灌浆式体外索锚具的研制

赵靖钊，谢正元，邓 昱，罗春林

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州545006）

0 引言

据统计，由于国外把体外索经济性作为主要考虑因素，因此国外体外索工程大量采用铸铁锚垫板+H D P E隔离管的灌浆式体外索锚具。该结构具有结构紧凑、造价低及施工简便等特点。而国内体外索则更注重其功能多样性及防腐性，因此国内体外索体系产品结构复杂，造价高，对灌浆式体外索关键技术研究几近空白，无法满足国外体外预应力桥梁市场的要求。

基于以上原因，依据现行标准要求，借鉴现有成熟的体内索锚具设计理念，通过优化锚具构造参数、改进结构设计，研制出一种经济型灌浆式体外索锚具。该锚具采用圆塔形多级台阶承载结构、压力密封技术，具有结构紧凑、经济实用、索体孔道小及施工简便等特点，并已成功应用于伊朗S A R D桥和香港湾仔桥[1-4]。

1 设计指导思想

（1）通过非线性有限元分析和荷载传递试验，设计、开发出质量更轻、更经济、传力更有效的体外索圆塔形锚垫板；同时对配套螺旋筋进行综合优化设计，尽量降低造价，并进行相应的荷载传递试验。

（2）借鉴现有常规O VM锚具成熟的锚固机理，减小原有锚板孔间距，从而减小锚板外径尺寸，减轻重量，并与圆塔形锚垫板进行配套。

（3）在已优化的锚垫板、锚板和螺旋筋基础上增设H D P E锥形隔离筒，与索体外套管焊接而构成可换式索体，实现体外索换索功能，并参照E T A G 013要求进行相应的水压试验。

2 具体设计措施

针对海外体外索工程的市场需求与国际规范要求，对国内常规通用体外索锚具（见图1）进行优化、升级，开发结构合理、质量轻、经济实用的灌浆式体外索锚具，以下简称TM型体外索锚具。

图1 常规通用锚具构造图

TM型体外索体系主要由锚垫板、夹片、锚板、螺旋筋、H D P E内锥筒、灌浆式索体组成，如图2所示。其特征是：锚具内设置有H D P E锥形隔离管，其在锚垫板出口处与索体外套管焊接而构成可换式索体，压浆时，利用锥面楔紧原理使锥形隔离管与锚垫板锥孔紧贴，压缩密封件，从而实现锚索的压力密封。与现有技术相比，TM型体外索锚具解决了现有锚具结构复杂、隔离装置与索体连接处浆体渗漏等问题。该体系具有结构紧凑、密封性能好、经济实用及施工简便等优点。

图2 TM型锚具构造图

2.1 锚垫板

由于体外索的受力跟体内索有所不同，体内索靠粘结来给机构受力，而体外索的锚垫板在使用过程中，始终承受荷载，因此体外索的锚垫板安全性要求高，其与体内索相比，同样孔位，安全程度要大。所以，TM型锚垫板采用圆塔形多级台阶承载技术，通过结构优化，减轻重量。具体措施如下：

（1）改变灌注方式：由锚板灌注改为锚垫板灌注，从而减小锚垫板内孔尺寸，减轻重量。

（2）锚垫板外形由方形（见图3）改为圆形（见图4）。参考现有成熟的体内索锚垫板设计原理，通过有限元分析计算和试验，选定具有良好的锚下应力传递性能的圆塔形多级台阶承载结构。此结构形式不但减轻了锚垫板的重量，且传力更有效、更便于混凝土施工。

图3 常规方形锚垫板之实景

图4 TM型锚垫板之实景

（3）利用锥面楔紧原理使锥形隔离管与锚垫板锥孔紧贴，压缩密封件，从而实现锚索的压力密封。

2.2 螺旋筋

通过有限元分析计算和试验，改进设计螺旋筋的中径和线径，依据E T A G 013载荷传递试验的方法步骤进行试验，以确定螺旋筋的中径与锚垫板的翼面相内切为准。

2.3 锚板

改变原有的锚板灌浆方式，取消灌注孔（见图5）；改用常规锚具锚固单元，孔间距由“35 mm”减小至“33mm”，通过以上措施来达到减小锚板外径减轻重量的目的，同时也使得钢绞线在锚固区的发散角得到缓解，降低弯曲应力，提高其锚固性能。

图5 锚板优化图

2.4 隔离装置

利用H D P E锥形管代替现有的隔离装置组件，不仅减小了其构造尺寸。同时利用锥面楔紧原理在压浆时使H D P E锥形隔离管与锚垫板锥孔紧贴，压缩密封件，实现锚索的压力密封，有效地解决浆体渗漏的问题（见图6）。

