專利名稱：高釩圓鋼絲束索索夾以及其加工工藝和設計方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑結構中張拉式索桿梁預應力空間結構中的拉索連接節點。更具體的，涉及一種改善高釩圓鋼絲束索受力性能及提高抗滑移摩擦力的索夾以及其加工工藝和設計方法。
背景技術：
在大跨度索桿梁預應力空間結構中，索系之間會產生較大的不平衡內力，這些不平衡內力需通過索夾來抵抗，而索夾抗滑能力不足容易產生索夾滑動并刻傷索體外層保護材料，索夾滑移后又將改變索系的位形，從而改變索系之間的受力狀態及內力，對結構安全產生不利影響，所以索夾節點的設計是整個預應力結構體系的關鍵。高釩索索體材料采用了 95%鋅-5%鋁-混和稀土合金鍍層高強度鋼絲，經過捻制而成，是一種外層沒有保護套的裸索，也是一種新型的預應力拉索材料。近年來，國內首次 將大直徑高釩圓鋼絲束索應用到體育場館的建設中，但對配套索夾的抗滑移性能缺乏專門研究，應用中存在幾個技術難點需要克服。首先，在索夾夾緊索體時，索體外層圓形鋼絲與索槽內壁之間的接觸為線面接觸關系，這對索夾的抗滑移性能極為不利，且在夾緊力作用下，鋼絲表面會產生應力集中而壓碎鋼絲表面防腐鍍層；另外，索體外層無保護套，在夾緊力作用下，索體圓形橫截面容易產生變形，從而改變索體內各層鋼絲受力關系，影響索體受力性能。在目前較為成熟應用的索夾節點設計構造中，增加索夾抗滑移性能的方法有索槽內置鋅板或鋅鋁合金板、噴砂處理增大接觸面摩擦系數和增大索槽與索體接觸面積等方法。結合高釩圓鋼絲束索索體的特點，應用以上所提方法都會存在著一定缺點，需進行一定的改進。內置鋅板的方法使索夾構造上存在兩道接觸面(鋅片與索道、鋅片與索體)，提高了滑移風險，對于在室外條件下應用，其構造防腐性能也較差；索槽內噴砂無法解決圓形鋼絲與索槽線面接觸的問題；而增加索體接觸面積，需要加長索夾長度，這樣預緊所需高強螺栓數量也會增多，影響施工效率加大施工難度，且影響索夾節點的美觀。
發明內容
為了克服現有技術中的不足，本發明提供一種高釩圓鋼絲束索索夾，以填補國內高釩索索夾節點研究空白，達到改善高釩索索體受力性能、保護鋼絲表面防腐鍍層和增大索夾與索體之間抗滑移力的效果。同時本發明中還提出了索夾體的加工工藝和其設計方法。為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是
高釩圓鋼絲束索索夾，包括索夾體、連接耳板、防腐鋅層、抗滑金屬層和高強螺栓；兩個形狀對稱的索夾體夾緊索體，通過高強螺栓固定連成一體；在索夾體與索體的接觸部位填充有抗滑金屬層；索夾體表面通過熱浸鍍鋅防腐處理形成一層防腐鋅層；在索夾體下部帶有可與拉桿或壓桿相連接的連接耳板。
所述的索夾體包括彎曲段和平直段，彎曲段上開設有用于安裝高釩圓鋼絲束索的索槽，索槽圓弧半徑大小與索體外徑相同。所述的平直段上開設高強螺栓孔，高強螺栓穿過螺栓孔實現連接。所述的兩個形狀對稱的索夾體平直段之間設有用于適應索夾在高強螺栓預拉力作用下彎曲變形的間隙。所述的索夾體和連接耳板焊接固定。所述的抗滑金屬層采用相對索夾體材質軟的金屬材料。所述的抗滑金屬層厚度為O. 5-1. 0mm。高釩圓鋼絲束索索夾加工工藝如下·
第一步，索夾體形狀通過機加工形成，粗糙度要求應達到Ral2. 5 ；
第二步，在索夾體上采取配鉆工藝鉆取螺栓孔；
第三步，索夾體下部采用焊接方式將連接耳板連接，形成索夾；
第四步，索夾整體進行熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅前金屬表面進行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應達到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級》規定要求。所述第四步之后，索夾體與索體的接觸部位填充一層抗滑金屬層，抗滑金屬層的原料采用質地比索夾體材質軟的金屬。高釩圓鋼絲束索索夾的索夾設計方法
