预应力锚索在设计中的参数取值及分析

预应力锚索在设计中的参数取值及分析

陈云鹏1 袁 婷2 王基渊1

1.中冶地集团西北岩土工程有限公司，陕西 西安 710000

2.成都理工大学，四川 成都 610000

摘要：预应力锚索是一种对岩土体扰动小、施工较快捷、安全可靠性较高，又十分经济的岩土体加固技术，本文通过对锚索设计中相关问题的探讨，引入了锚固长度的计算公式，以及最优锚固角的选择确定，对锚索预应力损失这一问题做了相关深入的了解，并在其设计中给出了合理化的建议。 关键词：锚固长度；最优锚固角；预应力损失 中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)05-0234-02

1 引言

锚索是由锚杆演化而来的，因此，从一定意义上来说，可将锚索定义为高承载力的锚杆。根据构成划分，锚索结构一般由锚头、锚索体和外锚头三部分共同组成；根据用途划分，预应力锚索体由锚梁、自由段、锚固段和安全段四部分组成。为了达到预应力这个目标，锚索采用了高强钢材—钢绞线，而且在施工中必须有一道重要工序—预应力张拉。下面我们分开进行相关问题的讨论。

2 预应力的参数问题

锚索设计承载力、锚索极限承载力、锚索安全系数，这些参数优化选择研究已经比较深入，此章主要来讨论锚索锚固段长度及锚索最优锚固角的确定。

2.1 锚固段长度的确定

目前预应力锚索设计中采用胶结式内锚头最为普遍，是因为它有较高的承载力，胶结式内锚头受力传导过程:预应力锚索张拉→胶结材料同预应力锚索的摩阻力→胶结材料同孔壁的摩阻力，为了计算方便，我们假定内锚固段所受的摩阻力是沿胶结长度均匀分布的。

而在工程实际中，摩阻力是受地质条件、水文条件等一系列因素影响的，均匀分布这个假定过于理想化，并且许多研究和试验成果表明，锚固段沿孔壁的剪应力呈倒三角形分布，其分布是不均匀的，而沿锚固段长度迅速递减[1]，并不是锚固段越大，其抗拔力越大，当锚固段长到一定程度，拉拔力提高并不显著，所以增加锚固段长度并不是提高设计张拉力的好办法。

可采用（1-2）式进行计算：

研究表明，砂浆的抗剪强度决定了其对预应力锚索的握裹力。然而，砂浆在锚孔内对锚索的握裹应力的分布情况相234 2015年5期

当复杂，目前对这方面的研究资料较少，没有规范的资料可引用。因此，在实际工作中，仅简单的考虑平均握裹应力这个数值，根据平均值来研究其所需的锚固段的长度[2]。

以上成果仅适用于岩层或者较坚硬的土层中，而当锚索锚固段处于一般土层中，施加预应力大小取决于胶结材料对土层的摩阻力以及土层的工程地质性质，然后根据单位长度的摩阻力进行相长度计算，而不再依据胶结材料对锚索的平均握裹力。

2.2 最优锚固角的选择

预应力锚索成本较高，锚索的设计关系到许多问题，尤其对锚索的受力方向有更高的要求，正确把握方位角，施加预应力，可减少投资并且可使工程更加趋于合理化。现有资料中，关于方位角的确定大多数依赖经验公式及专家意见，没有形成规范，不同的地区标准多采用不同的数值。

本文通过综合比较，以及查找相关地区规范，选用科学计算的方法，以达到最有效的加固效果。如图1所示，

图1 最优锚固角选择

α为锚杆同滑动面的夹角；β为锚杆同水平面的夹角；θ为滑动面的倾角，它们有如下关系[3]：

θ=α±β 预应力锚索所能提供的抗力为 P抗=Psinα³tgφ+Pcosα (1-3) 式中φ——滑动面上的内摩擦角。

当α=φ时，P抗max=P/cosφ，此时锚索抗力最大，但从性价比来说，不经济，锚索较长。经过试算和综合比较得出：

当α优=45 º+φ/2时，得到最优的锚固角度，因此最优的锚固角则为[4]

β优=θ±（45 º+φ/2） （1-4）

在施工时，现场条件不一定满足设计要求，锚固角不一中国科技期刊数据库 工业C

定能达到最优化设计方案进行，可以做微调，以保证锚固的质量。

3 关于预应力损失

预应力施加后，随着时间的推移，预应力会逐渐衰弱，这个过程比较复杂，国内外对此研究资料非常有限，对预应力的监测做得较少，损失程度和损失大小的理论计算有待在以后的工程实践中进一步检验。关于锚索预应力损失原因，目前国内外学者认为，主要涉及到下面三个方面：即张拉过程中的损失、锚索锁定过程中的损失和由于时间延续而引起的预应力损失[5]。

