探討鋼構鋼管預應力連接器及其應用

吳志剛，武長民，汪茗祥

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

探討鋼構鋼管預應力連接器及其應用

吳志剛，武長民，汪茗祥

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

建設工程項目中，鋼結構的使用量越來越大，如：工業民用建筑的廠房、倉庫、體育場館、景觀設施、基礎施工、巷道的支撐系統等。隨著鋼結構應用增加，鋼構鋼管連結的一些問題也就顯現出來，目前常用的聯結方法在施工現場因受場地限制很難保證鋼構鋼管的正、平、直的聯結要求，連接時費時、費勁，且各聯結方式都會有焊接作業，而焊接質量又難以控制。有關規范要求：建設大跨度樓層或屋面梁、板時，為改善視角錯覺，也為了修正自重沉降，設計文件中也要求提前增加跨中高度（起拱）。

預應力連接器；鋼結構的“起拱”；設計計算；應用

經過檢索并未見用于鋼結構管材中的預應力連接器，但需要促使我們設計出一種用于鋼結構管材中的預應力連接器，即可高效、可靠的安裝和拆除還可以使剛構鋼管“起拱”。

關于鋼結構的“起拱”，設計文件雖有要求，因沒有統一的“起拱”方案，所以實際施工時或不做或亂做“起拱”。

通常，建筑構件中使用的普通鋼筋也只有在屈服階段前才能保證安全，當鋼筋到屈服階段后會發生塑性變形直至構件破壞。

利用預應力鋼筋制作構件則可以提高結構的承載能力；改善結構的受力狀態；提高結構剛度及穩定性；降低用鋼量，節約成本。所以需要把預應力鋼絞線和鋼結構結合一起使用。

預應力鋼絞線，因其具有更好的柔韌性、高強度、低松弛性能等，故較其他預應力鋼筋可以方便的布置，通過張拉施力，就可以使構件在工作前就具有一定應力（預應力），使原本受拉應力段被施加預應力后變為壓應力，即“存儲”部分應力，待正常使用時“釋放”出來。

其實兩根鋼管用預應力鋼絞線進行聯結并不難，但既要可靠聯結，又要拆卸方便；操作簡單，節省鋼材；特別是大型鋼結構在施工現場的對正、對接，往往會耗費大量的人工和時間；過長的鋼絞線在高溫、大應力狀態下其松弛性能也將大打折扣；盡可能的少用或不用焊接；滿足鋼構鋼管的“起拱”要求，都是需要在設計中給予考慮的。

設計一個鋼構鋼管預應力連接器，給鋼構鋼管一個施加預應力的剛性平臺，可以方便的連接和拆除；可以滿足設計要求，使鋼構鋼管“起拱”，“存儲”應力。

我們設計出一種用于剛構鋼管中的鋼絞線（預應力）連接器：

連接器的使用方法

①按計算長度裁切鋼絞線，并分別在鋼絞線的一端安裝擠壓錨頭（見安裝圖1示意），將鋼絞線束依次穿過螺紋墊板，方圓對接端A，穿入鋼構鋼管內。

安裝圖1：

②將擠壓錨端塞入第一個連接器內250mm左右，旋入螺紋墊板到設計位置（見安裝圖2示意）。

安裝圖2:

③在鋼構鋼管的另一端，將方圓對接端B的一端放入第一根鋼構鋼管中，依次、依序將鋼絞線穿入錨環的各孔中，向鋼構鋼管的兩端順入方圓對接端，給錨環和鋼絞線裝上夾片，確保錨環和方圓對接端B對中后就可以實施張拉了（見安裝圖3示意，注意兩個方圓對接端與連接器的關系）。

安裝圖3:

④張拉過程應遵守相關規程，張拉結束后錨環外出露的鋼絞線應留有開始張拉時的余量，待拆卸（放張）時用。

⑤旋入第二個連接器（見安裝圖4示意），即可聯結第二根鋼構鋼管。

安裝圖4:

