预应力锚索有效预应力检测方法的研究
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F4=F5,因此,需要检测出预应力锚索的预应力是否在 合理范围之内,只需求出以上 5 个力中间的任意一个即 可。由于预应力锚索预应力的主要受力体为钢绞线,在 一定的受力范围内,可以将其看成弹塑性材料,采用反 拉法,通过监控锚索体的伸长量 S 和反拉的力 F,进一 步拟合成 F-S 曲线,在这过程中采用一定的分析方法推 算出预应力锚索的有效预应力。
有一定的效果,尤其是对长度短于 6m 的锚杆,采用电 磁波法和震动 (地震波) -超声波探测法,能取得较好的 效果。但对于锚固体系的腐蚀程度和预应力检测,由于
此,本文研究的反拉检测方法主要针对的自由式锚索。
2 检测原理
结构的复杂性,尚没有较好的完善解决办法。因此,研
从理论上说,在理想的情况下,外锚段锚具与夹片
检测过程主要有两大系统,反拉实现系统和数据采 集记录分析系统。
反拉系统实际就是张拉系统,包括了空心千斤顶、 高压油泵、油管、锚夹具、锚垫板和限位板等。如果是 采用的逐根钢绞线检测法的话,可以采用单孔手提式千 斤顶,手压油泵,还需要锚索接长器。
数据采集记录分析系统主要是应力采集记录和位 移采集记录,还需要辅助的磁性吸附底座,计算机分 析软件。其中应力采集可以采用应力传感器,目前用 的较多的经济且够精度要求的是数显示锚索测力计, 可以配合锚索应力记录仪实用,而数显式位移计能精确 到 1/100mm。 3.3 检测工艺
瞬间将调整受力,由式 3 可以看出,由于平衡之后反拉
力再增大的一瞬间,受力钢绞线长度 L 从外露段长度
L外突变成 L外+L自,而钢绞线的弹性模量 E,截面积 A 和
根数 n 都不变,千斤顶油缸来不及回油,反拉力 F 不
变,则势必 ΔL 将突然增加。因此在图 1 中出现 BC 一
段平滑带。
(3) 反拉力 F反持续反拉,钢绞线与夹片之间发生滑
的发挥作用以确保锚固岩土体的安全;(2)灌浆饱满度, 用于评价锚固工程施工质量的好坏及其对锚固安全性带 来的影响;(3)腐蚀程度,用于评价锚固体系自身的安全
锚固体系中自由式锚索和全长粘接式锚索的应用历 史悠久,结构形式相对简单,施工经验比较丰富,加固 效果可靠,经济指标合理。由于全长粘结式锚索的自由
检测前,为了使锚索体各股预应力钢绞线在张拉时 受力均匀,采用单孔千斤顶对预应力钢绞线进行逐股预 紧,预紧力一般为 0.2σcon~0.3σcon ,预紧过程中应特别 注意不可遗漏,所有预应力钢绞线全部预紧完毕,此时 安装好位移传感器,通过油泵加压,位移传感器产生位 移,应力计受压量测出应力,位移传感器和应力传感器 将数据传入记录仪内,通过记录仪传输到计算机系统, 进行实时采集数据并进行分析,同时利用软件显示 F-S 曲线,监控曲线的斜率变化。当反拉力 F 大到将锚索外 露段和自由段一同受力时,曲线出现拐点,斜率明显变 化,据此推算出锚索的有效预应力,同时发出警报停止 加压反拉,不破坏锚索结构。
(2) 锚索孔斜也影响着对检测结果的评定。此处的 沿程损失与预应力混凝土结构中预应力筋的沿程损失相 似,在预应力桥梁中,规范[3]中有相关的预应力沿程损
失计算公式,如公式 (4)
-(μθ+kx)
σ1 =σcom [1-e ]
(4)
式中,σcon 预应力钢筋有效的张拉控制应力,MPa;
μ 预应力钢筋与管道壁的摩擦系数;θ 从张拉端至计算
为 A,反拉段长度 L,钢绞线的伸长量为 ΔL,可以取一
个 K 值表示反拉力 F 与伸长量 ΔL 之间的关系,有
E=
FL ΔL·A
(1)
则
K=
F ΔL
=
E·A·n L
(2)
式中,n 表示钢绞线的根数,可以看出,在理论上,K
值其实就是图 1 中的 AB 段的斜率。但往往由于弹性模
量的离散性,K 值大于 AB 段的斜率。
(1) 在理论上说,夹片与预应力筋,夹片与锚具之 间的咬合力、摩擦力的合力,应该与锚固力的大小相 等,然而,在现实工程中夹片与预应力筋之间的相互作 用力因锈蚀、变形等发生变化,如果锈蚀的较为严重, 在锚索锚固力作用下,使得反拉时需要更大的反拉力来 克服夹片与预应力筋之间的咬合摩擦合力,这样在反拉 过程中,反拉力需要比实际有效预应力大很多的力才能 拉动锚索,如果直接通过这样得出的有效预应力将比实 际的有效预应力大,因此,在最后分析确定有效预应力 的时候需要对被检测区域及被检测的锚索的锈蚀及变形 情况进行检查分析,从而判定处其对检测结果的影响程 度。一般来说,这部分引起的偏差程度相对与张拉预应 力来说影响较小,如果锈蚀变形非常大的话则已经完全 影响到了锚索的正常使用了。