前两个原因是施工原因，不可避免，只可减少；第三个原因属时间效应。这三方面的应力损失具体原因如下：

A 张拉过程的预应力损失取决于胶结材料对孔壁摩阻力以及张拉千斤顶的摩阻力，摩擦损失一般只有1 %左右，这一损失很小，所以这一部分的预应力损失可以通过超张拉来补偿。

B 预应力锚索在张拉完成后，在锁定的过程中，钢绞线会不可避免的发生小范围内的回弹收缩，这个回缩量多少最终会影响锚索预应力损失的多少。当然，这些损失可以在锁定的时候进行超张拉或者通过改进施工工艺技术以及以补偿张拉的方式来进行补偿[6]。

C锚索预应力损失的时间效应相对比较复杂，预应力损失随着时间的推移逐步增加，这些损失的增加主要是源于钢绞线的松弛效应、混凝土的徐变效应、被锚固介质的流变效应，以及运行管理期间的各种不利情况及其外部因素所致[7]。

（上接第 233 页）

管理，对检查发现的事故隐患，应根据其性质和严重程度按照规定分级进行信息反馈和整改。

4.4 合理安排休息时间，改善环境条件

在工作效率开始下降或者在明显下降之前，及时安排工作休息，这样不仅大脑皮层细胞的生理机能得到恢复，而且体内蓄积的氧气也会及时得到补偿，因而有利于保持一定的工作效率。休息次数太少，对某些体力或心理负荷较大的作业来说，难以消除疲劳，而休息次数太多，会影响作业者对工作环境适应性并中断对工作的兴趣，也会影响工作效率和造成工作中的分心，因此工间休息必须根据作业性质和条件具体确定。一般重体力劳动可以采取安静休息，对于局部体力劳动为主的作业则应加强对称部位的相应活动，从而使原活动旺盛区域受到抑制，处于休息状态。改善工作环境，科学安排环境色彩，环境装饰及作业场所所布局，设置合理的温度、湿度、确保充足光照，努力消除或降低作业现场存在的噪声、粉尘以及其他有害有毒物质，创造一个整洁有序的作业场地。

计算具体预应力损失量十分困难，一般只能在设计中充分考虑各种因素可能引起预应力损失量后，从安全度予以考虑。 4 结语

锚固段作为重要的一环，其长度选择应考虑多方面因素，单纯依靠增加锚固段长度来提高抗拔力的思想及设计方法是不符合实际情况的。最优锚固角的选择，以前都是以经验为主，本文通过综合比较，选用(1-4)公式比较合理。关于预应力损失，由于国内外对预应力损失理论计算及现场监测方面的工作做得很少，尤其是对时间延续引起的锚索预应力损失，从安全角度现行设计一般都以经验来进行，笔者认为关于这方面的研究有待进一步加强研究。

参考文献

[1]解伟, 牟晓光, 李树山. 螺旋槽预应力钢棒黏结锚固可靠度分析与设计建议[J]. 铁道建筑, 2011, (5):128-130. [2]徐希强, 李宁, 陈晓梅. 基于MIDAS/GTS的预应力锚索最优锚固段长度优化设计[J]. 水利与建筑工程学报, 2014, (1):142-146.

[3]王运起, 李永志, 任增超. 高应力区动压巷道全长预应力强力锚固技术的试验[J]. 煤炭工程, 2012, (3):32-34. [4]廖峻, 李江腾, 郝瑞卿等. 顺层岩质边坡稳定性及预应力锚杆加固研究[J]. 中南大学学报：自然科学版, 2014, (1).

[5]王谊. 桩板抗滑结构中预应力锚索锚固段受力动态响应特性研究[J]. 路基工程, 2012, (3):137-140.

5 结束语

综上所述，建筑业是我国国民经济的重要组成部分，其在推动我国经济社会发展过程中起着不可忽视的作用，而建筑工程质量的好坏直接影响着人们的生命财产安全，相关于建筑施工企业而言，建筑工程的安全工作是提高企业竞争力的核心，而对于施工安全管理人员，我们应该时刻的注意建筑工程中可能存在的问题，加强自身的安全防范意识，从而保证施工的安全性，保证施工的质量，最终降低企业的经营风险，保证人民的生命和财产安全。

参考文献

[1]夏华宁. 探讨建筑工程施工安全管理中存在的问题及措施[J]. 华东科技：学术版, 2013, (1):146.

[2]陈建喜. 浅谈建筑工程安全监督管理中存在的问题及对策[J]. 城市建设理论研究：电子版, 2013, (1):247. [3]周学军. 房屋建筑工程施工安全管理方案研究[J]. 化学工程与装备, 2011, (1):213-214.

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