李敏
中铁九桥工程有限公司 江西九江 332000
摘要：在悬索桥锚固系统中或其它结构中存在一种仅受拉力的工形或工变箱型的拉力杆件，该类杆件受较大拉力，最大单根杆件受力6400KN，且受力结构复杂，为了检验该类杆件的抗拉性能，需要进行相关模拟实验，但其拉力较大，端部连接结构多样且复杂。在以往项目的锚固系统中没有提出对锚杆的拉伸试验要求，也就没有相关的实验方法，及类似的大型实验机可以做标准的工形截面拉伸试验。针对锚杆拉伸试验，依托新建五峰山长江大桥建设实现，系统分析其结构特点及施工难点，通过锚头工装、摩擦端工装，在模拟杆件多方式受力状态下，进行拉伸试验，从而验证制造厂的制造工艺是否能满足锚杆的使用要求。
关键词：主缆锚固系统；检测拉伸性能；锚头工装；摩擦端工装；拉伸试验
1 工程概况
新建铁路连云港至镇江线五峰山公铁两用长江特大桥钢梁加劲梁为五跨连续结构，跨度布置为（84+84+1092+84+84）m，主桥为主跨1092m的钢桁梁悬索桥。主缆矢跨比采用1/10，全桥采用两根主缆，两主缆横向中心距为43m。主缆锚固系统由后锚梁和锚杆组成，锚杆和后锚梁均采用钢结构制作而成。锚杆分单束股锚杆和双束股锚杆，每一根主缆对应的锚体上一端共布置锚杆192根。拟在模拟主缆索力作用下检测双束锚杆及单束锚杆的拉伸性能。
五峰山公铁两用长江特大桥锚固系统整体布置图1-1所示。
图1-1 五峰山公铁两用长江特大桥锚固系统整体布置图
2 锚固系统的结构特点
锚杆分单束锚杆和双束锚杆，每一根主缆对应的锚体上一端共布置锚杆192根。其中，单束锚杆32根，双束锚杆160根。为了制造和运输方便，每根锚杆制造时分为两段。下段锚杆分别与后锚梁和上段锚杆连接，采用焊接H型截面，长度均为28.8m。上段锚杆长度均为6.0m，下端分别与下段锚杆连接，上端则伸出前锚面，与主缆索股锚头连接。
后锚梁采用“]、[”截面，分别由两片分离的“[”形梁通过缀板、加劲肋等连接而成。为了方便锚杆和后锚梁的连接，依据主缆散股角度和锚固位置，在后锚梁相应位置设置锚杆接头，连接接头采用与锚杆截面一直的H型截面。连接接头直接插入到后锚梁的两片“[”形梁之间，将H型截面的两块翼板分别与后锚梁的两片“[”形梁的腹板焊接，锚杆内力通过该焊缝传递给后锚梁。
上、下锚杆之间及锚杆与后锚梁之间的连接均采用高强度螺栓进行连接。
后锚梁与锚杆效果图如下图2-1~3所示。
图2-2 工形锚杆图 图2-3 工变箱形锚杆图
3 锚杆的拉伸性能试验工装设计
拟在模拟主缆索力作用下检测双束锚杆及单束锚杆的拉伸性能。由于构件较长，且拉力较大，一般试验机不能完成，选择钢丝绳拉力试验机进行拉伸试验，通过锚头工装、摩擦端工装，在模拟杆件多方式受力状态下，进行拉伸试验，从而验证制造厂的制造工艺是否能满足锚杆的使用要求。
本试验的关键在于根据锚杆两端结构进行工装设计，以保证试验有效进行。锚杆工装装夹如下图3-1/2所示。
图3-1 工形锚杆装夹示意图(为方便显示装夹装置仅示下半部分)
图3-2 工变箱形锚杆装夹示意图(为方便显示装夹装置仅示下半部分)
就工形锚杆（双束锚杆）如何设计工装进行描述：（工变箱形锚杆工装类似工形锚杆工装）
a、双束锚杆左右结构不同，因此需要分别设计工装。左端工装设计图如图3.3~3.6所示。
图3-4 左侧试验机与拉杆连接零件图
拉杆与样品间增加两处垫块，保证样品不变形，并提高强度（垫块示意图见图3-6）。
a-双束锚杆样品端垫块 b-双束锚杆工装端垫块
图3-6 垫块示意图
左端安全系数计算：左端部位受力位置为拉杆。为确保试验成功，本次工装的拉杆采用45#钢进行制作。设计强度为600MPa，拉杆长度为1400mm，单根横截面积为14050mm2，数量为2根，承受最小拉力为16860kN。工件最小承受拉力与试验要求的6400kN承载力比为2.63，符合试验要求。
b、右端工装与样品通过螺栓连接，为保证试验更好的符合实际工况，工装采用分离式结构，上下两端均采用两片与翼板连接，示意图见图3-7。单片厚度为50mm，宽度为570mm，高度为800mm，以保证插入样品内部，通过螺栓栓接，图纸孔径为26mm，本次栓接采用M24，10.9级螺栓，合计44个。中间由两块L型试片与腹板连接，通过嵌入C型夹头后与试验机连接，见图3-8。单片宽度为450mm，高度为300mm，图纸孔径为26mm，本次栓接采用M24，10.9级螺栓，合计12个。与样品连接的四块试片均采用与样品一样的摩擦面处理。考虑到试验后摩擦面会受损，根据实际检测量应准备备份试片。
右端安全系数计算：本次试验右端依靠螺栓连接后，产生摩擦力来固定工装和样品。根据抗滑移系数计算公式：
