马鞍山长江公铁大桥2100MPa高强度钢绞线斜拉索及锚具研制

巢马铁路马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥为(58+168+392+168+58) m双塔三索面钢桁梁斜拉桥,斜拉索设计采用抗拉强度2 100 MPa、抗疲劳应力幅280 MPa的?15.2 mm低松弛PE镀锌钢绞线拉索。为保证高强度钢绞线斜拉索的力学及锚固性能,根据其技术指标要求,在1 860 MPa钢绞线基础上,研制2 100 MPa钢绞线及配套锚具。通过提高钢绞线原材料盘条中C、Si、Mn元素含量及改进钢丝拉拔工艺,选择直径14.0 mm的PQS92Si-HT盘条为2 100 MPa钢绞线原材料。为提高钢绞线的锚固性能,夹片选择20CrMnTi钢,夹片长度52 mm、牙高0.45 mm、锥角6°10′、表面粗糙度Ra3.2以上且表面硬度不低于56 HRC。根据2 100 MPa钢绞线锚具的载荷变化和现行锚具锚板的材料性能,锚板选择40Cr钢,并进行调质处理。对研制的2 100 MPa钢绞线及配套锚具进行单孔锚及斜拉索锚具组件疲劳试验及疲劳后静载试验。结果表明：研制的2 100 MPa钢绞线及其锚具组件均满足规范要求,可应用于马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥。     

高强度平行钢丝拉索抗疲劳性能试验研究

为探讨2 100 MPa高强度热挤聚乙烯平行拉索的抗疲劳性能，制作了265丝?7.0 mm-2 100 MPa锌-铝合金镀层钢丝拉索，进行了拉伸应力上限为945 MPa、拉伸应力变程为250 MPa、应力循环次数为200万次抗疲劳性能试验，检查索有无断丝情况、锚具及高密度聚乙烯等构件情况。在拉索断丝率小于2%、锚具和高密度聚乙烯护套等构件完好的情况下，将应力变程提高到280 MPa,进一步加载至250万次，在加载中观察其试验索有无断丝情况、锚固体、锚具区域的疲劳损伤情况和高密度聚乙烯护套抗疲劳状况。通过以上超200万次、高应力幅值抗疲劳性能试验，全面掌握?7.0 mm-2 100 MPa锌-铝合金镀层钢丝拉索抗疲劳性能。     

低回缩预应力钢绞线锚具应用于腹板竖向预应力的应力场的计算与实测

针对低回缩预应力钢绞线体系应用于箱梁腹板的应力场计算设计了矩形薄板试验,对预应力即时损失以及矩形薄板各截面竖向预压应力场进行了测试.根据箱梁腹板在竖向预应力作用下的受力特点,利用竖向局部荷载作用下弹性力学平面应力问题的解析解,用多项式拟舍得出应力扩散角、应力均匀度和名义应力度之间的计算公式.预应力损失测试结果表明,这种低回缩预应力钢绞线锚具的预应力即时损失值低于5%,从而证明了该体系应用于短索能有效地提高预应力效率,若应用于箱梁腹板能提高箱梁的抗剪可靠性.弹性理论计算结果与矩形薄板试验测得的竖向预应力作用下的应力场吻合较好,当扩散角a小于26.5.时,能保证各截面处于较高的应力水平和应力均匀度,表明了低回预应力钢绞线锚具应用于腹板竖向预应力时具有优越性.     

CFRP筋新型机械夹持-黏结型复合式锚具短期静力性能试验

为充分发挥CFRP筋高强轻质的特性,设计了一种新型机械夹持-黏结型复合式锚具,通过改变锚具的黏结长度、黏结介质倾角和黏结介质掺合料,以及是否设置夹片等参数,对6组锚具进行试验研究,测试CFRP筋新型锚具的极限荷载、荷载-滑移曲线、筋材应力和锚具钢套筒应力分布,分析不同参数对新型锚具锚固性能的影响规律,并与未设置夹片的对照组锚具进行比较,最后对3根CFRP筋材的复合式锚具锚固效果进行了试验验证。试验结果表明：新型锚具最终失效形式均表现为筋材破断破坏,且锚具锚固效率系数均满足规范规定的大于0.9的要求;筋材滑移量随着锚具黏结部分长度的增大而减小,合适的锚固长度宜为30~40倍筋材直径;锚具黏结部分倾角的减小会造成顶推力的减小,并造成锚具加载端与自由端滑移量差值增大;黏结介质中适度的掺砂量能够提升锚具的锚固性能,但当掺砂量超过一定程度时,将影响黏结介质本身的胶结性能,建议掺砂量不超过10%;无夹片组失效模式为筋材与胶体黏结滑移失效,锚固效率低,而新型复合式锚具由于顶推力的存在不仅能够减小锚具的整体滑移量,而且能够有效避免锚具在加载端的应力集中现象,极大改善锚具受力性能,提高锚具的锚固效率;该新型复合式锚具对多根CFRP筋材同样具有良好的锚固效果。     

