Анкер для композиционного арматурного элемента
ANCHOR FOR COMPOSITE REINFORCING ELEMENT

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам натяжения стержней из композитных материалов (композитных стержней), в частности, для преднапряжения композитной арматуры в бетонных конструкциях.
Известен аналог предлагаемого устройства, реализующего 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.
Монтаж пресс-формы на концевой части каната осуществляют, заливая расплавленный металл под давлением в полость, образованную между концевой частью троса и пресс-формой, охватывающей часть концевого участка каната с литым металлом, холодное прессование литого металла и фиксацию части, покрытой литым металлом, посредством фиксирующего элемента.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления, связанной с трудоемкостью многочисленных вышеперечисленных этапов реализации устройства.
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. Первая и вторая 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 также 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, Е04С 5/12, опубл. 10.10.2011, содержащее обжимную муфту с отверстием, выполненным в виде обратного конуса, вкладыши, в собранном виде представляющие собой усеченный конус с центральным отверстием, вкладыши выполнены из стеклонаполненного полимерного материала, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом используют арматурный элемент в виде композитного стержня, угол наклона обратного конуса составляет от 2 до 6° относительно центральной оси, а угол наклона вкладышей меньше или равен углу наклона обратного конуса.
Недостаток прототипа состоит в том, что при обеспечении повышенной нагрузочной способности анкерного устройства необходимо использовать композитный стержень большего диаметра, что невозможно реализовать на практике с учетом необходимости компактного размещения композитной арматуры в бухтах или на барабанах при транспортировке, т.к. стержень диаметра более 10-12 мм невозможно свернуть в бухту приемлемого для транспортировки размера. Это ограничивает диаметр композитного стержня, уменьшает нагрузочную способность анкера, увеличивает габариты оборудования и материалов при транспортировке, снижает надежность анкерования. Кроме того, коническая поверхность с линейной образующей, сформированная на внешней поверхности цанги и внутренней - отверстия муфты, приводит к концентрации напряжений в композитном стержне на выходе цанги. Это связано с неравномерным распределением усилия обжатия по всей длине анкерования при создании натяжения, что приводит к снижению реализуемых нагрузок при эксплуатации преднапряженной арматуры на значительные нагрузки (десятки тонн) и необходимости ограничения размера анкера.
Положительный результат предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности, нагрузочной способности, удобства транспортировки и повышения технологичности изготовления преднапряженных строительных элементов. Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - анкер для композитного арматурного элемента (продольный разрез) по пп. 1, 4, 7 формулы.
Фиг. 2 - анкер для композитного арматурного элемента (поперечный разрез) по пп. 1, 2 формулы.
Фиг. 3 - анкер для композиционного арматурного элемента (фрагмент поперечного сечения цанги до запрессовки) по пп. 2, 4, 5 формулы, где использованы обозначения:
1 - муфта; 2 - цанга; 3 - канат; 4 - жила каната; 5 - поверхность каната; 6 - проточка на внешней поверхности цанги; 7 - сборочное кольцо; 8 - клиновидный зазор между лепестками цанги; 9 - лепесток цанги; 10 - продольное утолщение по внешней поверхности лепестка цанги.
На фиг. 1 показан анкер для композитного арматурного элемента в сборе (продольный разрез) по пп. 1, 4, 7 формулы. Видно, что конец каната 3 вставлен в цангу 2, размещенную в отверстии муфты 1. При этом сборочное кольцо 7 расположено в кольцевой проточке 6 на внешней поверхности цанги 2, а внешняя поверхность 5 каната 3 выполнена с повышенным коэффициентом трения.
На фиг. 2 показан анкер для композитного арматурного элемента (поперечный разрез) по пп. 1, 2 формулы. Показана геометрия анкера для многожильного каната, свитого из 7 композитных жил. Видно, что цанга 2 в собранном состоянии выполнена в виде разрезной втулки с внешними радиальными клиновидными зазорами 8 между лепестками 9 с углом при вершине клина в диапазоне (2-6)°. Видно также, что рельеф поверхности каната 3, образованный жилами 4 его верхнего повива, повторяется формой внутренней поверхности лепестка 9 цанги 2.