式中：Nv——滑动载荷（kN）；nf——摩擦面面面数；
——试验一侧高强度螺栓预拉力值。
本次试验，抗滑移系数选取0.45，螺栓预拉力值按为240kN计算,分别计算六块试片的摩擦力，上下两片摩擦面各为2，中间为2，实际使用56个高拴，摩擦面面数均为2，代入公式计算出理论滑动载荷为12096kN，与6400kN相比样品未滑动，安全系数为1.89，符合试验要求。
图3-8 双束锚杆右端腹板连接工装示意图
c、下图3-9为双束锚杆总装示意图，单束锚杆工装基本与双束锚杆类似，只是右端部位采用单根拉杆，双束锚杆为两根拉杆。
图3-9 双束锚杆工装示意图
4 锚杆的拉伸性能试验过程
4.1、试验准备
试验前按照图纸要求检测样品的外观尺寸，保证样品没有影响其性能的明显缺陷，如凹陷、毛刺、非圆滑过渡、形状公差过大等，否则将导致试验结果偏差。同时样品试验过程中应保持清洁，不允许表面附有任何影响试验的附着物，如油污、标签纸等，应将其去除。
4.2、试验方法
试验方法选用GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定的方法B，应力速率控制。GB/T 228.1-2010中规定应力达到规定屈服强度之前可以使用任意的试验速率，因此本次试验对试验速度没有明确要求，但为了确保试验安全有效的进行，本次试验应力速率统一为0.5MPa/s。
4.3、试验过程
1）工形高栓摩擦端安装内外侧拼接板及腹板L形拼接板，先用冲钉定位固定，安装高强螺栓，但不拧紧；
2）锚头端一端依次放入垫板，套入拉杆，安装二块“L”形拉板，同时安装支撑套筒。
3）确认锚头工装与样品固定好后将其吊装至钢丝绳拉力试验机中，先穿入锚头工装端销轴，确保锚头工装与销轴在受力侧均保持接触，可通过千斤顶、撬棍工具进行调整，施拧高强螺栓；
4）穿入锚头工装端销轴，确保拉杆与“L”形拉板密贴，同时保证“L”形拉板与销轴在受力侧密贴，确定后，拧紧支撑套筒螺栓及定位螺栓；
5）各项检查无误后，先施加10%的承载力用于消除结构伸长，单束锚杆为320kN，双束锚杆为640kN，保载5min，避免此类伸长影响最后试验结果，同时更好的消除高拴终拧数值细微的差别以保证样品栓接端高强螺栓与工装连接部位更好的贴合；
6）保载结束后继续加载，达到试验要求的62.5%承载力后，保载5min，测量样品长度L2，并同时记录腹板、翼板、传力板、支承板部位贴片应变量；
7）保载结束后继续加载，达到试验要求的87.5%承载力后，保载5min，测量样品长度L3，并同时记录腹板、翼板、传力板、支承板部位贴片应变量；
8）保载结束后继续加载，达到试验要求的100%承载力后，保载5min，测量样品长度L4，并同时记录腹板、翼板、传力板、支承板部位贴片应变量；
9）保载结束后，卸除力值，结合前面测量的样品长度计算出样品的残余变形，并将测量的数据形成原始记录，并体现在正式报告中。
实验后的杆件送回工厂进行焊缝的无损检测,无损检测主要是超声波检测100%,磁粉检测100%,经检测后,焊缝无内、外表面的裂纹即判定杆件符合实验要求。
4.4、试验方案论证
本次方案设计主要是保证工装与样品连接后，能够很好的模拟实际使用工况。经过力学计算，所有工装与样品承载力的安全系数大多在2.0以上。只有双束锚杆右端与高拴连接处的安全系数在1.89。这是因为为了与实际施工匹配，不能任意增加高拴的数量和强度等级，而样品的承载力又跟高拴的数量和强度有关。实际的抗滑移试验主要是依靠高拴来固定摩擦面，受到拉力时样品和工装的摩擦面会有一定磨损，但不会对样品和工装造成影响。因此我们认为在此安全系数下进行试验不会存在问题。在本次试验力作用下样品整体应该承受的是弹性变形，卸载承载力后受力会恢复从而不会对样品造成损伤。
5 结 语
锚杆拉伸试验工装虽然是基于五峰山长江大桥项目，研究出一种工形及工变箱型锚杆拉伸试验的工装及方法，解决大型工形或箱形构件的拉力试验难题。同时不需要另外添置其它大型设备,只需加工部分工装即可,经济性较高。也适用于其它类似悬索桥的锚杆拉伸试验，具有适用性强、安全性高、效率高的特点。
参 考 文 献
[1] JTG/T F50-2011,公路桥涵施工技术规范[S].
[2] Q/CR 9211-2015,铁路钢桥制造规范[S].
[3] GB 50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].
[4] 甄宗标 超大型锚杆式悬索桥锚碇锚固系统施工关键技术.铁道标准设计.1004-2954(2019)12-0073-06