Анкер для закрепления силового элемента из композиционного материала

Полезная модель относится к строительству, а именно к устройствам натяжения стержней из композитных материалов (композитных стержней), в частности, для преднапряжения композитной арматуры в бетонных конструкциях, для натяжения проводов линий электропередачи и др.
Известен аналог предлагаемого - устройство, реализующее метод фиксации конца композитного каната по US Patent №5,027,497 29/527.5, опубл. 02.07.1991. Устройство содержит обжимную муфту с конусным отверстием, внутри которого установлена цанга; внутри цанги размещена концевая часть арматурного элемента, арматурный элемент выполнен в виде многожильного каната, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления, связанной с тем, что указанное устройство при реализации Способа фиксации концевого участка композитного каната включает этапы монтажа пресс-формы на концевой части каната, заливки расплавленного металла под давлением в полости, образованной между концевой частью троса и пресс-формой, охватывающими часть концевого участка каната с литым металлом, холодного прессования литого металла и фиксации части, покрытой литым металлом, посредством фиксирующего элемента.
Известен другой аналог предлагаемого - US Patent Appl. Publ. №2008/0282511 A1, опубл. 20.11.2008, в котором анкер для закрепления арматурного элемента из композиционного материала содержит цангу, внутри цанги размещена концевая часть арматурного элемента, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом оконцевание для композитной конструкции каната содержит оконечный и соединительный элементы. На первом из них образуют первую резьбовую поверхность. Соединительный элемент содержит вторую резьбовую поверхность на внутренней поверхности. Первый и второй резьбовые поверхности выполнены с возможностью зацепления друг с другом, чтобы обеспечить их разъемное сцепление между собой и с концом каната. Для фиксации в соединительном элементе композитного каната, его разделяют по слоям на две примерно равные части - внутреннюю и внешнюю, которые затем размещают соответственно в отверстии цанги и по ее конической внешней поверхности. При формировании оконечной части каната его нагревают для ускоренного отверждения.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и значительная трудоемкость технологии монтажа.
В качестве прототипа - наиболее близкого к предлагаемому решению - выбрано анкерное устройство для композитной арматуры по патенту РФ на полезную модель №109172, E04C 5/12, опубл. 10.10.2011, содержащее обжимную муфту с отверстием, выполненным в виде обратного конуса, вкладыши, в сложенном виде представляющие собой усеченный конус с центральным отверстием, вкладыши выполнены из стеклонаполненного полимерного материала, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом угол наклона обратного конуса составляет от 2 до 6 градусов относительно центральной оси, а угол наклона вкладышей меньше или равен углу наклона обратного конуса.
Недостаток прототипа состоит в снижении его надежности, уменьшении нагрузочной способности анкера, увеличении габаритов оборудования и материалов при транспортировке, концентрации напряжений в композитном стержне на выходе цанги. Это связано с неравномерным распределением усилия обжатия по всей длине анкерования и с ограничением диаметра композитного стержня с учетом необходимости его компактного размещения в бухтах или на барабанах при транспортировке, что приводит к снижению реализуемых нагрузок при эксплуатации преднапряженной арматуры на значительные нагрузки (десятки тонн).
Технический результат достигается за счет устранения указанных недостатков в предлагаемом анкере для закрепления силового элемента из композиционного материала, содержащем обжимную муфту с отверстием, выполненным в виде обратного конуса, цангу из стеклонаполненного полимерного материала, в сложенном виде представляющем собой усеченный конус с центральным отверстием, внутри которого размещена цанга, внутри цанги размещена концевая часть силового элемента, что совпадает с существенными признаками прототипа. При этом внутренняя поверхность обратного конуса и конформная ей внешняя поверхность цанги в сложенном виде выполнены с образующей в виде экспоненты. Внутри обратного конуса обжимной муфты установлена цанга с соответствующей в сложенном виде ответной наружной поверхностью, при этом силовой элемент выполнен в виде многожильного каната, а между ним и цангой введена прокладка из полимерного анизотропного материала.