На фиг. 3 показан анкер для композитного арматурного элемента (фрагмент поперечного сечения цанги до запрессовки) по пп. 2, 4, 5 формулы. Видно, что цанга выполнена в виде разрезной втулки с продольными утолщениями 10 лепестков 9 в их средней части.
Технический результат достигается за счет устранения указанных недостатков в предлагаемом анкере для композиционного арматурного элемента, содержащем обжимную муфту 1 с отверстием в виде обратного конуса, внутри отверстия установлена цанга 2 из стеклонаполненного материала, внутри цанги 2 размещена концевая часть арматурного элемента, что совпадает с существенными признаками прототипа. При этом внешняя коническая поверхность цанги и конформная ей поверхность отверстия муфты выполнены с образующей в виде тангенсоиды вращения, арматурный элемент выполнен в виде витого многожильного каната 3, а количество лепестков указанной цанги 2 равно количеству жил каната 3 в верхнем повиве, причем внутренняя поверхность цанги 2 выполнена с формой, соответствующей внешней поверхности каната 3.
Кроме того, цанга 2 в собранном состоянии выполнена в виде разрезной втулки с внешними радиальными клиновидными зазорами 8 между лепестками 9 с углом при вершине клина в диапазоне (2-6)°.
Кроме того, число жил каната в верхнем повиве и количество лепестков указанной цанги выбирается от 2 до 22.
Кроме того, внешняя поверхность 5 каната 3 выполнена с повышенным коэффициентом трения.
Кроме того, лепестки 9 указанной цанги снабжены продольными утолщениями по их внешней поверхности.
k
k
k
k
k
k
k
0,5
0,5
Кроме того, внутренняя поверхность 6-ти лепестковой цанги длиной l профилирована по спирали с шагом L, определяемым выражениями: L/(1+3L/6πl)≤L≤L, либо L/(1-3L/6πl)≥L≥L, где L - шаг навивки каната с 6 жилами в верхнем повиве.
Кроме того, лепестки 9 указанной цанги перед монтажом собраны с помощью сборочного кольца 7, размещенного в кольцевой проточке 6 на внешней поверхности цанги.
Поясним принцип действия предлагаемого. Анкер, как показано на фиг. 1, содержит металлическую цилиндрическую обжимную муфту 1 с отверстием. Внутренняя поверхность (отверстие) обжимной муфты 1 отполирована и имеет форму обратного конуса с образующей - тангенсоидой вращения. Такая форма, как показал анализ, обеспечивает равномерное распределение усилия обжатия по всей длине анкерования при создании натяжения композитного элемента (каната). Это обеспечивает равномерное распределение силы трения в зоне контакта каната и цанги, а также равномерное снижение силы (с постоянным градиентом) радиального сдавливания от максимального значения на входе каната в цангу до минимального на его выходе. Это препятствует концентрации напряжения в арматурном элементе и повышает нагрузочную способность анкера.
В качестве материала цанги 2 использован стеклонаполненный полимер (например, Армлен ГШ СВ-10). В собранном виде наружная поверхность цанги 2 имеет форму конуса, боковая поверхность которого конформна внутренней поверхности обжимной муфты в собранном состоянии и выполнена также в виде тангенсоиды вращения. В собранном виде цанга 2 имеет сквозное отверстие под канат 3 - преднапрягаемый арматурный элемент, свитый из композитных стержней 4 (стеклопластиковый, базальтопластиковый и пр.), как показано на фиг. 2. Это позволяет повысить его нагрузочную способность при сохранении необходимой для транспортировки гибкости, которая позволяет его скручивать в бухту или наматывать на барабан приемлемых для транспортировки размеров. При этом длина каната может быть довольно значительной, что позволяет применять многомодульный стенд с преднапряжением протяженных строительных конструкций, с последующим разделением их на готовые строительные модули. Этим повышается эффективность изготовления изделий, снижается их стоимость и сокращаются сроки изготовления.