预应力碳纤维板加固受弯构件长期性能研究

在国内外预应力碳纤维板加固混凝土受弯构件研究成果的基础上,对国产预应力碳纤维板的长期徐变性能进行室内试验,并对预应力张拉锚具锚固端碳纤维板的滑移进行观测。试验结果表明:国产碳纤维板在50%左右极限应力长期张拉作用下,碳纤维板徐变量及预应力张拉机具锚固端碳纤维板滑移量都很小,为国产预应力碳纤维板加固混凝土结构的长期性能研究提供了可靠的理论数据。     

高强CFRP拉索-弯折锚固系统静力性能研究

为了满足索承结构对拉索索力增长的需求,增加单筋直径和数量来提升索力是一种有效方法,但同时会导致索体直径和盘卷直径过大。为此,基于先前开发的变刚度锚固荷载传递介质,提出一种采用多根高强小直径CFRP筋的弯折锚固系统(简称弯折锚)来同时提升索力和弯曲性能。针对多筋拉索建模复杂以及计算效率低的问题,提出了基于等效圆环的应力释放模型,并利用足尺试验对应力释放模型的可靠性以及锚固方法的有效性进行验证。结果表明：改变单筋间距有利于减小平行锚最外层筋内外侧轴向拉应力差,但对轴向应力和径向应力影响较小。应力释放模型可以有效解决封闭圆环模型的“环箍效应”,使拉索内层筋的环向挤压应力更加趋近于真实的多筋模型。高强CFRP拉索失效模式为整体炸裂式破坏,荷载传递介质几乎没有受到可见的挤压和剪切损伤。应力释放模型对荷载-位移曲线、轴向位移和锚固区拉索轴向应变均具有较高的模拟精度。Φ4-91高强CFRP拉索的实测极限抗拉力为3 393 kN,相应的锚固效率为91%,而锚固效率低的原因在于多筋受力不均匀和未对锚具进行重新设计。自由段拉索轴向应变随荷载的增加而增大,应变片粘贴位置、胶层厚度以及筋材长度误差是导致轴向应...     

PC箱梁竖向预应力张拉锚固阶段应力损失研究

为了分析PC箱梁张拉锚固阶段的竖向预应力损失,以2座实桥为例,进行了箱梁竖向预应力损失测试,对这2座桥梁竖向预应力损失进行有限元和解析法的求解,在此基础上与实测数据进行了对比;结合实例桥竖向预应力损失试验的现场经验,分析了造成张拉锚固阶段竖向预应力损失的多种因素及其影响程度。结果表明,锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失是张拉锚固阶段主要应力损失;预应力损失与施工质量有着密切关系,且在施工质量得到保证的条件下,实施二次张拉对控制锚固损失是非常有效的。     

CFRP丝股新型锚固系统受力分析及试验研究

为解决CFRP丝股现有内锥形锚具锚固区的径向挤压应力分布不合理及丝股在受荷端存在弯折等问题，研制了双筒黏结型锚具。该新型锚具在传统内锥形锚具内，置入一个带有多条纵向切缝的钢质套管，套管切缝的宽度沿纵向渐变，则套管的径向收缩刚度随之渐变，此举可避免小孔端挤压应力过大，以实现径向挤压应力的合理分布。套管包裹住CFRP丝股，以环氧树脂作为黏结介质，并对锚具进行预紧。利用ANSYS软件对6组不同丝间距和套管壁厚的新型锚具进行受力模拟，得出最优锚具设计尺寸参数，探明了锚固区筋材应力分布情况；制作现有传统内锥形锚具及新型锚具，对19丝Φ5的丝股进行静力拉伸试验，并对各影响因素进行分析。结果表明：新型锚具锚固效率系数可达到110%,相比普通内锥形锚具提高了近30%;丝间距以1～2 mm为宜，丝间距越小锚固性能越好；套管、预紧力对提高锚固性能影响很大，套管的壁厚在4～6 mm为宜，在此范围内壁厚越大，丝间距对锚固性能的影响越弱；预紧力大小约等于锚固系统极限承载力时，锚固效率相对于无预紧作用提高12%。     

