部的弯矩及抵抗竖向剪力，主塔钢横梁和混凝土塔柱通常采用锚杆进行预紧连接。锚杆一端锚固在钢横梁端部的锚固牛腿上，另一端通过螺母锚固于混凝土塔柱内钢结构锚板上。在此工况下，高强锚杆及其组件将承受较大的工作载荷，一般可达1 500 kN以上[1]。因此，高强锚杆及其组件将具有较大的结构尺寸。而此类锚杆组件的设计，国内外尚无标准可供参考；此外，为了便于现场安装及检修，目前大多采用螺纹连接的方法进行锚固，但在普遍1 500 kN 的预紧力以及桥梁长期微小位移与振动的工作状况下，经常出现螺纹松动及预紧力不足的问题[2]。基于此，现开展桥梁用高强锚杆组件的相关研究，对高强锚杆及其附属组件进行设计，以提高高强锚杆组件的结构工艺性。

1 高强锚杆组件的设计与校核

1.1 高强锚杆组件基本结构

一般情况下，高强度锚杆与螺母、垫圈配套使用，组成锚固系统。根据现场安装需要，一端为张拉端，在张拉端必须设置止退螺母，以提高张拉时锚杆的紧固可靠性；另一端为锚固端，在锚固端可不设置止退螺母[3]。此外，为了适应桥梁用锚杆组件的偏载工作状态、提高组件的预紧可靠性，设计采用球面螺母结构形式，以增大螺母和垫片的接触面积，减少应力集中。设计的高强锚杆组件整体结构如图1 所示。

图1 锚杆组件结构示意图

1.2 高强锚杆的设计与校核

1.2.1 高强锚杆结构设计

高强锚杆是中间为光杆、两端为螺纹的细长杆件。螺纹部分公称直径与光杆部分直径相当。光杆部分长度可根据设计需要进行调整，螺纹部分长度需结合螺母及垫圈考虑，安装后螺纹外露长度需大于5～10 倍螺纹螺距[4]，便于安装时进行张拉。加工成型的高强锚杆机械性能需达到10.9 级以上。

锚杆螺纹从加工及性能上考虑通常采用三角形螺纹，高强锚杆的结构，如图2 所示。

图2 锚杆结构图

1.2.2 高强锚杆光杆部分强度校核

光杆部分拉力载荷Fm（光杆部分）为：

式中：φ 为高强锚杆光杆直径，mm；Rm为材料抗拉强度，MPa。

光杆部分保证载荷FP（光杆部分）为：

式中：ReL为材料屈服强度，MPa。

考虑安全系数[s]，应该满足：

式中：F 为高强锚杆设计载荷，N。

1.2.3 高强锚杆螺纹部分强度校核

锚杆螺纹部分保证载荷FP（螺纹部分）为：

式中：As，公称为螺纹公称应力截面积，mm2；SP为螺纹保证应力，MPa，数值可参考GB/T3098.1。

而三角形螺纹公称应力截面积As，公称为：

式中：d2为外螺纹基本中径，mm；d3为外螺纹小径，mm。

拉力载荷Fm（螺纹部分）为：

考虑安全系数[s]，应满足：

1.2.4 螺纹部分切应力校核

对内螺纹而言，其切应力截面积Ats为：

式中：lt为螺纹旋合部分长度，mm，可近似取值为螺母厚度；D1为内螺纹的基本小径，mm。

对外螺纹而言，其切应力截面积Ares为：

式中：d1为外螺纹的基本小径，mm。

对高强锚杆而言，设计剪切应力τ 为：

若考虑安全系数[s]，应满足：

1.3 球面螺母的设计与校核

1.3.1 球面螺母结构设计

球面螺母设计成一端球面、一端平面的结构。考虑到偏载工况的需要，根据经验，球面球径SR 一般为螺母外径dw 的1.5～2.8 倍[5]。同时，为了满足张拉及起吊需求，在侧面设计了专用螺纹孔，球面螺母结构形式如图3 所示。

图3 球面螺母结构图

1.3.2 球面螺母强度校核

球面螺母的保证载荷FP（螺母）为：

式中：SP（螺母）为螺母保证应力，MPa，数值可参考GB/T 3098.2 的规定。

考虑安全系数[s]，应该满足：

球面螺母剪切强度τP（螺母）为：

螺母螺纹为内螺纹，螺母剪切应力τ（螺母）为：

考虑安全系数[s]，应该满足：

球面螺母面压σ（螺母）为：

式中：Ab1为球面部分承压面积，mm2。

考虑安全系数[s]，应该满足：

式中：σs（螺母）为球面螺母材料的屈服强度，MPa。

1.4 球面垫圈的设计与校核

1.4.1 球面垫圈结构设计

球面垫圈与球面螺母配合，一端为凹球面，一端为平面[6]，结构外形一般如图4 所示。

图4 球面垫圈结构图

图4 中，E1的尺寸根据选定的螺纹直径尺寸，参考国标GB/T 5277 来选定，一般选择中等装配或者粗装配系列尺寸；SR 尺寸与配合的球面螺母尺寸一致。

1.4.2 球面垫圈强度校核

球面垫圈面压σ（垫圈）为：

考虑安全系数[s]，应该满足：

式中：σs（垫圈）为垫圈材料屈服强度，MPa。

1.5 止退螺母的设计与校核

当螺纹规格M≤64 时，可按GB/T6172.1 的尺寸设计。

当螺纹规格M＞64 时，厚度m1=0.6～0.8 M，其他尺寸按GB/T6172.1 设计。螺母侧边需设置吊装及张拉拧紧用螺纹孔。

止退螺母结构尺寸如图5 所示。

图5 止退螺母结构图

止退螺母按球面螺母方式进行保证载荷及剪切强度校核即可。

2 高强锚杆组件工程算例

根据某斜拉桥工程设计方案，为实现钢横梁和塔柱的连接，需要工作载荷分别为1 500 kN、1 200 kN、800 kN 的锚杆系列组件，根据前文设计思路，进行高强锚杆的工程实例设计，高强锚杆组件的材料及相关强度数据如表1 所列。