⑥設計中鋼絞線在穿過方、圓對接端B時可做基本定位，但因錨環與方、圓對接端B為平面接觸定位，所以在張拉鋼絞線時應加裝對正裝置（護罩）確保錨環和方、圓對接端B的位置，方便后續旋入連接器。

⑦需要注意的是：拆卸過程絕不能看成簡單的安裝逆過程，特別是鋼絞線的放張，須有一定經驗的作業人員來完成，禁止單根鋼絞線一次性完全放張，使其他鋼絞線承受額外的拉力，引起不測，必須逐級釋放錨環鋼絞線上的拉力。

設計計算

為了說明其原理，本設計中只是選擇了一種常見的配置。

①設計中安全系數的選擇

構件受力簡單的拉、壓時安全系數取1.5。較重要的構件且受力狀態復雜時用綜合系數法確定其安全系數：S=S1·S2·S3。(選擇過程略)。

于是：S=S1·S2·S3=1.25×1.35×1.25=2.109，故取S=2.11[1]。

②本設計中選擇被連接的鋼管材質為Q345，尺寸為150×150mm的方管(如選擇被連接的鋼管為圓管時其幾何尺寸和連接端部略有調整，連接方式不變)，壁厚為8mm，長度5m，鋼材的屈服強度為345MPa，抗拉強度為470MPa，安全系數選擇1.5，許用應力[σ]=345/1.5=230MPa。

鋼絞線選擇公稱直徑15.2mm，公稱抗拉強度1860MPa，公稱鋼材面積140mm2，斷裂荷載260kN、屈服荷載229kN。

取屈服荷載的80%為最終張拉力，即：229×80% =183.2kN，用5孔錨具對其實施張拉，于是有：5× 183.2=916kN。

先對Q345的鋼管進行強度及穩定性進行校驗，根據鋼材的拉、壓公式：

σ=N/F=916×103/（0.152-0.1342）=201.6MPa＜[σ]，說明該狀態下滿足鋼管的強度條件。

該狀態下鋼管的穩定性能校驗：

將各參數分別代入上述公式并計算：

即：λ（=86.06）＞λp（81.15），根據公式的應用條件，故選擇歐拉公式對其進行穩定性校驗：

σlj（=267MPa）＞σ（=201.6MPa），即臨界應力大于工作應力，該鋼管在以上條件下應用是安全的。

式中各符號[2]：

σ：正應力，單位：Pa；

σp：鋼材的比例極限，單位：Pa；

N：鋼管受到的軸向力，單位：N；

F：鋼管的橫截面積，單位：m2；

λ：鋼管的柔度（又稱長細比）；

λp：與比例極限相應的柔度；

i：鋼管的慣性半徑，單位：m；

J：鋼管的慣性矩，單位：m4；

μ：稱為長度系數，它反映了各種不同支撐情況對臨界力的影響；

μl：稱為相當長度；

b：鋼管橫截面的寬，b1鋼管橫截面的內寬，單位：m；

h：鋼管橫截面的高，h1鋼管橫截面的內高，單位：m；

E：鋼材的彈性模量，單位：Pa；

③對連接器的連接及螺紋部分進行校驗

a.連接器選擇 40Cr調質后加工而成，其σS=800MPa，σb=1000MPa。安全系數取 2.11，[σS]=800/2.11=379.15MPa，

[σb]=1000/2.11=476.2MPa，

[τ]=0.7×[σS]=0.7×379.15=265.41MPa，

連接器實體部分的強度校驗：

σ=N/F=916×103/[(0.152-0.1342)×л/4]=256.7MPa＜[σS]，故連接安全。

b.螺紋部分，螺母的大徑134mm，小徑131mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋。假定螺紋的荷載集中作用在平均直徑的圓周上，然后把螺紋展開，并作為懸臂梁來計算，根據相關經驗：螺桿螺母材料相同時，只需校核螺桿螺紋的強度：