动,两者之间的静摩擦力已经消失,转而为滑动摩擦
力,内外钢绞线之间的应力已经调整完毕,此时由于夹
片已经被拉动,两者之间的滑动摩擦力较小,预应力锚
索为外露段与自由段共同受拉,反拉力与伸长量之间又
出现与锚索材料相关的特性,三个力之间的关系为:F反
>F静摩+F0 。
通过对以上三个状态的分析可知,想求得预应力锚 索自由段的应力 F0 ,可以通过较为直观的反拉力来求 得。在第二个阶段中出现了反拉力与有效预应力之间的 等式关系,但由于在反拉力大到与静摩擦力与有效预应 力平衡一瞬间,且此时的静摩擦力达到最小,而且不能 计算出钢绞线与夹片之间的摩擦力;当反拉力稍大于第 二阶段的反拉力时,钢绞线内外段预应力得以调整,仪 器检测的应力和位移发生波动,在 F-S 曲线图上将有所 波动,当预应力调整完毕,内外钢绞线同时受力,自由 段钢绞线即将拉动时静摩擦力已经消失,而滑动摩擦力 由于没有滑动,摩擦力为零,此时的反拉力是锚索内外 段调整后的应力,因此不能作为有效预应力。综合以上 因素,考虑到锚索钢绞线与锚夹具之间的摩擦力相对较 大的反拉力来说可以忽略不计,并且此时的反拉力最小, 因此可以采用第二阶段的反拉力作为最终的有效预应力, 即在图 1 这样的 F-S 曲线图上为 B 点所对应的应力。
力检测中的一个急需解决的问题。
该均相等,这样锚索体结构才能平衡,即 F1=F2=F3=
1 反拉检测方法与对象
拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测 方法,反拉检测方法的检测原理是从拉拔试验检测方法 延伸出来的,是专门针对预应力锚索有效预应力的检测 方法。通过液压千斤顶对锚索施加拉力直到达到要求为 止。同时在反拉过程中记录反拉力及锚索产生的位移, 通过对反拉力及位移的变化的监视来终止反拉,并从记 录的反拉力和位移进行分析,以求解出锚索的有效预应 力,同时又不破坏锚索的现有状况。通过对预应力锚索 结构分析,并参照锚杆的检测方法,提出一种反拉检测
因此,对于有效预应力可以采用下式表示
F0
=K·X0
=
E·S·n L
·X0
(3)
(2) 反拉力 F反继续增大,当反拉力增大到一定程
度,使得:F反=F静摩+F0 ,此时由于锚索内外拉力非常接
近,静摩擦力达到最小,锚索在反拉力作用下达到一个
平衡,锚索处在一个即将被拉动而没有发生移动的状
态,锚索的外露反拉段与自由段一同受力,锚索在这一
设备安装布置:工作锚后依次安装锚垫板,空心千 斤顶,限位板,应力计,限位板,工具锚垫板,工具锚 和工具锚夹片。磁性表座吸附在千斤顶表面,如果表面
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道路工程
不能稳定吸附,需要设置支撑平台,安置表座,但需要 保证稳定牢靠,在检测过程中不能有丝毫晃动。位移传 感器顶在限位板上,记录伸长的位移,将位移传感器和 应力传感器引出线分别接到记录仪后接入计算机系统。
究出既能作为工程验收检测,同时又能对运营中预应力 锚索进行检测,高精度、低成本、实用性强、对边坡稳 定性不造成影响的检测手段,成为预应力锚索有效预应
的摩擦合力 F1、夹片与钢绞线的摩擦合力 F2、锚索自 由段所受的拉力 F3、索体与粘接剂之间的摩擦和粘接 合力 F4、粘接剂与围岩之间的摩擦和粘接合力 F5,应
当反拉力达到合格标准的上限仍没有被拉动,马上停止
反拉,则可以判定该锚索超载,有效预应力被判定为不
合格。
第二种方法即前面所说的对 F-S 曲线进行跟踪计算
并判别,根据曲线切线的斜率来判断终止反拉的条件。
在反拉开始前,用 0.2σcon~0.3σcon 的预紧力对反拉系统的
预紧是必要的,当预紧之后,安装好位移传感器,开始
第一种方法是设定一个检测标准,对于被检测的锚
索,根据各种影响因素,最终确定一个认为合格的预应
力标准值上下限,对有效预应力小于下限的锚索判断为
不合格,而对于有效预应力大于上限的则判断为超张拉
而判定为不合格。在检测过程中,当反拉力和位移一直
