專利名稱：高釩圓鋼絲束索索夾以及其加工工藝和設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑結(jié)構(gòu)中張拉式索桿梁預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)中的拉索連接節(jié)點(diǎn)。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(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在大跨度索桿梁預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)中，索系之間會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡內(nèi)力，這些不平衡內(nèi)力需通過(guò)索夾來(lái)抵抗，而索夾抗滑能力不足容易產(chǎn)生索夾滑動(dòng)并刻傷索體外層保護(hù)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(tài)及內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，所以索夾節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的關(guān)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(qiáng)度鋼絲，經(jīng)過(guò)捻制而成，是一種外層沒(méi)有保護(hù)套的裸索，也是一種新型的預(yù)應(yīng)力拉索材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)首次 將大直徑高釩圓鋼絲束索應(yīng)用到體育場(chǎng)館的建設(shè)中，但對(duì)配套索夾的抗滑移性能缺乏專門(mén)研究，應(yīng)用中存在幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要克服。首先，在索夾夾緊索體時(shí)，索體外層圓形鋼絲與索槽內(nèi)壁之間的接觸為線面接觸關(guān)系，這對(duì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中而壓碎鋼絲表面防腐鍍層；另外，索體外層無(wú)保護(hù)套，在夾緊力作用下，索體圓形橫截面容易產(chǎn)生變形，從而改變索體內(nèi)各層鋼絲受力關(guān)系，影響索體受力性能。在目前較為成熟應(yīng)用的索夾節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)造中，增加索夾抗滑移性能的方法有索槽內(nèi)置鋅板或鋅鋁合金板、噴砂處理增大接觸面摩擦系數(shù)和增大索槽與索體接觸面積等方法。結(jié)合高釩圓鋼絲束索索體的特點(diǎn)，應(yīng)用以上所提方法都會(huì)存在著一定缺點(diǎn)，需進(jìn)行一定的改進(jìn)。內(nèi)置鋅板的方法使索夾構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于在室外條件下應(yīng)用，其構(gòu)造防腐性能也較差；索槽內(nèi)噴砂無(wú)法解決圓形鋼絲與索槽線面接觸的問(wèn)題；而增加索體接觸面積，需要加長(zhǎng)索夾長(zhǎng)度，這樣預(yù)緊所需高強(qiáng)螺栓數(shù)量也會(huì)增多，影響施工效率加大施工難度，且影響索夾節(jié)點(diǎn)的美觀。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種高釩圓鋼絲束索索夾，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高釩索索夾節(jié)點(diǎn)研究空白，達(dá)到改善高釩索索體受力性能、保護(hù)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(shí)本發(fā)明中還提出了索夾體的加工工藝和其設(shè)計(jì)方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)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(qiáng)螺栓；兩個(gè)形狀對(duì)稱的索夾體夾緊索體，通過(guò)高強(qiáng)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(guò)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(kāi)設(shè)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(kāi)設(shè)高強(qiáng)螺栓孔，高強(qiáng)螺栓穿過(guò)螺栓孔實(shí)現(xiàn)連接。所述的兩個(gè)形狀對(duì)稱的索夾體平直段之間設(shè)有用于適應(yīng)索夾在高強(qiáng)螺栓預(yù)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(duì)索夾體材質(zhì)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(guò)機(jī)加工形成，粗糙度要求應(yīng)達(dá)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(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅前金屬表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級(jí)》規(guī)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(zhì)地比索夾體材質(zhì)軟的金屬。高釩圓鋼絲束索索夾的索夾設(shè)計(jì)方法
第一步，首先確定索夾外形尺寸參數(shù)，
①索夾寬度h根據(jù)索夾預(yù)拉力的要求，確定所配高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)，再根據(jù)規(guī)范構(gòu)造要求，即可確定索夾寬度7=2h+nm，其中η為高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)減l，m為相鄰兩個(gè)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(nèi)徑與索體外徑取值相同；
③偏心距e.·本索夾設(shè)計(jì)思路為高強(qiáng)螺栓孔心應(yīng)盡可能靠近索體中心，有限元參數(shù)化化對(duì)比計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)規(guī)范構(gòu)造要求確定，最終確定，6=2 X {f+e+r)。第二步，將索體截面進(jìn)行受力分析，由于高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，使索夾體與索體緊貼部位產(chǎn)生環(huán)的效應(yīng)，因而在圓周上出現(xiàn)拉應(yīng)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(yù)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(yīng)力；σ I為索夾設(shè)計(jì)應(yīng)力，可根據(jù)不同索夾材料來(lái)確定。第三步，平直段厚度 2，將索體截面進(jìn)行受力分析，連接螺栓作用位置對(duì)索夾截面產(chǎn)生彎曲作用；通過(guò)以下公式
μ &
σ2 = ψ = ，其中F為預(yù)緊力W :螺栓偏心距；σ 2為索夾設(shè)計(jì)應(yīng)力，可
I 2