图6 隔离装置优化图

3 锚垫板、螺旋筋的理论计算

体外预应力体系的锚下荷载性能是与混凝土结构关系影响最大的一个因素，因此对锚垫板及螺旋筋的设计要求通过分析与试验来检验。

锚垫板、螺旋筋主要依据有限元计算分析来进行设计，建立模型计算时，由于锚垫板、螺旋筋与锚下混凝土存在着复杂的传力关系，所以结合在一起建模。下面以TM15-19孔锚垫板为例，对该型锚垫板进行有限元分析，来说明TM15-19型锚垫板的力学特性。

3.1 分析目的

利用ANSYS有限元分析软件模拟TM15-19型锚垫板锚下受力状况，计算锚垫板和混凝土等的应力应变，分析其结构是否合理。建立模型时，由于锚垫板、螺旋筋与锚下混凝土存在着复杂的传力关系，所以结合在一起建模。

3.2 有限元模型及计算

基于模型的对称性，取1/8部分建模，锚垫板和混凝土之间用接触来模拟，摩擦系数取0.6，螺旋筋与混凝土作为一体计算。锚垫板模型选取s ol id185实体单元划分六面体网格，混凝土选取s ol id65实体单元划分六面体网格，螺旋筋选取P i p e16杆单元划分网格，有限元模型见图7所示。主要计算结果见图8、图9所示。

图7 有限元模型

图8 锚垫板最大主应力云图

图9 螺旋筋m ises应力云图

锚垫板为H T250，抗拉极限强度为250MPa，从图8可以看出，锚垫板所受最大拉应力为73.640 8 MPa，远小于抗拉强度极限，所以锚垫板结构是安全可靠的。

从图9可以看出，螺旋筋应力非常小，最大才24.486 1MPa，这远小于其材料Q235的屈服强度235MPa，所以螺旋筋是安全的。

3.3 小结

从以上分析可以看出，TM15-19型锚垫板结构在受到实际工程中最大荷载的情况下，锚垫板及锚下混凝土应力都较小，结构应该是安全可靠的。但是该计算只是作为设计时的一种参考，与实际工程不可能做到完全一致，因此还须做相应的荷载传递试验来验证结构的可靠性。

4 试验研究

为保证项目技术的安全可靠，符合国际规范E T A G 013标准要求，该项目按有关试验规范进行了大量的试验研究，以下是各项试验的概况。

4.1 荷载传递试验

为验证锚垫板及螺旋筋优化后的性能指标是否满足标准要求，项目组按欧标E T A G 013中荷载传递试验要求进行了试验。

主要试验要求：

（1）最大裂缝宽度：

a.第一次达到上限荷载0.8 Fpk时，裂缝宽度不大于0.15mm；

b.最后一次达到下限荷载0.12 Fpk时，裂缝宽度不大于0.15mm；

c.最后一次达到上限荷载0.8 Fpk时，裂缝宽度不大于0.25mm。

（2）在循环加载过程中，试件的纵向及横向应变读数应达到稳定。

（3）在循环加载过程中，试件的裂缝宽度的读数应达到稳定。

（4）测得的破坏荷载满足：F u≥1.1 Fpk（fcm，e/fcm，0）。

试验分别进行了7孔、12孔、19孔锚下荷载传递试验，试验结果满足国际标准E T A G 013的要求。

4.2 TM15-19YL锚头组件耐压水密性试验

按欧标ETAG 013 中条例C.2 Plastic pipes for external tendons 的要求，检验TM15-19Y L锚头组装件在1MPa及2MPa压力下的水密性能，试验通过了国检中心的检测，试验结果满足标准要求，见图10、图11所示。

图10 1 MPa压力时样品状态（无渗漏）之实景

图11 2 MPa压力时样品状态（无渗漏）之实景

通过试验表明TM型锚具组件在加压至2MPa过程中密封效果良好，未见有水从试验装置中漏出，且1MPa保压时未见有掉压现象。考虑到工程实际施工中灌注的是水泥浆，相对于水更不易渗漏，而且正常情况下的工作压力要小于1 MPa，所以TM型体系是可以满足施工需要，达到密封要求的。

5 结语

针对国外体外预应力桥梁大量采用经济性灌浆式体外索锚具的技术现状，为了开拓国际市场和响应海外市场对体外索桥梁的经济性要求，通过优化锚具构造参数、改进结构设计，研制出一种经济型灌浆式TM体外索锚具，并已成功应用于伊朗S A R D桥和香港湾仔桥。

该锚具采用圆塔形多级台阶承载结构、压力密封两项新技术，具有结构紧凑、造价低及施工简便等特点，主要技术创新点如下：

（1）TM型锚垫板采用多级台阶承载方式传递锚固力，具有良好的锚下应力传递性能，且质量更轻、传力更有效。

（2）TM锚具组件采用压力密封技术，达到国际规范ETAG 013标准的密封性能要求。