CN214737388U - 一种超高强度超长斜拉索耐腐蚀疲劳冷铸锚具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超高强度超长斜拉索耐腐蚀疲劳冷铸锚具，包括锚杯和连接筒，连接筒设置在锚杯前端、二者同轴贯通，斜拉索穿过连接筒并锚固在锚杯内，锚杯具有锚固腔，斜拉索的钢丝束从前向后呈锥形散开通过锚固填料锚固在锚固腔内，锚固腔包括两个以上连续设置的锥形锚固腔。多个锥形锚固腔的内腔锥度相同。多个锥形锚固腔中至少包括一个长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔，且该主锥形锚固腔起始于锚固腔的锚口。通过一个锚固腔分成内腔锥度更大的多个锥形锚固腔，以此克服因锥度减小导致锚固可靠性降低的问题。

Description

一种超高强度超长斜拉索耐腐蚀疲劳冷铸锚具

技术领域

本实用新型涉及建筑、桥梁用斜拉索的冷铸锚具。

背景技术

随着社会的发展，交通需求与日俱增，越来越多跨越江河峡谷的大桥被修建，桥梁朝着大跨度的方向发展，大量大跨径桥梁被建设者架设于天堑之上。斜拉桥由于其受力性能良好，刚度大等特点，成为了大跨径桥梁的首要桥型。为了使斜拉桥向更大的跨径发展，新研究的桥梁结构形式与选用的材料本身的自重更小，同时也导致了斜拉索变得更加细长。对于大跨径的斜拉桥，为了避免温度变形或混凝土材料变形导致结构发生破坏，主梁约束通常被设置为漂浮体系。除此之外，由于超大跨径导致主梁的柔性变大，使得斜拉桥产生了一些新的问题：例如斜拉桥在自重与外荷载的作用下，自身的刚度会发生变化。此时结构刚度矩阵是一个与结构构形有关的函数，结构表现出非线性效应，这就是几何非线性，主梁跨径越大，非线性效应往往越明显。

对于超高强度斜拉索，为了降低斜拉索自重，采用了强度达到2100MPa的超高强度钢丝，钢丝规格变小后斜拉索的截面规格也会相应变小，锚具尺寸和锚固空间的尺寸均相应变小，节省了材料用量，具有一定的经济性。

斜拉索锚具是斜拉索主要传力构件。超高强度斜拉索锚具一般采用抗疲劳性能极好的冷铸锚。冷铸锚具的结构形式确定以后，各部分尺寸要满足强度需要。锚杯的长度，从内部必须满足粘结长度，从外部要满足斜拉索张拉伸长的需要。对于跨径达到1000米以上的公铁两用斜拉桥斜拉索，受到结构非线性的影响，为了满足斜拉索长度调整要求和张拉要求，对应的斜拉索锚杯的长度要比传统的斜拉索长度增加了约100mm～200mm。如采用一般的冷铸锚结构，在整个锚具内腔锥度一定的情况下，增大锚杯的长度会导致锚杯大端的锥口直径增大，从而使得梁和塔锚固构件的体积也相应增大，产生其他的结构问题。反之，在锚杯大小端锥口直径不变的情况下，增加锚杯长度会导致锚具内腔锥度变小，而锥度变小会导致冷铸锚对超长斜拉索的锚固可靠性，导致锚固无法满足斜拉索长度、张拉强度变化后的匹配性要求。

实用新型内容

针对超高强超长斜拉索锚固长度增加后的结构变化，在不改变锥形锚杯大小端锥口直径的前提下，本实用新型开发出了一款新的锚具结构，同时解决了超高强度、超长斜拉索的锚固可靠性问题。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种超高强度超长斜拉索耐腐蚀疲劳冷铸锚具，包括锚杯和连接筒，所述连接筒设置在所述锚杯前端、二者同轴贯通，斜拉索穿过所述连接筒并锚固在所述锚杯内，所述锚杯具有锚固腔，斜拉索的钢丝束从前向后呈锥形散开通过锚固填料锚固在所述锚固腔内，所述锚固腔包括两个以上连续设置的锥形锚固腔。

相邻两锥形锚固腔通过圆角过渡。

在斜拉索的锚固位置，连接筒是位于锚杯的前端，位置高于锚杯，以往连接筒的下端是伸入锚杯内的，二者螺纹连接，该结构容易导致水渗入螺纹连接部位，导致斜拉索外层钢丝的腐蚀疲劳。为进一步提高斜拉索的抗腐蚀疲劳性能，锚杯的前端向前延伸出连接凸台，所述连接凸台伸入所述连接筒内部，通过内、外螺纹连接固定。