预应力钢棒体系索塔锚固区力学特性研究

针对斜拉桥索塔锚固区传统钢绞线预应力体系存在布设复杂、预应力分布不均匀、锚下应力集中等问题,对采用无粘结预应力钢棒体系索塔锚固区的力学特性开展了研究。以洛溪大桥拓宽工程主桥为背景,采用ANSYS软件分别建立了该桥预应力钢棒体系及传统钢绞线预应力体系索塔锚固区节段有限元模型,对比了2种预应力体系索塔锚固区在2种荷载工况下(完成预应力张拉但未张拉斜拉索和斜拉索张拉后)混凝土塔壁横桥向应力、顺桥向应力、第一主应力和第三主应力。结果表明：2种荷载工况下,无粘结预应力钢棒体系具有足够的压应力储备;与传统钢绞线预应力体系相比,无粘结预应力钢棒体系锚固区的应力水平较低,混凝土塔柱的应力水平沿高度方向更为均匀,采用无粘结预应力钢棒体系索塔锚固区具有更优的力学性能。     

体外预应力组合梁桥预应力损失计算

为准确计算体外预应力组合梁桥预应力损失值,在已有研究的基础上,总结导致该类型梁桥预应力损失的6个关键因素(预应力筋回缩和锚具变形、预应力筋与转向块之间的摩擦、预应力筋松弛、混凝土徐变、混凝土收缩、温度变化),并分别推导了相应的简化计算方法.计算预应力筋回缩和锚具变形以及摩擦引起的预应力损失时采用材料力学方法和平衡原理;计算预应力筋松弛引起的预应力损失时参考预应力混凝土梁的相关经验公式并结合试验结果进行修正;计算混凝土徐变、收缩以及温度效应引起的预应力损失时近似采用力法原理和等效荷载法.     

不同锚具锚固效果及最佳限位距离研究

为解决公路隧道中采用预应力锚索支护时如何选择合适锚具及其最佳限位距离的问题,选用A、B、C 3类常见矿用锚具,通过理论分析、室内试验以及现场试验的方法,探究3类锚具锚固效果及与之对应的最佳限位距离。结果表明： 1）预应力损失与限位距离存在慢速下降、快速下降和稳定损失3个阶段,拐点x2为锚具的理论最佳限位距离; 2）根据锚具结构、相同限位距离下预应力损失情况和锚具张拉前后的回缩长度综合得出,在相同的条件下,B型锚具的锚固效果优于A型和C型; 3）锚具的实际最佳限位距离应低于理论最佳限位距离和锚索张拉前夹片平均外露长度,则对于最佳限位距离A型锚具为12.0 mm,B型锚具为10.0 mm,C型锚具为13.0 mm。     

浅析静载锚固试验

在预应力锚具组装件静载锚固性能检测工作的基础上,针对检测工作中经常遇到的一些问题如锚环、夹片洛氏硬度的检测方法、静载锚固试验方法,锚夹具的硬度、钢绞线、试验设备、试验环境等对预应力锚具组装件静载锚固性能试验的影响等进行了分析和探讨以供生产单位、施工单位及中心试验室进行静载锚固性能试验参考。     

非预应力BFRP锚杆加固土质边坡设计参数确定试验研究

为研究新型材料BFRP筋作为锚杆的设计方法和设计参数,进行了BFRP筋的拉伸试验、与水泥砂浆的黏结性能试验、耐腐蚀性试验、剪切试验,分析BFRP筋的力学特性。基于钢筋锚杆设计规范和已有的研究成果,给出了非预应力BFRP锚杆加固土质边坡设计参数的取值方法和建议值。通过BFRP锚杆与钢筋锚杆的现场支护对比试验,分析BFRP锚杆的加固效果,验证BFRP锚杆设计的合理性。研究表明,非预应力BFRP锚杆支护设计的抗拉安全系数不应小于1.6(永久锚杆)和1.4(临时锚杆)。BFRP筋抗拉强度标准值为极限抗拉强度的80%,对于锚固常用的BFRP筋(直径≥12 mm)可取为710 MPa。BFRP筋与砂浆的黏结强度标准值等于拉拔试验得到的平均值除以2.1,对于锚固常用的BFRP筋可取为2.8 MPa。设计的BFRP锚杆可以有效地加固边坡,较好地控制边坡位移,且加固效果与钢筋锚杆相当,BFRP锚杆设计合理,采用等强度替代钢筋的方法进行BFRP锚杆支护设计是可行的。     