第一步，首先確定索夾外形尺寸參數，
①索夾寬度h根據索夾預拉力的要求，確定所配高強螺栓個數，再根據規范構造要求，即可確定索夾寬度7=2h+nm，其中η為高強螺栓個數減l，m為相鄰兩個螺栓孔的距離，h為兩端邊上的螺栓孔至索夾左右端邊的距離；
②索槽半徑r:索槽內徑與索體外徑取值相同；
③偏心距e.·本索夾設計思路為高強螺栓孔心應盡可能靠近索體中心，有限元參數化化對比計算結果及試驗驗證，確定e取O. 8 d0, d0為螺栓有效直徑；
④索夾高度6A索夾高度的確定主要取決于偏心距e的取值，/為螺栓孔至上下端邊的距離，可以通過規范構造要求確定，最終確定，6=2 X {f+e+r)。第二步，將索體截面進行受力分析，由于高強螺栓的預緊力，使索夾體與索體緊貼部位產生環的效應，因而在圓周上出現拉應力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度& ;
F/2 =J ^ prl ■ Si η 6dep
°= -Zi一，其中F為預緊力；r為索體半徑；Θ為O- π /2 為
Cr1I1/=Jo prl · CosBcJ9
索體與索槽接觸表面正應力；σ I為索夾設計應力，可根據不同索夾材料來確定。第三步，平直段厚度 2，將索體截面進行受力分析，連接螺栓作用位置對索夾截面產生彎曲作用；通過以下公式
μ &
σ2 = ψ = ，其中F為預緊力W :螺栓偏心距；σ 2為索夾設計應力，可
I 2
根據不同索夾材料來確定。本發明中采用上述方案后，具有諸多有益效果I傳力簡單，受力合理與索夾體上耳板連接的桿件內力由索夾體直接傳遞給索體，高強螺栓僅提供索夾體抱緊索體的預緊力，可有效抱緊索體。2提高節點受力性能由于抗滑金屬層在索槽正壓力作用下發生變形，嵌入到索體表層圓形鋼絲間的空隙中，從而在索體外圈形成了連續的金屬覆蓋層，被嵌入的金屬與圓形鋼絲緊密接觸，又形成了金屬層外表面與索槽之間的面面接觸關系，起到保護鋼絲表面防腐鍍層和增大索夾與索體之間抗滑移力的效果。3高效經濟索夾體直接采用鋼板機加工成形，連接耳板通過焊接的方式連接索夾體。大大降低了造價、縮短了制作工期，避免了采用鑄鋼節點制作工藝復雜，尺寸精度控制難度大和容易產生質量缺陷等問題。4為驗證本發明的高釩圓鋼絲束索索夾節點受力性能，選取了一個與實際工程中情況相同的索夾節點，進行了足尺節點抗滑移試驗。
試驗條件及方法
試驗在某大學結構實驗室“空間結構大型節點試驗全方位加載裝置”上進行。試驗節點選取了實際工程節點受力最為不利的位置，試驗節點詳圖如圖14。試驗采用簡單加載的原則，分級加載。先預加載，然后張拉徑向索道最大設計內力，保持徑向索拉力不變，再對斜拉桿以每5噸為加載梯度逐級加載，直到索夾滑移或者達到三倍設計荷載，并觀察索夾處位移計數據。試驗結果抗滑金屬層有效的嵌入了索體外層鋼絲間的空隙中，鋼絲表面保護鍍層沒有受損；經過對實驗數據的處理，得到抗滑移摩擦系數達到O. 17。
圖I為本發明較佳實施例一的結構示意 圖2為圖I的正視 圖3為圖I的俯視 圖4為本發明較佳實施例的索夾體零件 圖5為本發明較佳實施例一的安裝前狀態抗滑移金屬層結構示意 圖6為本發明較佳實施例一的使用狀態抗滑移金屬層結構示意 圖7為本發明較佳實施例二的結構示意 圖8為本發明較佳實施例三的結構示意 圖9為本發明較佳實施例一的外形尺寸示意 圖10為圖9的局部截面不意 圖11為發明較佳實施例一截面受力狀態示意 圖12為發明較佳實施例一內力分析簡 圖13為圖11中A-A截面的彎曲應力 圖14為發明較佳實施例一的試驗節點詳圖。
具體實施例方式實施例一
結合附圖1-6，對本發明較佳實施例一做進一步詳細說明。
