预应力锚固体系的理论分析及实践研究

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摘要：文章以预应力锚固技术在工程中的应用为研究对象，在对理论与实践研究的基础上，对预应力锚固技术的工作机理、发展特点、设计理论等方面作了较深入系统的研究，可为工程实际应用提供一定的指导。并为本研究项目的后续工作：预应力锚固体系的实验研究及有限元分析提供必要的理论支持。

Abstract: The study objective of this article is the applications of prestressed anchorage technique in engineering. On the basis of research on theory with practice, the paper studies the issues related with the basic theory, the developing features and design theory of prestressed anchorage technique. So it may be valuable to other engineering. It will theoretically support follow-up researches into experiment and finite element analysis for prestressed anchor system.

关键词：预应力混凝土；锚固体系；锚具；有限元分析

Key words: pre-stressed concrete；anchor system；anchorage；finite-element analysis

中图分类号：TU37 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0090-03

0引言

由于预应力技术的发展是与预应力钢材和预应力锚固体系的发展休戚相关，所以锚具和夹具作为制作预应力时锚固预应力钢筋的重要工具，其重要性也就不言而喻了。因而可以这样说，锚具的优良特性直接影响到预应力的效果和结构安全性。

1概况

一般认为，构件制成后能够取下重复使用的称为夹具；留在构件上不再取下的称为锚具。锚具的设计与选择作为一个重要的环节，决定锚具所能承受的载荷，而这将直接关系到预应力的效果。因此在工程结构中应用预应力技术，既要对锚具各组成元件形成预期的预应力性能进行要求，也要对张拉过程中各元件本身能否正常地达到预期的工作状态进行要求。而实现上述要求不仅有赖于规范的施工操作，更主要是依赖于正确选取预应力钢筋、锚环、夹片等构成元件的结构参数。

现如今，预应力锚固体系的发展趋势是提高单束预应力筋的张拉力，及提高锚具的可靠性和操作的灵活性，而预应力钢材发展的趋势是高强度（屈服强度、抗拉强度、疲劳强度）、低松弛、耐腐蚀和高黏结性。而锚具锚固的可靠与否，是否产生滑丝、断丝等现象，在很大程度上与锚具的形状尺寸，加工精度，材质和顶压措施有关。然而，最主要的是在设计锚具时，锚具本身必须满足自锚条件。本文将对钢绞线锚固体系的锚固原理、性能及受力情况进行分析，同时对锚具在实际应用过程中出现滑丝、断丝现象的机理进行初步分析，并提出结构改进方案。

2两片式夹片锚的组装件性能分析

目前广泛使用的夹片有直剖三片式、斜剖三片式及两片四开式。因三片式回缩后夹片外露不齐，而且排列的对称性不如两片式，因而导致三片之间的间隙不均匀，而这就容易导致钢绞线断丝和滑丝，进而对锚固性能不利。两片式的夹片带有弹性槽，弹性槽可以调整夹片及锚环锥孔在制造上的尺寸偏差以及因钢绞线直径带来的误差，调整夹片的受力使之均匀，使夹片在全长上的夹痕均匀，从而增加锚固的安全度。同时两片式夹片的包角大，接近180°，增加了夹片与钢绞线的接触面积。因而也就加大了摩擦力。带弹性槽的夹片可以锚固相近规格的钢绞线，适用范围广，安装也较方便。

通过对工程使用效果的比较，两片式锚具比三片式锚具的滑丝、断丝率都低，锚固性能好。其次，据大量应用单位反映，两片四开式操作方便、不用顶推、夹片跟进均匀，同时采用钢丝圈将两夹片箍在一起，即使出现两夹片摩阻不同，有跟进不齐的趋势，但在刚度较大，抗剪力强的钢丝圈的带动下，两夹片仍会同时跟进，牢固地将钢绞线锚固。而目前现有张拉设备YCW千斤顶的广泛使用，也使两夹片更易于推广。所以本研究项目将以两片四开式夹片锚作为研究对象，对其进行力学性能分析、实验研究，以及数值模拟分析。