根據(jù)不同索夾材料來(lái)確定。本發(fā)明中采用上述方案后，具有諸多有益效果I傳力簡(jiǎn)單，受力合理與索夾體上耳板連接的桿件內(nèi)力由索夾體直接傳遞給索體，高強(qiáng)螺栓僅提供索夾體抱緊索體的預(yù)緊力，可有效抱緊索體。2提高節(jié)點(diǎn)受力性能由于抗滑金屬層在索槽正壓力作用下發(fā)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(xù)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(guān)系，起到保護(hù)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(jīng)濟(jì)索夾體直接采用鋼板機(jī)加工成形，連接耳板通過(guò)焊接的方式連接索夾體。大大降低了造價(jià)、縮短了制作工期，避免了采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作工藝復(fù)雜，尺寸精度控制難度大和容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷等問(wèn)題。4為驗(yàn)證本發(fā)明的高釩圓鋼絲束索索夾節(jié)點(diǎn)受力性能，選取了一個(gè)與實(shí)際工程中情況相同的索夾節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了足尺節(jié)點(diǎn)抗滑移試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件及方法
試驗(yàn)在某大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室“空間結(jié)構(gòu)大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)全方位加載裝置”上進(jìn)行。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)選取了實(shí)際工程節(jié)點(diǎn)受力最為不利的位置，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)詳圖如圖14。試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單加載的原則，分級(jí)加載。先預(yù)加載，然后張拉徑向索道最大設(shè)計(jì)內(nèi)力，保持徑向索拉力不變，再對(duì)斜拉桿以每5噸為加載梯度逐級(jí)加載，直到索夾滑移或者達(dá)到三倍設(shè)計(jì)荷載，并觀察索夾處位移計(jì)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)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(hù)鍍層沒(méi)有受損；經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到抗滑移摩擦系數(shù)達(dá)到O. 17。
圖I為本發(fā)明較佳實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖I的正視 圖3為圖I的俯視 圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例的索夾體零件 圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例一的安裝前狀態(tài)抗滑移金屬層結(jié)構(gòu)示意 圖6為本發(fā)明較佳實(shí)施例一的使用狀態(tài)抗滑移金屬層結(jié)構(gòu)示意 圖7為本發(fā)明較佳實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意 圖8為本發(fā)明較佳實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意 圖9為本發(fā)明較佳實(shí)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(fā)明較佳實(shí)施例一截面受力狀態(tài)示意 圖12為發(fā)明較佳實(shí)施例一內(nèi)力分析簡(jiǎn) 圖13為圖11中A-A截面的彎曲應(yīng)力 圖14為發(fā)明較佳實(shí)施例一的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)詳圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
結(jié)合附圖1-6，對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例一做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本實(shí)施例中采用的高釩圓鋼絲束索體6直徑為100mm，為國(guó)內(nèi)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(qiáng)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(nèi)側(cè)開(kāi)設(shè)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(kāi)設(shè)高強(qiáng)螺栓孔10。兩塊形狀對(duì)稱的索夾體I內(nèi)側(cè)面相對(duì)放置，索槽11扣合形成一個(gè)夾固索體6的空間，通過(guò)高強(qiáng)螺栓5穿過(guò)各自的螺栓孔10，將兩個(gè)索夾體I連成一體來(lái)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(shí)存留一定間隙，以IOmm為宜，來(lái)適應(yīng)索夾在高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力作用下平直段的彎曲變形。索夾體6材質(zhì)為Q390GJB-Z15，直接通過(guò)機(jī)加工形成，粗糙度要求應(yīng)達(dá)到Ral2. 5。高強(qiáng)螺栓孔10的加工采取配鉆工藝，確保施工時(shí)螺栓的正常穿孔。 連接耳板2材質(zhì)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(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理，使得在其表面具有一個(gè)防腐鋅層3。鍍鋅前金屬表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級(jí)》(GB8923-88Sa)相關(guān)規(guī)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(zhì)為相對(duì)索夾體6較軟的金屬，一般厚度為O. 5-1. 0mm。本實(shí)施例中采用O. 5mm鋁板，鋁與鋼的摩擦系數(shù)為O. 17，鋼與鋼的摩擦系數(shù)為O. 15，所以采用鋁板可有效的保證不平衡力的傳遞。高強(qiáng)螺栓5，用來(lái)連接兩個(gè)形狀對(duì)稱索夾體1，通過(guò)逐漸增加高強(qiáng)螺栓5的預(yù)緊力來(lái)夾緊高釩圓鋼絲束索索體6，預(yù)緊時(shí)應(yīng)對(duì)稱、分級(jí)施擰，確保預(yù)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(qiáng)螺栓預(yù)緊前狀態(tài)，此時(shí)抗滑金屬層4未發(fā)生變形，圖6為高強(qiáng)螺栓預(yù)緊后狀態(tài)，此時(shí)抗滑金屬層4已經(jīng)嵌入到索體表層鋼絲間的空隙中，起到了保護(hù)索體的作用。根據(jù)抗滑力的要求，計(jì)算需配6個(gè)Μ27、10· 9級(jí)大六角高強(qiáng)螺栓，預(yù)拉力F=1740kN,以此參數(shù)來(lái)確定索夾主要外形尺寸。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003對(duì)M27高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)造要求，取/=Α=45πιπι、》=80πιπι。其中m為相鄰兩個(gè)高強(qiáng)螺栓孔10的距離，h為兩端邊上的高強(qiáng)螺栓孔10至索夾左右端邊的距離；/為高強(qiáng)螺栓孔10至上下端邊的距離。本發(fā)明中的設(shè)計(jì)方法如下