本實施例中采用的高釩圓鋼絲束索體6直徑為100mm，為國內首次使用的大直徑高釩索。高釩圓鋼絲束索索夾，包括索夾體I、連接耳板2、防腐鋅層3、抗滑金屬層4和高強螺栓5。索夾體I主要分成彎曲段9和平直段8，在彎曲段9部位內側開設一索槽11，索槽11的圓弧半徑與索體6外徑相同。在索夾體I平直段8開設高強螺栓孔10。兩塊形狀對稱的索夾體I內側面相對放置，索槽11扣合形成一個夾固索體6的空間，通過高強螺栓5穿過各自的螺栓孔10，將兩個索夾體I連成一體來夾緊高釩圓鋼絲束索索體6。在兩塊索夾體I平直段8之間安裝時存留一定間隙，以IOmm為宜，來適應索夾在高強螺栓預拉力作用下平直段的彎曲變形。索夾體6材質為Q390GJB-Z15，直接通過機加工形成，粗糙度要求應達到Ral2. 5。高強螺栓孔10的加工采取配鉆工藝，確保施工時螺栓的正常穿孔。 連接耳板2材質同索夾體，采用焊接方式連接到索夾上，連接耳板2孔心與索夾體 6中心連線方向須與拉(壓)桿受力方向一致。索夾整體在工廠進行熱浸鍍鋅防腐處理，使得在其表面具有一個防腐鋅層3。鍍鋅前金屬表面進行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應達到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級》(GB8923-88Sa)相關規定要求。在索槽11表面附上一層抗滑金屬層4，抗滑金屬層4材質為相對索夾體6較軟的金屬，一般厚度為O. 5-1. 0mm。本實施例中采用O. 5mm鋁板，鋁與鋼的摩擦系數為O. 17，鋼與鋼的摩擦系數為O. 15，所以采用鋁板可有效的保證不平衡力的傳遞。高強螺栓5，用來連接兩個形狀對稱索夾體1，通過逐漸增加高強螺栓5的預緊力來夾緊高釩圓鋼絲束索索體6，預緊時應對稱、分級施擰，確保預緊后螺栓整體受力的均勻性，并使抗滑移金屬層4逐漸被嵌入到表層鋼絲間的空隙。如圖5、6為索夾索槽局部詳圖，其中圖5為索夾高強螺栓預緊前狀態，此時抗滑金屬層4未發生變形，圖6為高強螺栓預緊后狀態，此時抗滑金屬層4已經嵌入到索體表層鋼絲間的空隙中，起到了保護索體的作用。根據抗滑力的要求，計算需配6個Μ27、10· 9級大六角高強螺栓，預拉力F=1740kN,以此參數來確定索夾主要外形尺寸。根據《鋼結構設計規范》GB 50017-2003對M27高強螺栓連接構造要求，取/=Α=45πιπι、》=80πιπι。其中m為相鄰兩個高強螺栓孔10的距離，h為兩端邊上的高強螺栓孔10至索夾左右端邊的距離；/為高強螺栓孔10至上下端邊的距離。本發明中的設計方法如下
第一步，首先確定索夾外形尺寸參數，
①索夾寬度7.·根據索夾預拉力的要求，確定所配高強螺栓個數，本實施例中每邊取3個，則η為2,再根據規范構造要求，/=A=45mm、》=80mm,即可確定索夾寬度7=2h+nm=2X (80+45) =250mm,其中m為相鄰兩個螺栓孔的距離,h為兩端邊上的螺栓孔至索夾左右端邊的距離。②索槽半徑r :索槽內徑與索體外徑取值相同，因此r=50mm。③偏心距本索夾設計思路為高強螺栓孔心應盡可能靠近索體中心，有限元參數化對比計算結果及試驗驗證，確定e取O. Sd, d為螺栓有效直徑，因此e=22mm。④索夾高度6 A索夾高度的確定主要取決于偏心距e的取值，b=2X (f+e+r) =2X (45+22+50) =234mm。
第二步，將索體截面進行受力分析，由于高強螺栓的預緊力，使索夾體與索體緊貼部位產生環的效應，因而在圓周上出現拉應力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度匕。取設計強度2倍安全系數，即取q = 295 / 2 = 147.5MPa
權利要求
1.高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于包括索夾體、連接耳板、防腐鋅層、抗滑金屬層和高強螺栓；兩個形狀對稱的索夾體夾緊索體，通過高強螺栓固定連成一體；在索夾體與索體的接觸部位填充有抗滑金屬層；索夾體表面通過熱浸鍍鋅防腐處理形成一層防腐鋅層；在索夾體下部帶有可與拉桿或壓桿相連接的連接耳板。