Кроме того, количество лепестков указанной цанги равно количеству жил каната в верхнем повиве.
Кроме того, прокладка выполнена из листового стеклонаполненного низкомодульного материала.
Кроме того, прокладка выполнена профилированной с формой борозд, соответствующей форме поверхности каната.
Кроме того, на внешнюю и внутреннюю поверхности прокладки нанесен слой абразивного материала, а поверхность внутреннего отверстия муфты отполирована и имеет антифрикционное покрытие.
Кроме того, цанга выполнена в виде втулки с разрезами и/или надрезами шириной от 1 до 2 мм и числом разрезов и/или надрезов от 2 до 6.
Кроме того, при числе жил каната, равном 7, минимальная толщина Δ прокладки определяется формулой Δ=D/18, где D - диаметр каната.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Анкер для закрепления силового элемента из композиционного материала (продольный разрез) по п. 1 формулы.
Фиг. 2 - Анкер для закрепления силового элемента из композиционного материала (поперечный разрез) по п. 1 формулы.
Фиг. 3 - Анкер для закрепления силового элемента из композиционного материала (поперечный разрез прокладки) по п. 5 формулы,
где использованы обозначения:
1 - муфта; 2 - цанга; 3 - канат; 4 - жила каната; 5 - прокладка; 6 - зазор между лепестками цанги; 7 - лепесток цанги.
Анкер, как показано на фиг. 1, содержит металлическую цилиндрическую обжимную муфту 1 с отверстием. Внутренняя поверхность обжимной муфты 1 отполирована и имеет форму обратного конуса с образующей - экспонентой. В качестве материала цанги 2 использован стеклонаполненный полимер (например, Армлен ГШ СВ-10). В сложенном виде наружная поверхность цанги 2 имеет форму конуса, боковая поверхность которого конформна внутренней поверхности обжимной муфты 1 и выполнена также в виде экспоненты вращения. В сложенном виде цанга 2 имеет сквозное отверстие под канат 3, свитый из композитных стержней 4 (стеклопластиковый, базальтопластиковый и пр.), как показано на фиг. 2. Между канатом 3 и цангой 2 введена прокладка 5 из полимерного материала.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез анкерного устройства для композитного силового элемента по п. 1 формулы. Показана структура конструкции анкера и многожильного каната, свитого из 7 композитных жил.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез прокладки анкера для композитного силового элемента по п. 5 формулы. Показано, что прокладка 5 выполнена профилированной с формой борозд, соответствующей форме поверхности каната 3.
Анкерное устройство работает следующим образом. Композитный силовой элемент выполнен в виде каната 3, свитого из композитных стержней 4, что позволяет повысить его нагрузочную способность при сохранении необходимой для транспортировки гибкости. Канат 3 с закрепленной на нем прокладкой 5 из полимерного анизотропного материала через отверстие обжимной муфты 1 монтируют в анкерное устройство так, как показано на фиг. 1. При этом в сквозное отверстие цанги 2 помещают конец композитного каната 3 с прокладкой в виде оболочки 5, пропуская его вместе с прокладкой через отверстие обжимной муфты 1. Цангу 2 фиксируют в обжимной муфте 1, например, легким ударом молотка, по основанию цанги 2 или путем вдавливания цанги 2, например, домкратом.