第一步，首先確定索夾外形尺寸參數(shù)，
①索夾寬度7.·根據(jù)索夾預(yù)拉力的要求，確定所配高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)，本實(shí)施例中每邊取3個(gè)，則η為2,再根據(jù)規(guī)范構(gòu)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(gè)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(nèi)徑與索體外徑取值相同，因此r=50mm。③偏心距本索夾設(shè)計(jì)思路為高強(qiáng)螺栓孔心應(yīng)盡可能靠近索體中心，有限元參數(shù)化對(duì)比計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行受力分析，由于高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，使索夾體與索體緊貼部位產(chǎn)生環(huán)的效應(yīng)，因而在圓周上出現(xiàn)拉應(yīng)力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度匕。取設(shè)計(jì)強(qiáng)度2倍安全系數(shù)，即取q = 295 / 2 = 147.5MPa
權(quán)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(qiáng)螺栓；兩個(gè)形狀對(duì)稱的索夾體夾緊索體，通過(guò)高強(qiáng)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(guò)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(quán)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(kāi)設(shè)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(quán)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(kāi)設(shè)高強(qiáng)螺栓孔，高強(qiáng)螺栓穿過(guò)螺栓孔實(shí)現(xiàn)連接。
4.如權(quán)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(gè)形狀對(duì)稱的索夾體平直段之間設(shè)有用于適應(yīng)索夾在高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力作用下彎曲變形的間隙。
5.如權(quán)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(quán)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(duì)索夾體材質(zhì)軟的金屬材料。
7.如權(quán)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(guò)機(jī)加工形成，粗糙度要求應(yīng)達(dá)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(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅前金屬表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Sa2. 5，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級(jí)》規(guī)定要求。
9.如權(quán)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(zhì)地比索夾體材質(zhì)軟的金屬。
10.高釩圓鋼絲束索索夾的索夾設(shè)計(jì)方法，其特征在于 第一步，首先確定索夾外形尺寸參數(shù)， ①索夾寬度h根據(jù)索夾預(yù)拉力的要求，確定所配高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)，再根據(jù)規(guī)范構(gòu)造要求，即可確定索夾寬度7=2h+nm，其中η為高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)減l，m為相鄰兩個(gè)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(nèi)徑與索體外徑取值相同； ③偏心距e.·本索夾設(shè)計(jì)思路為高強(qiáng)螺栓孔心應(yīng)盡可能靠近索體中心，有限元參數(shù)化對(duì)比計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)規(guī)范構(gòu)造要求確定，最終確定，6=2 X {f+e+r)； 第二步，將索體截面進(jìn)行受力分析，由于高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，使索夾體與索體緊貼部位產(chǎn)生環(huán)的效應(yīng)，因而在圓周上出現(xiàn)拉應(yīng)力，建立力平衡方程，求得弧形段最小厚度G ；
全文摘要
本發(fā)明主要公開(kāi)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(qiáng)螺栓。索夾通過(guò)高強(qiáng)螺栓將兩個(gè)形狀對(duì)稱的索夾體連成一體來(lái)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(guò)熱鍍鋅防腐處理。同時(shí)提出了索夾體的加工工藝和形狀尺寸的設(shè)計(jì)方法。索夾體采用高強(qiáng)鋼材加工，避免了采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)引起的造價(jià)、質(zhì)量缺陷等問(wèn)題，本發(fā)明的索夾節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于制作施工，經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)點(diǎn)性能通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，適用于張拉式索桿梁預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)中。該索夾有效的改善了高釩索索體受力性能，保護(hù)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(guó)的推廣與應(yīng)用。
文檔編號(hào)E04B1/38GK102888896SQ20121041815
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者俞福利, 劉中華, 閆海飛, 蘇英強(qiáng), 胡向萍, 許京松 申請(qǐng)人:浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司