具体地，所述锚固腔的前端为小端口、后端为大端口，小端口和大端口之间即为所述锚固腔，所述大端口设置有锚板，所述锚板上按照所述钢丝束的排布设置穿丝孔，钢丝尾部一一对应穿过所述穿丝孔，并在尾部墩头，所述墩头大于穿丝孔孔径。

优选地，所述墩头直径不小于1.5倍的钢丝直径，所述墩头高度不小于1倍的钢丝直径。

合理的设置是，多个锥形锚固腔的内腔锥度相同。

进一步地，多个所述锥形锚固腔中至少包括一个长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔，且该主锥形锚固腔起始于所述锚固腔的锚口，所述锚口即位于所述锚固腔前端的小端口。

上述主锥形锚固腔的L1的有效长度按照如下公式计算

式(1)中，

τ_b为锚固填料对钢丝的粘结应力；

σ_b：钢丝公称抗拉强度；

L1：为主锥形锚固腔的锥体长度；

K：有效锚固长度系数，考虑到起始于小端口的钢丝束不能够充分发散，k取值2/3；

[τ_b]：钢丝与锚固填料的允许粘接力，取值25MPa；

d：钢丝直径。

上述主锥形锚固腔的内腔锥度β，内腔锥度β是指，锥形斜边和中心线的夹角，按照如下公式计算

式(2)中，

σ_c：锚固填料锥体压缩应力；

Pb：斜拉索破断荷载，为已知参数；

Ae：主锥形锚固腔对应的锥体表面积，Ae由β、L1和锚口口径根据锥体表面积计算公式求算；

θ：锚固填料对锥体的摩擦角为24.22°，该摩擦角由锚固填料和锚杯的摩擦系数确定，Tanθ＝0.45；

β：内腔锥度，β≥5.0°；

[σ_c]：锚固填料许用压缩应力，为已知参数。

进一步可能的情形是，多个所述锥形锚固腔是由n个长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔和1个长度为L2的副锥形锚固腔组成，n为大于0的自然数，且L1＞L2，L1和L2满足如下关系：

L＝n*L1+L2，式中L为锚固腔的总长度。

对于主锥形锚固腔有两个以上的情况，n个主锥形锚固腔连续设置，副锥形锚固腔作为末端残余锥形端。则L1和β仍然根据式(1)和式(2)进行确认。此时还需要考虑锚杯的平均壁厚，采用如下公式进行计算(虽然多个锥形锚固腔之间通过圆角过渡，但仍视为一锥形整体)

式(3)中，

σ_r：锚杯总体的环向应力

σ_c：锚固填料锥体压缩应力，σ_c是根据式(2)计算出的β值确定实际β的取值，然后求算得出；

Di：锚杯平均外径；

Dj：锚杯平均内径，根据L、L1、L2、β和锚口直径可计算出锚杯平均内径，其中L1根据式(1)计算，β根据式(2)计算；

[σ_r]：锚杯材料的许用环向应力，为已知参数；

根据式(3)确定锚杯的平均外径Di，则锚杯的平均壁厚＝Di-Dj。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：对于大跨斜拉桥而言，工程上要采用更高强度的钢丝来保证斜拉索规格不增大，长度更长、强度更大的钢丝制成的斜拉索需要更长的锚固长度，因此，所采用的锚杯长度较传统的同规格斜拉索的锚具长度要更长。但是，由于斜拉索规格未增大，锚固长度增加会导致锚固内腔的整体锥度减小。锥度减小(会导致锚具锥度过小，从而带来斜拉索铸体在超张拉和使用中回缩值较大的问题)会影响斜拉索钢丝束的锚固可靠性。

本实用新型将一个锚固腔沿长度方向分成若干连续的锥形锚固腔，且锥形锚固腔的锥度大于传统单独锚固腔的锥度。并进一步地将若干锥形锚固腔分成主锥形锚固腔和副锥形锚固腔，其中主锥形锚固腔的长度L1和内腔锥度β要满足对斜拉索的锚固可靠性。副锥形锚固腔，用于补充锚杯长度。据此解决了上一段所描述的技术问题。

本实用新型进一步提供了满足对斜拉索锚固可靠性的主锥形锚固腔的长度L1和内腔制度β的最小取值，该计算公式是基于锚杯锚口口径以及所采用的锚固填料、斜拉索等工程参数、材料性能确定的前提下归纳而出的。根据该计算公式，在所选用的锚固填料、斜拉索的工程参数、材料性能发生改变时，可对锚杯作适应性修改，使具有广泛适用性。

