钢绞线灌浆型锚夹具体系ANSYS有限元分析

钢绞线灌浆型锚夹具体系ANSYS有限元分析

于彩峰

于彩峰(黑龙江省建工集团有限责任公司)

摘要:目前，钢绞线在实际应用过程中的锚固问题一直是人们关注的重点。夹片式锚夹具和握裹式锚夹具（也叫套管灌浆型锚夹具）是目前解决钢绞线锚固问题的主要手段。本文针对灌浆料填充楔块锚夹具，采用大型通用有限元软件ANSYS建立了单孔锚具有限元模型，分析了锚杯内壁倾角、摩擦系数、锚杯长度、环氧灌浆料弹性模量以及灌浆料体积等对锚具力学特性——应力分布和变形的影响。

关键词：钢绞线锚夹具灌浆料有限元法

0引言

钢绞线作为一种重要的建筑材料在土木工程中的应用十分广泛。不过钢绞线径向强度相对于轴向强度稍低，径向荷载过大会造成应力集中，或者发生滑移现象而使得其较高的轴向拉伸强度发挥不出来，因此钢绞线的连接和锚固成为一个很重要的问题。

对于一般夹片式锚具，摩擦系数、锚杯内壁倾角、锚杯长度、等参数都会对锚固性能产生影响[1-3]。而对于握裹式锚夹具，锚具长度、灌浆料的弹性模量和粘结性能是锚夹具锚固性能的最重要的影响因素。本文设计了一种环氧灌浆型锚夹具，这种锚夹具相对于一般的夹片式锚具具有增强楔块与钢绞线之间粘结力、弹性模量可通过改变配方调整的优势。通过建立单孔模具的有限元模性，来分析摩擦系数、锚具长度、锚杯内壁倾角、环氧灌浆料弹性模量以及灌浆料体积对锚具的变形特征和内部应力分布的影响。同时对握裹式锚夹具受力状态进行了有限元软件分析，研究了锚具长度、环氧灌浆料弹性模量对锚夹具锚固性能的影响，以期为钢绞线锚具的研制和改进提供参考依据。

1握裹式锚夹具（套管灌浆锚具）

1.1握裹式锚夹具的结构当钢绞线两端与试验机的夹具固结受力F作用时，环氧灌浆料通过粘结作用和静摩擦作用一同将其传递给金属套管。

不难看出，握裹式锚夹具对钢绞线的锚固力主要由环氧灌浆料的粘结性能和粘结有效长度即金属套管长度决定。

1.2有限元计算本文中的锚固对象是拉伸强度为1570MPa级别、表观直径为7mm的钢绞线。根据其结构和受力特征，建立二维轴对称单元进行分析，选用PLANE42实体单元。模型存在两个接触面，即钢套管与灌浆料、灌浆料与钢绞线之间。对于接触问题，ANSYS能够支持刚体—柔性体的面—面接触单元。通过一个共享的实常数编号来识别“接触对”（包括一个目标单元和一个接触单元）。这种面—面接触单元能够支持低阶或高阶单元，对有较大滑动、变形并且存在摩擦的接触问题可以提供较好的计算结果。本文的接触单元和目标单元分别采用CONTA172和TARGE169。

1.3结果分析为了便于分析，本文主要考察粘结力较大，即钢绞线与锚夹具之间无滑移时的情况。下图是无滑移时锚具内钢绞线内部应变及应力分布情况。

握裹式锚夹具中不同位置的应变变化情况。可以通过反复试验对有限元计算参数进行修正，可以对钢绞线锚具的受力状态进行准确的分析。

2灌浆料填充楔块锚夹具

2.1灌浆料填充楔块锚夹具的结构当钢绞线受力F作用时，环氧灌浆料楔块由于粘结力和静摩擦力作用随钢绞线一同运动。同时，由于楔块原理将越楔越紧。当锚具对钢绞线的锚固力大于设计强度或钢绞线自身拉伸强度时，即满足要求。

锚杯倾角、钢绞线与环氧灌浆料之间的粘结力和摩擦系数、环氧灌浆料与锚杯的摩擦系数、锚杯长度、环氧灌浆料弹性模量以及体积等都会影响锚固性能。因此，需要通过参数化设计来寻求途径使得钢绞线的高强性能得以充分发挥。

2.2有限元模型的建立锚固对象是拉伸强度为1570MPa级别、直径为7mm的钢绞线。对于单孔锚具，根据其结构和受力特征，建立二维轴对称单元进行分析，选用PLANE42实体单元。整个模型包含2个接触面，一个接触面位于环氧灌浆楔块与锚杯之间，由于减小其摩擦有利于楔块的滑动，故在实际实验时采用涂润滑油的方法减小其摩擦，定义其摩擦系数f1=0.02（固定）；另一个接触面位于钢绞线与环氧灌浆楔块之间，其间具有很强的粘结力有利于锚具对钢绞线的锚固，定义其摩擦系数f2。本文的接触单元和目标单元分别采用CONTA172和TARGE169。定义锚杯内壁倾角α、锚杯长度l。

锚夹具各组成部分特性，其中环氧灌浆楔块的弹性模量根据配比来确定。

本文主要研究钢绞线在荷载作用下所受到的径向应力变化。

2.3数值计算结果分析计算时，先对锚杯施加一扰动压力，然后以1KN的步长逐步张拉钢绞线，最终载荷为50KN，对于直径7mm的钢绞线而言，拉应力幅值达到1300MPa，同极限强度相当。通过计算来分析钢绞线与环氧灌浆楔块间摩擦系数、环氧灌浆料弹性模量、锚杯内壁倾角、锚杯长度以及灌浆料体积对钢绞线所受径向应力的影响。