Последующее натяжение каната 3 посредством натяжного устройства (например, домкрата) приводит к дальнейшему втягиванию цанги 2 в обжимную муфту 1, способствуя максимально эффективному анкерованию каната 3 из композитных стержней 4 в анкерном устройстве, чему дополнительно способствует отполированная внутренняя поверхность обжимной муфты 1. Кроме того, для лучшего скольжения цанги 2 на поверхность отверстия муфты 1 нанесено антифрикционное покрытие, например, графитовая смазка. На поверхность прокладки 5 с обеих сторон наносят слой абразивного материала для улучшения сцепления каната 3 с внутренней поверхностью цанги 2. Роль прокладки состоит в более равномерном распределении действующих сил по спиралевидной поверхности каната 3, свитого из композитных стержней 4. Материал прокладки заполняет спиральные борозды на поверхности многожильного каната 3. Таким образом, радиальное давление приводит к плотному облеганию жил каната 3 и заполнению зазоров между канатом 3 и цангой 2; при этом выдавливание его вдоль оси каната происходит на небольшую величину. Обеспечивается равномерное распределение сил радиального сжатия по поверхности жил 4 каната 3 и, соответственно, высокая нагрузочная способность анкера при максимальных нагрузках.
Процесс заполнения полостей между канатом 3 и цангой 2 облегчается тем, что прокладка 5 выполнена профилированной с формой борозд, соответствующей форме поверхности каната 3.
Для предотвращения проскальзывания каната 3 в цанге 2 сцепление каната с цангой 2 увеличивают тем, что на обе поверхности прокладки 5 и внутреннюю поверхность цанги 2 наносят слой абразивного материала.
При этом цанга выполнена из стеклонаполненного материала в виде втулки с разрезами и/или надрезами шириной от 1 до 2 мм и числом разрезов от 2 до 6, что позволяет обеспечить необходимую объемную деформацию каната 3 и создать необходимые силы трения между ним и цангой 2. Разрезы цанги дают возможность более плотного контакта материала цанги с поверхностью каната (через прокладку) за счет перераспределения материала цанги при его деформации. Надрезы, или несквозные разрезы, обеспечивают собранность лепестков цанги в исходном состоянии и вместе с тем выполняют функцию разрезов.
Чтобы прокладка 5 с плоским профилем заполнила все полости между канатом 3 и цангой 2 для обеспечения максимальной равномерности распределения давлений в напряженных элементах конструкции, ее объем должен быть не менее объема указанных полостей, что обеспечивается при минимальной толщине прокладки, которая определяется формулой Δ=D/18, где D - диаметр каната для числа жил каната, равного 7. При таком количестве жил 4 обеспечивается наименьшая концентрация напряжений, их более равномерное распределение в материале анкерного устройства и повышенная нагрузочная способность анкера при фиксированных габаритах.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает максимально эффективное анкерование за счет одинакового обжатия по всей длине заделки композитного каната, что достигается монотонным изменением угла наклона поверхности экспоненты вращения к центральной оси.
При этом достигается равномерное уменьшение силы натяжения композитного каната от максимального значения на входе в отверстие муфты 1 до 0 на выходе из муфты на противоположном конце.
В дальнейшем анкерное устройство может быть разобрано для последующего использования. Цанги можно использовать до 10 раз (изготавливают, например, методом литья на термопластавтомате), а обжимную муфту используют многократно в течение длительного времени.
Покажем, что технический результат обеспечивается за счет существенных признаков предлагаемого.
То, что отверстие обжимной муфты 1 и конформная ей внешняя поверхность цанги из стеклонаполненного материала выполнены с образующей в виде экспоненты, обеспечивает равномерное распределение силы трения вдоль каната и способствует выполнению условия его равнопрочности и повышению надежности, увеличению нагрузочной способности. Действительно, чтобы радиальное давление лепестка цанги на поверхность каната было постоянным по всей длине зажима, радиальная деформация материала цанги должна быть пропорциональна радиусу (толщине лепестка цанги) в сечении контакта. Это выполняется, если наклон внешней границы цанги в сечении на рис. 1 изменяется пропорционально ее удалению от оси каната. Это описывается простым уравнением:
.
Решением такого уравнения является именно экспонента. При этом давление цанги 2 на канат 3 по всей длине анкерования постоянно, соответственно и сила трения на этой длине также неизменна. При этом реализуется максимальная нагрузочная способность анкера.
Выполнение силового элемента в виде многожильного каната 3 снижает габариты оборудования, повышает нагрузочную способность анкера и его надежность. Это связано с тем, что увеличение диаметра одиночного композитного стержня в прототипе при его изгибе приводит к большим напряжениям материала, увеличивает диаметр транспортной бухты.