附图说明

图1为传统锚杯结构示意图；

图2为传统超长斜拉索锚固用锚杯结构示意图；

图3为本实用新型实施例方案1中锚杯结构示意图；

图4为本实用新型实施例方案2中锚杯结构示意图；

图5为本实用新型实施例方案3中锚杯结构示意图；

图6为本实用新型实施例锚板的结构示意图；

图7为本实用新型实施例锚板的剖视图；

图8为本实用新型实施例钢丝锚固端的尾部结构；

图9为本实用新型实施例钢丝束在锚板上分丝和墩头的示意图；

图10为本实用新型实施例斜拉索冷铸锚固结构；

图11为本实用新型实施例中具有抗腐蚀疲劳的锚杯结构示意图；

图12为本实用新型实施例中具有抗腐蚀疲劳的斜拉索冷铸锚固结构；

图中，1连接筒、2环氧树脂、3定心环、4锚固填料、5锚杯、6钢丝束、7锚板、8连接凸台、501穿丝孔、S1主锥形锚固腔、S2副锥形锚固腔，图中单位为mm。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实施例中适用于超长斜拉索冷铸锚具由锚杯5、螺母和连接筒1组成。其中连接筒1上加工出外螺纹，与锚杯小端上的内螺纹螺纹配合实现连接固定。针对超长斜拉索的锚固，需要将锚杯调节成更长的长度，如图2所示，该锚杯长度较传统的同规格斜拉索的锚具(如图1所示)长度长100～200mm。采用传统的冷铸锚具，斜拉索穿过锚具小端，钢丝在锚具大端将钢丝按照间距9mm～10mm排布后，并满足张拉荷载的前提下，锚杯的内腔锥度将会大幅度减小，由5.5°缩小成了4.64°。

锚具内腔锥度的降低会导致斜拉索铸体在超张拉和使用中回缩值较大的问题，影响斜拉索的锚固可靠性。

为了解决以上问题，在保证锚杯锥度不降低的前提下，在锚杯中加工出N段大小直径不同，但锥度一样的锥腔β。N段锥形锚固腔的过渡采用圆角过渡，保证了环氧填料(锚固填料)浇灌的流畅性。N为2以上的自然整数。在以上N段锥形锚固腔中，其中一段作为主锥形锚固腔S1，主锥形锚固腔S1一般设置在锚杯的小端(起始于锚杯的锚口，该处钢丝束尚未充分分散开，起始端的锚固尤为关键)。该主锥形锚固腔S1的长度L1和内腔锥度β按照以下原则确定。

(一)为了确定不同握股长度下斜拉索的握裹力，首先按照以下公式确定L1。考虑到近锚口位置的钢丝不能够充分发散，且由于斜拉索规格较大，需要通过试验确定一个有效锚固长度系数。

式(1)中，

τ_b为锚固填料对钢丝的粘结应力；

σ_b：钢丝公称抗拉强度；

L1：为主锥形锚固腔的锥体长度；

K：有效锚固长度系数，考虑到起始于小端口的钢丝束不能够充分发散，k取值2/3；

[τ_b]：钢丝与锚固填料的允许粘接力，取值25MPa；

d：钢丝直径。

根据桥梁工程选用的钢丝参数，根据式(1)可计算出L1的最小取值。

(二)锚具内腔锥度β按照以下公式计算

式(2)中，

σ_c：锚固填料锥体压缩应力；

Pb：斜拉索破断荷载，为已知参数，为斜拉索的性能检测参数；

Ae：主锥形锚固腔对应的锥体表面积，Ae由β、L1和锚杯的锚口口径根据锥体表面积计算公式求算；

θ：锚固填料对锥体的摩擦角为24.22°，该摩擦角由锚固填料和锚杯的摩擦系数确定，Tanθ＝0.45；

β：内腔锥度，且要求β≥5.0°；

[σ_c]：锚固填料许用压缩应力，为已知参数，由所选用的锚固填料检测获得。

根据桥梁工程选用的钢丝参数，根据式(2)可计算出β的取值范围。

(三)进一步地，当N段锥形锚固腔是由n段长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔S1和1个长度为L2的副锥形锚固腔S2组成，副锥形锚固腔S2作为补充锚固长度，位于末端，n为大于0的自然数，且L1＞L2，L1和L2满足如下关系：