新型大直径GFRP筋锚具设计及试验研究

针对单根大直径GFRP筋因体表比过大难以锚固的问题，对已有黏结楔式锚固体系作出改进，将直接浇筑于锚筒和筋材之间的黏结介质替代为环氧树脂并在装配前进行预制；在环氧树脂楔块与锚环之间设计锥角差以消除加载端的剪切效应。通过理论分析新型锚具的受力机理，推导出锚具内力的分布规律以及锚具承载能力估算公式，从而为设计尺寸提供依据；利用有限元软件ABAQUS对9组不同内坡角和锥角差的新型锚具进行受力模拟，得到一组最优设计参数使锚固系统承载力达到最大，据此制作实体锚具对Φ32 mm的GFRP筋材进行静力拉伸试验。结果表明：新型锚具的设计参数相互影响，锥角差显著影响内部结构受力，锥角差越大锚具承载力越大，但过大锥角差可能会产生过大径向压力从而对楔形体造成破坏。内坡角越大锚具承载力越大，但过大的内坡角会导致筋材所受夹持力过小从而发生整体滑脱破坏；以锚筒长度235 mm为例，其最优的内坡角可取10%，锥角差取0.5°；预制楔形块的轴向刚度和强度对新型锚固体系的影响巨大，楔形块加入轴向FRP筋可防止黏结介质拉裂，从而有效提高内部结构的整体工作性能；新型锚具能够将复杂应力状态后移至有效锚固区后部分，避免了加载端的剪切效应，在有效锚固段受力始终均匀变化，可充分发挥GFRP大直径筋材抗拉能力；以Φ32 mm的GFRP筋材为例，极限承载力可达629.4 kN，远超GFRP筋材标准承载力，最高锚固效率达到139.9%，破坏方式主要以炸丝为主，静力锚固性能可靠。     

斜拉桥索塔低回缩环向预应力锚固结构研究

为设计一种新型的斜拉桥索塔锚固区预应力锚固结构,避免采用常用环向预应力索塔锚固结构带来的局限性,在调查分析了已有研究成果的基础上,从锚固区环向预应力损失的原理出发研究减少预应力损失的措施,提出了新型的低回缩环向预应力锚固结构方案.以韩家沱长江特大桥索塔锚固区为研究对象,设计了索塔低回缩环向预应力锚固结构和U形环向预应力锚团结构,并对这2种方案的有效预应力及预应力作用下索塔锚固区混凝土应力进行计算,结果表明,采用低回缩环向预应力锚固结构可显著减少预应力损失且有效应力沿程分布均匀,索塔锚固区的混凝土应力分布也更加均匀.     

碳纤维索股粘结型锚具疲劳试验研究

为研究新研发的碳纤维索股内套管锥形粘结型锚具的抗疲劳性能,进行了应力水平为629～704.48MPa的200万次疲劳加载试验,测试了体现锚固性能的各项指标,分析了锚具各组件之间的相对位移量、锚固区碳纤维丝表面粘结力及疲劳后的残余极限承载力的变化情况。试验结果表明：各组件之间的相对位移量很小,且主要发生在前50万次循环加载过程中,之后趋于稳定,各组件之间相互协调性非常稳定;锚固区碳纤维丝表面粘结力失效程度小;锚环外表面环向应变几乎无变化,锚环工作状态良好;相比静力极限承载力,锚固系统疲劳后的残余极限承载力不会降低;该新型锚具抗疲劳性能优秀,在长期使用过程中具有很高的安全储备。     

一种新型锚固结构—安全型压力分散锚索简介

压力分散型锚索的外锚头一旦产生变形,将导致各级钢绞线应力分布不均而使锚索失效,且压力分散型锚索不能进行极限承载力试验.通过在内锚固段设置可滑动的内锚具,开发出一种新型锚固结构—安全型压力分散锚索,使上述问题得到有效解决.安全型压力分散锚索是一种安全可靠的预应力锚固结构,值得在各类岩土锚固工程中推广应用.     