2.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的索夾體包括彎曲段和平直段，彎曲段上開設有用于安裝高釩圓鋼絲束索的索槽，索槽圓弧半徑大小與索體外徑相同。
3.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的平直段上開設高強螺栓孔，高強螺栓穿過螺栓孔實現連接。
4.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的兩個形狀對稱的索夾體平直段之間設有用于適應索夾在高強螺栓預拉力作用下彎曲變形的間隙。
5.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的索夾體和連接耳板焊接固定。
6.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的抗滑金屬層采用相對索夾體材質軟的金屬材料。
7.如權利要求I所述的高釩圓鋼絲束索索夾，其特征在于所述的抗滑金屬層厚度為O.5-1. Omm0
8.高釩圓鋼絲束索索夾加工工藝如下其特征在于 第一步，索夾體形狀通過機加工形成，粗糙度要求應達到Ral2. 5 ； 第二步，在索夾體上采取配鉆工藝鉆取螺栓孔； 第三步，索夾體下部采用焊接方式將連接耳板連接，形成索夾； 第四步，索夾整體進行熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅前金屬表面進行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應達到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級》規定要求。
9.如權利要求8所述的高釩圓鋼絲束索索夾加工工藝，其特征在于所述第四步之后，索夾體與索體的接觸部位填充一層抗滑金屬層，抗滑金屬層的原料采用質地比索夾體材質軟的金屬。
10.高釩圓鋼絲束索索夾的索夾設計方法，其特征在于 第一步，首先確定索夾外形尺寸參數， ①索夾寬度h根據索夾預拉力的要求，確定所配高強螺栓個數，再根據規范構造要求，即可確定索夾寬度7=2h+nm，其中η為高強螺栓個數減l，m為相鄰兩個螺栓孔的距離，h為兩端邊上的螺栓孔至索夾左右端邊的距離； ②索槽半徑r:索槽內徑與索體外徑取值相同； ③偏心距e.·本索夾設計思路為高強螺栓孔心應盡可能靠近索體中心，有限元參數化對比計算結果及試驗驗證，確定e取O. 8 d0, d0為螺栓有效直徑； ④索夾高度6A索夾高度的確定主要取決于偏心距e的取值，/為螺栓孔至上下端邊的距離，可以通過規范構造要求確定，最終確定，6=2 X {f+e+r)； 第二步，將索體截面進行受力分析，由于高強螺栓的預緊力，使索夾體與索體緊貼部位產生環的效應，因而在圓周上出現拉應力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度G ；
全文摘要
本發明主要公開了高釩圓鋼絲束索索夾包括索夾體、連接耳板、防腐鋅層、抗滑金屬層和高強螺栓。索夾通過高強螺栓將兩個形狀對稱的索夾體連成一體來夾緊高釩圓鋼絲束索索體；在索夾體與索體的接觸部位填充抗滑金屬層；索夾體通過熱鍍鋅防腐處理。同時提出了索夾體的加工工藝和形狀尺寸的設計方法。索夾體采用高強鋼材加工，避免了采用鑄鋼節點引起的造價、質量缺陷等問題，本發明的索夾節點構造簡單，便于制作施工，經濟合理，節點性能通過試驗驗證，適用于張拉式索桿梁預應力空間結構的連接節點中。該索夾有效的改善了高釩索索體受力性能，保護了鋼絲表面防腐鍍層，并提高了索夾與索體的抗滑移力，有助于高釩圓鋼絲束索的在我國的推廣與應用。
文檔編號E04B1/38GK102888896SQ20121041815
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者俞福利, 劉中華, 閆海飛, 蘇英強, 胡向萍, 許京松 申請人:浙江精工鋼結構有限公司