L＝n*L1+L2，式中L为锚固腔的总长度。

确定以上L1、L2、β参数后，再结合锚口口径可计算出锚杯的平均内径Dj。根据以下公式可计算锚杯的平均壁厚

式(3)中，

σ_r：锚杯总体的环向应力

σ_c：锚固填料锥体压缩应力，σ_c是根据式(2)计算出的β值取值范围后确定的实际β值，然后求算得出；

Di：锚杯平均外径；

Dj：锚杯平均内径；

[σ_r]：锚杯材料的许用环向应力；

根据式(3)确定锚杯的平均外径Di，则锚杯的平均壁厚＝Di-Dj。

通过上述方法获得锚杯的结构参数加工锚杯。在锥形锚固腔内加工粗糙度不小于75μm。如图3-5为本实施例锚杯加工的三个方案，这三个方案均采用两段锥形锚固腔，两段锥形锚固腔的长度各不相同，内腔锥度β相同。均能够对斜拉索产生可靠的锚固效果。

在斜拉索锚固时，从锚口位置向锚杯内灌注环氧铁砂(特制环氧和辉绿岩粉等的混合料加钢球)。锚具中钢丝间的空隙在常温下浇灌，并经过加热保温固化，环氧铁砂包裹钢丝形成圆锥体状的“铸体塞子”。当斜拉索钢丝束受力时，一方面，借助于楔形原理，铁砂对钢丝产生夹紧力；另一方面，随着斜拉索拉力增加，分段锥腔式锚杯的“铸体塞子”与锚杯内腔壁间的摩擦力增大，锚固愈加可靠，如图10所示。

钢丝经连接筒进入锚杯，在锚杯大端设置厚度为25mm～30mm的锚板7，锚板7上按照斜拉索的排布设置间距为9mm～10mm的阶梯孔(穿丝孔)，便于钢丝穿过。钢丝穿过锚板7后在尾部镦头，其中镦头直径不小于1.5倍钢丝直径，镦头高度不小于1倍的钢丝直径。镦头承载力不小于钢丝抗拉强度的90％，钢丝镦头形成了斜拉索锚固的第二道防线，如图6-9所示。

图10中，斜拉索钢丝的散开位置为连接筒与锚杯的连接部位，此螺纹连接部位容易进水，导致斜拉索外层钢丝的腐蚀疲劳。为进一步提高斜拉索的疲劳性能。在以上结构的基础上，可采用在锚杯小端向前延伸出连接凸台501，如图11所示，连接凸台501伸入连接筒1内部，二者再通过内外螺纹连接固定，如图12所示。

综上所述，以上锚具结构构造具有可靠的静载锚固能力、抗疲劳性能和索长调节能力。锚杯外表面上有梯形外螺纹，并配置与锚杯配套的螺母，便于调整斜拉索长度、索力和更换新索。

尽管以上详细地描述了本实用新型的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高强度超长斜拉索耐腐蚀疲劳冷铸锚具，包括锚杯（5）和连接筒（1），所述连接筒（1）设置在所述锚杯（5）前端、二者同轴贯通，斜拉索穿过所述连接筒（1）并锚固在所述锚杯（5）内，其特征在于：所述锚杯（5）具有锚固腔，斜拉索的钢丝束从前向后呈锥形散开通过锚固填料（4）锚固在所述锚固腔内，所述锚固腔包括两个以上连续设置的锥形锚固腔。

2.根据权利要求1所述的冷铸锚具，其特征在于：所述锚杯（5）的前端向前延伸出连接凸台（8），所述连接凸台（8）伸入所述连接筒（1）内部，通过内、外螺纹连接固定。

3.根据权利要求1所述的冷铸锚具，其特征在于：所述锚固腔的前端为小端口、后端为大端口，小端口和大端口之间即为所述锚固腔，所述大端口设置有锚板（7），所述锚板（7）上按照所述钢丝束（6）的排布设置穿丝孔（501），钢丝尾部一一对应穿过所述穿丝孔，并在尾部墩头，所述墩头大于穿丝孔孔径。

4.根据权利要求3所述的冷铸锚具，其特征在于：所述墩头直径不小于1.5倍的钢丝直径，所述墩头高度不小于1倍的钢丝直径。

5.根据权利要求1所述的冷铸锚具，其特征在于：多个所述锥形锚固腔的内腔锥度相同。

6.根据权利要求5所述的冷铸锚具，其特征在于：多个所述锥形锚固腔中至少包括一个长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔，且该主锥形锚固腔起始于所述锚固腔的锚口，所述锚口即位于所述锚固腔前端的小端口。

7.根据权利要求6所述的冷铸锚具，其特征在于：多个所述锥形锚固腔是由n个长度为L1、内腔锥度为β的主锥形锚固腔和1个长度为L2的副锥形锚固腔组成，n为大于0的自然数，且L1＞L2，L1和L2满足如下关系：

L=n*L1+L2，式中L为锚固腔的总长度。

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