增大,一直没有减缓的趋势时,当反拉力达到了设定的
合格标准值,系统就发出预警,以引起操作人员注意,
道路工程
预应力锚索有效预应力检测方法的研究
刘先涛
(贵州省公路桥梁工程总公司,贵州 贵阳 550001)
摘 要:在山区高速公路建设中,对于路基高边坡广泛采用了锚索加固的处理方式。岩土锚固技术的先进性、可
靠性、经济性已得到公认。但是作为永久支护工程,特别是预应力锚索工程,有效预应力的变化关系到工程是否
处于安全状态,因此,如何正确检测有效预应力显得十分必要。文章提出一种反拉检测有效预应力的方法,系统
分析该方法的检测原理、检测工艺、对检测结果的影响因素、后处理方法。
关键词:锚固工程;有效预应力;检测方法
中图分类号:U416.1
文献标识码:B
目前,有学者研究指出,评价锚固安全性的指标有 方法,对采用一定的方法分析反拉检测得出的数据,进
以下几个指标:(1)锚长,用于评价锚固体系是否能有效 而估算出被检测锚索有效预应力。
3 检测过程的实现
3.1 具体检测对象的分析 该检测方法适应于预应力锚索预应力的验收试验和
在役预应力锚索的有效预应力检测。而两种检测时机锚 索特征有所不同,在验收试验时,被检测的锚索体外露 段没有被切割,外露段长度较大,检测条件较好;对于 在役锚索,外露段在施工完毕就已经被切割,仅留下 3~5cm 一段,这样给检测带来一定的难度。此时,则需 要借助锚索接长器[2]对截断的钢绞线进行接长,然后再 逐根反拉检测。 3.2 检测设备及仪器
4 影响检测结果的因素分析
反拉法检测有效预应力的方法是一种较为简单的静 力检测方法,检测精度较高,检测过程中影响检测结果 的因素主要分为两类:操作过程中引起的误差和预应力 锚索本身状态。
对于操作过程中引起的误差应该尽量最小化。预应 力锚索本身状态对检测的结果影响较大,同时也是影响 检测结果的主要因素。其主要的影响因素有一下几个方 面:夹片与预应力筋、夹片与锚具之间摩擦接触情况; 预应力筋与锚孔壁之间的接触状态。
曲线上斜率慢慢增大,如图 1 中的 OA 段,然后随着空 隙全部被压紧,受力关系为外露段钢绞线的受拉,曲线 的斜率区域稳定,如图 1 中的 AB 段。
图 1 采集的 F-S 曲线
此时是反拉开始时的受力关系,反拉力 F反逐渐增
大,F静摩也逐渐增大,有效预应力为 F0 ,自由段锚索伸
长量为 X0,钢绞线的弹性模量为 E,单根钢绞线的面积
在理论上说夹片与预应力筋夹片与锚具之间的咬合力摩擦力的合力应该与锚固力的大等然而在现实工程中夹片与预应力筋之间的相互作用力因锈蚀变形等发生变化如果锈蚀的较为严重在锚索锚固力作用下使得反拉时需要更大的反拉力来克服夹片与预应力筋之间的咬合摩擦合力这样在反拉过程中反拉力需要比实际有效预应力大很多的力才能拉动锚索如果直接通过这样得出的有效预应力将比实际的有效预应力大因此在最后分析确定有效预应力的时候需要对被检测区域及被检测的锚索的锈蚀及变形情况进行检查分析从而判定处其对检测结果的影响程度
在反拉过程中有是三个关系: (1) 反拉开始时,反拉力慢慢增大,反拉力 F反小于 锚索与夹片之间的摩擦力 F静摩与有效预应力 F0 之和:F反 <F静摩<F0 ,各个部件设备间空隙进一步被排除,在 F-S
作者简介:刘先涛 (1977-),男,贵州遵义人,工程师,主要研究方向为公路与桥隧工程。
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截面曲线管道部分切线的夹角之和,rad;k 管道每米局
部偏差对摩擦的影响系数;x 从张拉端到计算截面的管
道长度,可近似的取该段管道在构件纵轴上的投影长
度,m。
5 数据整理与分析
5.1 预警终止反拉的两个标准
反拉法检测预应力锚索的一个重要的特征就是对被
检测锚索的不破损,在反拉检测法中,采用两种方法对
检测过程进行监控,以达到不破损的目的。
性;(4)预应力,用于评价主动锚发挥作用的程度及其对 被锚固岩土体安全性的保证程度。
对以上 4 个指标的检测评定中,对于全长短锚杆, 目前采用无损检测技术,已经能够对锚长和灌浆饱满度
段部分被二次注压浆,钢绞线被浆体握裹,两者之间的 粘结力、嵌固力和摩擦力阻止相对运动,故不能对全长 粘结式锚索进行反拉检测。而自由式锚索自由段钢绞线 由管套防护,可以自由移动来调整索体的预应力,因