2.3.1钢绞线与环氧灌浆楔块摩擦系数的影响在环氧灌浆料与钢绞线之间的粘结力不足够大时，荷载作用下，钢绞线会发生滑移。本文取钢绞线与环氧楔块之间的摩擦系数f2分别为0.1、0.3、0.5、0.7。此时固定锚具长度6cm，内壁倾角6°，环氧灌浆楔块弹性模量32GPa。计算结果如下：

钢绞线在锚具长度范围内的径向应力随着摩擦系数的增大而增大，摩擦系数为0.7时的最大径向应力-138.37MPa仅是0.1时-116.91的1.18倍，变化不是很大。可见，当环氧灌浆楔块粘结力不足，导致与钢绞线之间产生滑移后，如果产生滑移的界面能够保证一定的摩擦系数，锚具性能还能够保持良好，而钢绞线也不至于在径向应力作用下被剪断。

2.3.2环氧灌浆楔块弹性模量的影响在环氧树脂中掺加不定量的金属粉末，可控制灌浆料材料的弹性模量在纯环氧树脂和金属之间变化。本文取环氧灌浆楔块的弹性模量分别为32GPa（纯环氧树脂）、49GPa（同GFRP）、80GPa、199GPa（同金属）。此时固定锚具长度6cm，内壁倾角6°，楔块与钢绞线摩擦系数0.7。计算结果如下：

随着环氧灌浆料弹性模量的增加，钢绞线所受径向应力越小。在其弹性模量接近金属时最小，达到-54.92MPa。但同时由于金属粉末掺加量的增加，会降低环氧填充料与钢绞线之间的粘结力和摩擦系数。这也是金属夹片式锚具的缺点。所以，在配制环氧灌浆料时要兼顾粘结力和弹性模量两个参数。在满足径向应力条件下，降低金属粉的掺加量。

2.3.3锚杯内壁倾角的影响本文取环氧灌浆楔块的弹性模量分别为32GPa、固定锚具长度6cm，楔块与钢绞线摩擦系数0.7。计算内壁倾角分别为2°、4°、6°、8°时结果如下：

当内壁倾角为6°时钢绞线所受径向应力最小为-161.27MPa，分别为2°、4°、8°时-200.815MPa、-165.934MPa、-188.076MPa时的80.3%、97.2%、85.7%。可见，对于本文楔形灌浆形锚夹具的最佳内壁倾角应为6°。

2.3.4锚杯长度的影响本文取环氧灌浆楔块的弹性模量分别为32GPa、固定内壁倾角4°，楔块与钢绞线摩擦系数0.7。计算锚具长度分别为4cm、6cm、8cm、10cm时结果如下：

当锚具长度为6cm时，钢绞线所受最大径向应力为-107.951MPa，分别为4cm、8cm、10cm时的86.62%、83.55%、72.45%。可见，对于本文中灌浆型锚具，虽然增加锚具长度会提高锚具体系的锚固力，但会增加钢绞线所受的径向压力。对于本文中的锚固体系，锚具长度取6cm为宜。

2.3.5灌浆料体积的影响在保证内壁倾角、锚具长度时，灌浆料的体积由灌浆料前端厚度h大小来决定。本文取环氧灌浆楔块的弹性模量分别为32GPa、固定内壁倾角6°，楔块与钢绞线摩擦系数0.7、锚具长度为6cm时，计算灌浆料前端厚度h分别为0.002、0.005、0.008、0.012、0.016时的结果如下：

灌浆料前端厚度越大即灌浆料体积越大，G钢绞线所受的最大径向压力越小，h为0.012时的最大径向应力为-63.131MPa，分别为h为0.002、0.005、0.008时最大径向应力-217.757MPa、-133.731MPa、-93.212MPa的29.0%、47.2%、67.7%。但是，由于灌浆料体积增大使锚夹具的整体体积变大，不便于与试验机连接。所以，在确定灌浆料体积时，要综合考虑强度和实际试验条件。

3结语

3.1有限元参数化设计分析方法是确定锚夹具形式的一种有效途径，本文应用这一方法对灌浆性锚夹具建立了考虑接触问题的非线性有限元模型，分析了金属套管握裹式锚夹具以及楔形锚夹具的受力状态，并对影响楔形锚夹具的几个参数：摩擦系数、锚杯内壁倾角、锚杯长度、环氧灌浆料弹性模量以及灌浆料体积等等作了分别讨论，给出了最佳参数。

3.2虽然采用有限元法可以给出较合理的锚夹具体系参数，但同时还要结合考虑实际加工和连接情况将各参数控制在一个合理的范围即可。

参考文献：

[1]赵通，左德元，黄建刚.夹片式锚固体系锥角的有限元参数化设计[J].西南交通大学学报，2004，39（5）:614~617.

[2]王力龙，刘华山，阳梅.碳纤维筋（CFRP）夹片式锚具的有限元分析[J].南华大学学报（自然科学版），2005，19（2）:71~74.

[3]孔庆华，王四玲，谢强.夹片式单孔预应力锚具的结构分析[J].精密制造与自动化，2005（3）:9~10