式中：

N：為連接器受到的軸向力，用于深基坑內支撐的連接時，該螺紋上受力很小，但用于其他方面的連接時就必須進行相應的校驗。

d3：外螺紋的小徑

b：螺紋牙根部的寬度，矩形螺紋b=0.5P,b=0.5× 6=3mm；

H1：基本牙型高度,設計牙高1.5mm；n:旋合圈數，n=H/P≤10-12，即：n=H/P=60/6=10≤10-12

H：螺紋長度，設計螺紋長度60mm；

P：螺紋牙距為6mm；帶入相應參數，剪切強度：τ=N/лd3bn=916×103/л×131×3×10=74.19 MPa≤[τ]；

帶入相應參數，彎曲強度：σb=3NH1/лd3b2n=3× 916×103×1.5/л×131×32×10=111.28MPa≤[σb]；

螺紋設計滿足強度要求。

c.螺紋墊板的螺紋強度校驗

螺紋大徑124mm，小徑121mm，螺距6mm，牙高1.5mm，矩形螺紋，有：

剪切強度：τ=N/лd3bn=916×103/л×121×3×10 =80.32 MPa≤[τ]；

彎曲強度：σb=3NH1/лd3b2n=3×916×103×1.5/л× 121×32×10=120.48MPa≤[σb]；

螺紋設計滿足強度要求（螺紋的自鎖性能校驗略）[3]。

本例中給出的尺寸均為試驗用尺寸。通過制作的實物驗證也說明該方案是切實可行的（見照片,因錨具等已標準化生產，可以外購，這里就不贅述）。

連接器在系統中的應用：

①在兩個連接器(錨夾具)之間的鋼構鋼管中使用異位墊板、約束支架等可控制鋼絞線在鋼構鋼管內的分布路徑，改善其受力狀態及變形（起拱），發揮鋼構鋼管和鋼絞線的綜合性能（見安裝圖5示意）。

②如將兩根鋼管的對接接口制作成一定角度，連接后的兩根鋼管的軸線也將按該角度產生相應的安裝夾角（有別于“起拱”）。

③深基坑的作業時間較短所以內支撐時張拉后不需注漿，方便拆卸。用于深基坑內支撐時在鋼構鋼管的節點上應設置托樁或懸掛裝置。

④如需對鋼構鋼管注漿時，注漿孔的位置應低于排氣孔，采用邊注入水泥漿邊震動的方法，輔助排出鋼構鋼管或水泥漿中的空氣，確保注漿質量。

⑤因各部件在使用過程中需承受較大拉、壓力的作用，所以對連接器應進行探傷檢驗，不符合要求的部件不得使用，防止發生意外事故。

⑥對稱、依序安裝鋼絞線在錨具中的位置，可以保證各構件受力均勻。

⑦此連接方式可用于深基坑內支護、巷道支護、鋼結構廠房等方面。

結論：

①加強試驗工作，探索在兩個連接器（錨夾具）之間的鋼結構（鋼管）的“起拱”規律，發揮鋼構鋼管和鋼絞線的綜合性能。

②探索將兩根或多根鋼構鋼管對接接口制作成一定角度，連接后的狀況及規律。

③探索注漿的剛構鋼管“起拱”后的抗彎性能。

④優化設計，選擇更優方案，面向實用。

⑤鋼構鋼管預應力連接器及應用已申請專利。

[1]南京工學院機械原理及機械零件教研組.機械原理及機械零件[M].北京：人民教育出版社，1981.

[2]西安交通大學材料力學教研室.材料力學[M].北京：高教出版社，1979.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[4]汪菁.鋼結構基本理論與應用 [M].武漢：武漢理工大學出版社，2004.

[5]劉效堯，朱新實.預應力技術及材料設備[M].北京：人民交通出版社，2000.

TU391

B

1007-7359（2016）06-0077-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.030

吳志剛（1961-），男，湖南長沙人，高級工程師，主要從事探礦工程管理工作。