Введение прокладки из полимерного материала между канатом 3 и цангой 2 повышает равномерность распределения давления по поверхности каната 3 и снижает концентрацию локального давления в местах контакта жил 4 каната 3 между собой. Это повышает надежность устройства и его нагрузочную способность при возможности одновременного снижения габаритов, поскольку часть запаса повышенной нагрузочной способности можно израсходовать на уменьшение габаритов. Анизотропия материала прокладки обеспечивает более свободное перераспределение материала прокладки по площади поперечного сечения, но препятствует выдавливанию материала прокладки в осевом направлении из зоны анкерования.
То, что прокладка 5 выполнена из листового стеклонаполненного низкомодульного материала, упрощает процесс ее монтажа с привлечением простой операции обертывания каната. Кроме того, необходимая пластичность материала позволяет заполнить все пустоты между канатом 3 и цангой 2 и тем самым равномерно распределить нагрузку по поверхности каната 3 в зоне анкера. При этом воздействие жил 4 каната 3 друг на друга снижается расклинивающим действием прокладки 5 с учетом закона Паскаля, поскольку материал прокладки при большом давлении в достаточно малых локальных областях ведет себя аналогично жидкости.
То, что прокладка 5 выполнена профилированной с формой борозд, соответствующей форме поверхности каната 3, повышает равномерность распределения нагрузки по поверхности каната 3. Выдавливание материала прокладки из-под лепестков цанги 2 в осевом направлении незначительно, но оно даже полезно, так как снижает концентрацию напряжения в полимерном канате 3 в зоне выходного сечения цанги 2, что также обеспечивает вышеуказанный технический результат. Этим обеспечивается повышение надежности и нагрузочной способности устройства.
То, что на обе поверхности прокладки 5 нанесен слой абразивного материала, увеличивает трение и препятствует проскальзыванию каната 3 в цанге 2 и также обеспечивает вышеуказанный технический результат.
То, что поверхность внутреннего отверстия муфты 1 отполирована и имеет антифрикционное покрытие снижает трение между муфтой 1 и цангой 2, стабилизирует процесс сведения лепестков 7 цанги 2 и формирует давление равномерного зажима каната 3 в анкере.
То, что цанга 2 выполнена в виде втулки с разрезами 6 шириной от 1 до 2 мм и числом разрезов от 2 до 6, способствует более равномерному распределению нагрузки по лепесткам 7 цанги 2 и по поверхности каната 3 при объемной деформации материала цанги 2 и каната 3.
То, что число жил 4 каната 3 выбрано равным 7, обеспечивает наиболее плотную упаковку жил 4 в канате 3, снижает локальные напряжения в зонах взаимного контакта жил 4 каната 3 в анкере, соответственно, также способствует реализации вышеуказанного технического результата. При использовании прокладки 5 плоского сечения изначально ее контакт с неплоской поверхностью каната 3 (циклоида в сечении) является неполным. Тем не менее при деформации прокладки в ходе сведения лепестков она заполняет все пустоты и плотно прилегает к канату 3. При этом минимальная толщина прокладки 5, определяемая формулой Δ=D/18, где D - диаметр каната, обеспечивает полное заполнение свободного пространства между канатом и цангой и достижение все того же вышеуказанного технического результата - повышения надежности и нагрузочной способности устройства, снижения его габаритов, уменьшения концентрации напряжений в канате на выходе цанги.
Предлагаемое техническое решение является простым по конструкции, технологичным в изготовлении и эксплуатации.
Таким образом, это техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата: максимально эффективное натяжение композитных стержней за счет равномерного анкерования и распределения усилия обжатия по всей длине устройства.
Опытная эксплуатация показала практическую применимость заявляемого анкерного устройства для преднатяжения композитной арматуры при изготовлении, например, армобетонных опор контактной сети.