表1 高强锚杆组件材料及强度数据表

当设计载荷为1 500 kN 时，其各项设计计算如下：

2.1 高强锚杆设计计算

根据式（3），可得锚杆光杆部分直径φ 为：

根据普通三角形螺纹的尺寸关系，螺纹基本中径和螺纹小径可通过螺纹基本大径和螺距来表示，一般基本尺寸大于60 mm 时取螺距P 为6 mm，那么经过变换后锚杆螺纹部分的尺寸M 为：

由于锚杆光杆部分和螺纹部分的尺寸应当一致，参考螺纹尺寸系列，综合考虑后选定锚杆光杆部分直径φ 为85 mm，螺纹尺寸M 为85 mm，外螺纹基本小径d1为78.5 mm。

为确定螺纹旋合长度，根据式（11）可得：

因此，螺纹部分旋合长度至少需达到38.4 mm，锚杆光杆部分长度可根据工程需要及安装尺寸调整，螺纹部分长度L1可根据螺母及垫圈尺寸再次修正。

2.2 球面螺母设计计算

球面螺母需与锚杆螺纹部分配合，因此其M 为85 mm，内螺纹基本小径D1为78.5 mm，保证应力校核后满足设计要求。根据式（16）可得：

在此基础上，可进行螺母尺寸设计，最终螺母厚度m 为200 mm，螺母外圆dw 为240 mm，球径SR为360 mm（取外圆直径的1.5 倍），螺母侧面张拉及吊装螺纹孔M1为18 mm。

2.3 球面垫圈设计计算

根据GB/T5277，选择中等装配，则与M 配合的垫圈尺寸E1为91 mm，球面尺寸SR 与球面螺母一致，根据式（19），可得E2为：

取整后E 为255 mm。

球面垫圈厚度H 为：

球面垫圈与球面螺母选择相同的材料，校核后强度满足要求。

2.4 止退螺母设计计算

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

止退螺母保证应力及面压与球面螺母一致，而螺母旋合长度m1＞40.5 mm，因此止退螺母强度满足设计要求。

考虑球面螺母、球面垫圈、止退螺母的厚度尺寸，保证装配后螺纹外露5～10 倍螺纹螺距，则锚杆螺纹部分尺寸L1为380 mm。

按同样的计算步骤，可以完成设计载荷为1 200 kN、800 kN 系列高强锚杆组件的设计计算，在此不再赘述，共完成M85、M76、M64 三种尺寸系列的高强锚杆设计，详细尺寸数据见表2 所列。

表2 高强锚杆组件尺寸系列表 单位：mm

3 高强锚杆组件试验验证

现场安装高强锚杆组件时，为了填补锚杆由于混凝土缩变及锚杆张拉等所产生的预应力损失，锚杆采用分级张拉锚固工艺进行张拉[7]。为验证锚杆组件的设计可靠性并满足现场施工要求，每种规格型号的锚杆组件制造出厂前，必须抽取实物进行静载试验。试验必须采用专用工装，沿螺母轴线施加载荷。首先张拉到设计载荷的10%，然后分级加载至设计载荷的50%、75%、100%、150%。每级加载后保压3 min，卸载锚固[8]。分别测量记录伸长量，满足以下条件即为合格：

（1）试验前后试件无明显变形，高强锚杆总长度允许存在12.5 μm 的测量误差；

（2）螺母、高强锚杆可顺利旋合；

（3）高强锚杆、螺母、球面垫圈按照JB/T 4730 要求进行磁粉探伤，II 级验收合格。

图6 为锚杆静载试验工装图。主夹具及辅助垫板使用混凝土浇筑固定，中间设置支撑板以支撑高强锚杆，可换垫板设置有不同的内径尺寸以安装高强锚杆，将高强锚杆及球面螺母、垫片安装拧紧后，采用液压拉伸器逐级施加试验载荷，并记录试验数据。

图6 锚杆静载试验工装示意图

锚杆实物经静载试验后，螺母、高强锚杆可顺利旋合拆卸。试验前后高强锚杆长度测量差值均在12.5 μm 之内，经过磁粉探伤，满足II 级验收标准。通过静载试验验证，所设计的高强锚杆组件满足设计要求，可在工程实际中进行应用。

4 结论

通过对桥梁用高强锚杆组件进行试验研究，完成了高强锚杆、球面螺母、球面垫片、止退螺母的结构设计与强度校核，从而提供了一种可靠的高强锚杆组件设计方案。结合国内某斜拉桥工程施工的需要，经过计算分析，完成了螺纹规格M85、设计载荷1 500 kN，螺纹规格M76、设计载荷1 200 kN，螺纹规格M64、设计载荷800 kN 等三种尺寸系列的高强锚杆组件的设计计算。经过分级张拉锚固工艺进行静载试验验证，所设计的高强锚杆组件满足设计及使用要求，并在国内某斜拉桥项目得到工程应用。