图1为夹片锚的受力情况。在千斤顶逐渐放张至零时，预应力筋将逐渐回缩，犹如有压力迫使夹片和钢筋向锚环内移动δ（放松张拉时的回缩量）。为了保证夹片的自动跟进，夹片与钢筋之间不应有相对滑动，夹片与钢筋接触面的摩阻力f应小于μ2R。夹片与锚环之间有相对滑动而形成δ，夹片与锚环之间的摩阻力则达到极限摩阻力（动摩阻力）。

图1中f表示预应力筋与夹片之间的摩阻力；α为锚环的斜角；μ1表示夹片与锚环之间的摩擦系数，相应的摩擦角为β，即μ1 =tgβ；μ2表示夹片和预应力筋之间的摩擦系数，相应的摩擦角为γ，即μ2=tgγ；N为锚环对夹片的正压力；R为预应力筋与夹片之间的正压力；r′为夹片之间的环向正压力。μ1表示夹片与锚环之间的摩擦系数。

取夹片作为脱离体，由脱离体平衡条件有：

Ncosα－μ1 Nsinα=R+R′=KR（1）

而当Rtgγ≥Rtg（α+β），γ≥α+β（2）

这时，锚具能够自锚。

式（2）由式：

cosθdθ=cosθdθ+2r′

而得，并令R′=2πr′系数（K≥1）。

Nsinα+μ1 Ncosα=f（3）

由此可见，对于锚具组装件，K反映其固有特性，其值大于等于1，它与夹片内径、钢绞线直径相对大小，夹片线性弹性模量，夹片厚度等有关。

f ≤μ2R（4）

为得到夹片自动跟进的条件，将式（1）、（3）代入式（4）得：

（μ2/K）（cosα-μ1sinα）≥sinα+μ1 cosα（5）

由于0°＜α＜90°，故上式右边必须大于0。又因为μ2>0，故式（5）左边的因子：（cosα－μ1 sinα）＞0，即cosα＞μ1 sinα，

故tgα＜1/μ1（6）

另由式（5）知：μ2 /K≥[μ1（cosα-sinα/μ1）]/（cosα-μ1sinα）（7）

tgα≤（μ2/K-μ1）/（1+μ1μ2/K）且0°＜α＜90°（8）

比较式（2）、（6）、（8）知，锚环锥孔锥度或夹片锥度由（8）式控制。由式（8）可见，（μ2/K－μ1）的差值愈大，μ1μ2/K的值愈小，允许的锥角愈大，但μ2/K必须大于μ1。故锚环锥孔与夹片的接触面都做得较光滑，而夹片与预应力筋接触的夹片面上则刻有齿形螺纹，以增大摩擦。

式（7）或者式（8）成为夹片锚的夹片自动跟进和锚固的条件。

由预应力筋的平衡条件（放张以后）可知，预应力筋在锚下截面的预加力T等于它作用于夹片的摩擦力f，

即 F=f（9）

将式（9）代入式（3），并与式（1）联立求解得：

N=F/（sinα+μ1cosα）（10）

R=[（cosα-μ1sinα）/（sinα+μ1cosα）] T/k（11）

可以证明，当α满足式（8）的规定、预加力F一定时，α愈大，锚环和夹片所受正压力N、R均愈小。故设计时宜取

α=arctg[（μ2/K－μ1）/ （1+μ1μ2/K）]且0°＜α＜90°（12）

式（12）确定的2α称为临界锥角，式中μ1、μ2、K的取值必须考虑安全系数，μ1、K取考虑安全系数后的大值，μ2取考虑安全系数后的小值。

将式（12）代入式（10）、（11）得：

N=T（μ/K）

=T（13）

R=T/μ2（14）

可见，当锚环锥孔锥度和夹片锥度取为临界锥角时，锚具组装件受力有如下特性：

μ2/K越大，锚环及夹片所受的正压力就越小，且正压力N随μ2的变化而显著变化。μ2/K越大，夹片与钢筋之间的正压力越小，且正压力R随μ2的变化而显著变化。

μ1越大，锚环及夹片所受的正压力越小，且正压力N和R对μ1的变化反应很不敏感。

夹片之间的环向正压力越小，K接近于1，对钢筋的锚固越有利，这就要求夹片形成的内径应适当小于钢绞线的外径。当然夹片的内径不能太小，以免受正常载荷后，夹片之间仍有空隙，不利于钢绞线的横向均匀受压。