基于位移控制CFRP板新型锚具锚固性能研究

为探究通过位移控制施加预紧力的CFRP板锚具的锚固性能,明确静载作用下锚具的锚固效率及CFRP板的受力机理,对新型曲面夹持式锚具进行设计,锚具构件由钢制夹板以及限位板组成。夹板通过弧面设计避免端口效应产生的剪切破坏,通过改变限位板厚度,控制夹板挤压位移,以达到调控预紧力的目的。通过8组16次试件锚具静载试验,探究限位板厚度在1.65~2.00 mm,夹板挤压位移在0.30~0.65 mm时CFRP板的锚固效率、应变、变形量、相对滑移以及总位移。结合ANSYS有限元软件,对锚具在不同限位板厚度控制下CFRP板的张拉应力以及锚固效率进行分析,对锚具静载试验进行对比。研究结果表明：锚具静载试验,当夹板挤压位移在0.30~0.45 mm时,破坏形态为滑脱,达到0.5 mm时CFRP板发生纵向劈裂破坏;夹板横向两侧位移0.65 mm时,发生由横向两侧向中部的爆炸式破坏,最大试验锚固效率为89%;夹板挤压位移在0.3~0.65 mm时,CFRP板变形量为1.41~2.95 mm,滑移量在0.7~2.1 mm之间,总位移未超过4 mm,锚固性能越好滑移量越小;有限元模拟最大锚固效率为91%,CFRP板位移对比差值未超过5%。;由于CFRP板回缩及夹板变形带来一定的应力损失,损失大小建议取张拉应力的7.67%;试验同时发现,CFRP板为正交异性板,其横向宽度较大,张拉时受纵向剪应力影响比较大,因此设计时需尽量避免横向出现的挤压应力不均;对CFRP板纵向剪应力进行分析,得到主要影响参数夹板厚度的最优范围在35~40 mm之间。     

预应力碳纤维布加固混凝土圆柱预应力损失试验研究

为了研究预应力碳纤维布加固圆柱的应力损失情况,在恒温恒湿条件下进行了为期30 d的预应力碳纤维布加固混凝土圆柱预应力损失试验。试验考虑的影响因素包括:圆柱的直径大小、预应力大小、柱表面处理情况。试验得到了预应力碳纤维布的摩擦损失量和长期的应力松弛损失量,分析了各因素对碳纤维布预应力损失的影响,得出了预应力损失的发展规律,并提出了减小碳纤维布预应力损失的措施。试验结果表明:当预应力越大、圆柱直径越小、圆柱表面越粗糙,则摩擦损失越大;持荷初期碳纤维布应力松弛发展较快,12 h松弛率可达30 d松弛率的51%以上,之后逐渐趋于稳定;碳纤维布表面涂胶情况下的预应力松弛量较不做处理的情况小;圆柱直径越大、预应力越大,碳纤维布应力松弛率越低。预应力碳纤维布的松弛量和有效应力随圆柱直径及预应力度的增大而增大。摩擦损失占预应力总损失76.4%以上,碳纤维布应力松弛损失相对较小,占总损失的9.9%~23.6%。对加固圆柱表面及碳纤维布表面涂胶可有效减少预应力损失。增大预应力度,可提高碳纤维布有效预应力。试验结果对预应力碳纤维布加固柱的设计及施工具有一定的指导意义。     

环氧涂层填充型钢绞线锚具的有限元建模与锚固性能分析

为解决环氧涂层填充型钢绞线锚具设计中锚板与夹片锥角相匹配的问题,利用ANSYS软件对其锚具进行了有限元建模和分析,计算了在锚板与夹片锥角相同以及锚板锥角小于夹片锥角10′情形下锚具的应力、变形及压力,分析了对锚固性能的影响。结果显示,锚板与夹片锥角相同时,夹片根部的Mises应力、径向应力及锚板与夹片之间的压力值都很高,产生切口效应,锚固效率小于95%,达不到锚固性能要求;当锚板锥角比夹片锥角小10′时,锚具应力、变形及压力减小了很多,未出现切口效应,锚固效率大大超过95%,完全符合锚固性能要求。此外,分析了夹片与锚板间摩擦系数对锚板受力及锚固性能的影响,可为锚具的设计和制造提供参考。