3影响预应力效果的原因和结构分析

在工程实践中，锚具本身可通过自锚将预应力筋可靠地锚固住，但由于锚具质量、张拉机具及施工人员的技术水平等方面的原因，实际情况常常会发生滑丝、断丝等情况，尤其当采用高强钢丝作预应力筋时，更易引起。

预应力筋的滑移和断裂，将严重影响预应力值的建立，使预应力不能正确施加，影响工程质量。而滑丝、断丝现象严重时会造成锚具丧失锚固能力，这些会对结构的质量产生较大影响。所以有关规范对滑丝有严格的限制[1]。规范规定其断滑丝率（即断滑丝的数量和张拉钢丝数量之比）不能大于5%。而且发生断、滑丝后，要进行处理也是一件较困难的事，同时将严重影响施工进度和安全。因此，在施工中，必须根据锚具的性能，采取有效的措施，尽量避免产生滑丝和断丝的现象。

由于在实际施工中产生滑丝现象的因素是多种多样的，其原因也是很复杂的[2]。排除因装夹、操作、工况条件等原因引起的滑丝，结构因素引起的4种滑丝主要原因如下[3]：

3.1 因夹片与锚环锥角配合不当引起的滑丝锚具尺寸的精度，关键在于锥角的精度，因为它直接影响滑丝问题。夹片的外锥与锚环内锥孔的配合必须恰当。由于夹片的外锥面与锚环内锥孔配合，具有很强的自锁能力，因此夹持住预应力筋。但由于夹紧元件的结构参数选用不当或施工操作不当，甚至设计或机械加工过程中形成的误差，以及热处理后锚环锥孔的变形（小端缩孔造成锚环孔锥角放大），即可能形成夹片锥角与锚环锥孔角度配合不当。从现场张拉的情况可以明显观察到，若夹片小端先接触锚环孔，随后因小端顶住锚环锥角，不利夹片跟进，由此夹持不牢，即可能引起滑丝。或者是仅有夹片前端和预应力筋接触，造成预应力筋咬伤过重而提前拉断。因此在锚环、夹片的设计中除了考虑锥角的大小外，还要注重角度误差的影响，锚环孔锥角应必须小于夹片的外锥角，给予适当的差值，将大大提高锚固性能。

3.2 因夹片、锚环的硬度偏差造成的滑丝在现场可以看到由于夹片硬度偏低引起倒牙，或是硬度过高、脆性大引起的碎牙，都会产生滑丝。夹片是在复杂应力的条件下工作，表面必须具备一定的耐磨性，有较高的硬度而不脆。夹片心部应有一定强度和韧性相结合，以适应张拉时夹片的变形。

3.3 因夹片齿顶圆弧、齿距偏差而引起的滑丝张拉中夹片直接夹持预应力筋，由于齿顶圆弧过大、平坦，夹片不易咬住预应力筋;而齿顶圆弧过小、尖角，又会咬伤预应力筋，影响它的破断强度。细小的齿距在初载咬合中使预应力筋表面产生的刨皮很容易将夹片齿底填满，从而会使夹片夹持不住预应力筋。在参阅了国内外各种类型的夹片式锚具样品的参数后，本研究认为在设计中采用圆弧倒牙齿形，齿顶圆弧半径为0.3比较合理。

3.4 因夹片和锚环表面粗糙度不当产生滑丝在锚固过程中，夹片与锚环之间存在很大的摩擦，夹片、锚环的表面粗糙度对于夹片的跟进影响很大。由于夹片外锥面与锚环内锥面的粗糙度高，相互间的摩擦就大，不利于夹片跟进，夹片容易产生错位。此时二夹片组成的整个锥面发生了变化，锥截面不在同一圆锥面上。这样的锥面与锚环的锥孔不能形成很好的配合，降低了自锁能力。同时夹片有效夹持长度也就缩短了，夹片所受载荷集中在局部而不是全体，故产生滑丝。所以在加工此类元件时，要在工艺上进行调整，采用精车后放加工余量，通过磨削和精铰孔来提高夹片和锚环孔的表面粗糙度，并做好此类元件的表面防锈措施。

解决滑丝现象，除了在结构方面做进一步改进外，还需在施工过程中通过一系列措施来防止出现滑丝现象。具体措施[4]如下：

将两端各1.5m范围内（张拉锚固区）的钢束除锈去污；穿束前先清除锚垫板喇叭口内的污染及杂物，安装锚具前清除其上的污物；对入场的钢绞线进行复查，确认合格后方准使用，对暂时不用者要注意防锈防蚀；选购质量可靠、性能稳定的锚具和限位余量大的限位器；安装工作夹片时，要调好同一锥孔内夹片的间隙和端头平整度，确保其合乎要求；在安装和张拉过程中要将各种锚圈调入锚下垫板止口（限位槽）内；卸载（锚固）要平稳，油压不能下降太快，在高压力下更要注意；需要多次倒顶时，应尽可能用足千斤顶的行程或选用行程更长的千斤顶，以减少倒顶次数，减轻对工作夹片的损伤。

产生断丝现象的原因主要有以下几点[5]：

个别钢绞线强度低；钢绞线有暗伤、锈坑或外伤（如焊接时的损伤），张拉时产生应力集中；锚垫板偏斜过于严重，使孔道成折线形，导致钢绞线产生附加应力；工作锚与工具锚间的钢绞线不平行，有较大的扭绞；施工操作不当，如张拉前未将夹片按要求打紧，造成个别钢绞线受力过大而断丝。

而在施工过程中通过一系列措施来防止出现断丝现象的措施[6]如下：

按规定对钢绞线进行检验，确保所用钢绞线的各项技术指标合格；下料、编束时要检查钢绞线的外观，有异常者不得使用，同时要防止操作不当对钢绞线造成新的损伤；做好波纹管接头连接和波纹管、锚下垫板的定位工作，保证孔道圆顺、畅通、无错台和无偏斜；确保千斤顶内各钢绞线相互平行；控制好加载速度（特别在临近加载终值时），尽量降低脉动冲击，使钢绞线有一个调整应力和变形的过程；为保证每根钢绞线的受力基本均匀，张拉前最好将钢束中的每根钢绞线顶紧至相同吨位，如果无条件预紧，则要在安装锚具和张拉过程中打紧工具锚夹片，且要松紧基本一致。

4结论

通过研究，要对锚具进行设计和创新，其基本点就在于：①提高锚固的可靠性及抗疲劳性能；②增强锚具的自锚能力；③解决碎片问题；④改善施工可操作性；⑤减小锚具尺寸、减轻重量、降低成本；⑥减少滑丝和预应力损失。

所以本次项目研究将以两片四开式夹片锚作为研究对象，通过对锚具进行静载锚固性能实验，测得相关的实验数据，从而为实现运用有限元分析锚具提供必要的支持。随后，运用ANSYS软件对锚具进行数值分析，获得在荷载状态下锚环和夹片的相互作用的状况，从而实现对锚具在整个实际张拉条件下的力学变化过程的进一步了解。在此基础上，将数值分析的结果与实验研究的结果进行对比，从而得到：ANSYS软件是对锚具进行计算机模拟的有效工具这一结论。最后，本次项目研究将对锚固体系进行了优化设计，通过对不同参数，如厚度、锥度、体积等，进行模拟分析，从而获得不同锚具模型的应力分布状况，为锚具的最优设计方案提供理论依据。依据分析的结果，本次项目研究将提出了一个合理的锚具模型，此锚固体系的受力将更趋合理，更具效率。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范（GB50010―2002）[S].北京.中国建筑工业出版社，2002.

[2]中华人民共和国行业标准.无粘结预应力混凝土技术规程（JGJ/92―2004）[S].北京.中国建筑工业出版社，2004.

[3]中华人民共和国行业标准.建筑结构荷载规范（GB50009―2001）[S].北京.中国建筑工业出版社，2002.

[4]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017―2003）[S].北京.中国建筑工业出版社，2003.

[5]宋玉普.预应力混凝土建筑结构[M].机械工业出版社，2007.

[6]熊学亚.预应力结构原理与设计[M].中国建筑工业出版社，2004.