Внешняя поверхность 5 каната 3 выполнена с повышенным коэффициентом трения для повышения сил трения с целью увеличения нагрузочной способности анкера. На внешней поверхности цанги 2 выполнена кольцевая проточка 6, в которой размещено сборочное кольцо 7, которое удерживает лепестки цанги 2 в компактном состоянии в предмонтажный период. Канат 3 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. 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. Внешняя поверхность каната выполнена с повышенным коэффициентом трения для предотвращения проскальзывания и улучшения сцепления каната 3 с внутренней поверхностью цанги 2
Для сохранения (в предмонтажный период) правильной группировки лепестков 9 цанги 2 в кольцевой проточке 6 на внешней поверхности цанги 2 размещено кольцо 7.
Количество лепестков цанги 2 равно количеству жил каната 3 в верхнем повиве, причем внутренняя поверхность лепестков 9 цанги 2 выполнена профилированной - с формой, соответствующей внешней поверхности каната 3. Это повышает площадь фрикционного контакта каната 3 и цанги 2. Для случая 7-ми жильного каната количество жил 4 в верхнем повиве каната 3 равно 6, как видно из фиг. 2. Повышение площади фрикционного контакта каната 3 и цанги 2 дополнительно повышает нагрузочную способность анкерного устройства. Продольное утолщение 10 в верхней части лепестка 9 способствует более полному и плотному заполнению объема между муфтой и канатом за счет смыкания клиновидных зазоров 8 цанги при втягивании каната 3 с цангой 2 вглубь муфты 1. Это также повышает нагрузочную способность анкерного устройства.
Таким образом, возникающее радиальное давление приводит к плотному облеганию жил каната 3 и заполнению зазоров между канатом 3 и цангой 2, обеспечивая равномерное распределение сил радиального сжатия по поверхности жил 4 каната 3 и, соответственно, высокую нагрузочную способность анкерного устройства.
Процесс заполнения полостей между канатом 3 и цангой 2 облегчается тем, что внутренняя поверхность лепестков 9 цанги 2 (в собранном состоянии) выполнена профилированной, с формой, соответствующей внешней поверхности каната 3, которая имеет спиральную форму борозд.
k
k
k
k
k
k
k
0,5
0,5
Шаг спирали на внутренней поверхности лепестков 9 цанги 2 в собранном состоянии, очевидно, должен соответствовать шагу спиральных борозд на поверхности витого каната 3. Для практики представляется оптимальным 7-ми жильный канат 3. При таком количестве жил обеспечивается наименьшая концентрация напряжений, их более равномерное распределение в материале анкера и повышенная нагрузочная способность анкера при фиксированных габаритах. Предъявление точных требований к параметрам каната ограничило бы диапазон применения устройства. Поэтому целесообразно определить диапазон отклонений шага спиралей на поверхности лепестков 9 цанги 2 и каната 3, при котором анкер работоспособен и витки спирали лепестков 9 по мере затягивания анкера укладываются в борозды каната 3. Это определяется условием, чтобы на длине цанги углы поворота указанных спиралей для 7-ми жильного каната расходились не более чем ±15°. Действительно, на фиг. 2 видно, что при расхождении угла поворота спиралей на ±30° спираль лепестка перемещается из борозды каната на край лепестка 9. Это недопустимо, т.к. этот лепесток 9 при радиальном нагружении может попасть в зону, предназначенную для соседнего лепестка 9. Поэтому возможный диапазон расхождения спиралей уменьшен вдвое - до значения ±15°. Можно определить диапазон, в котором можно допустить различие шагов указанных спиралей. Этот диапазон для внутренней поверхности 6-лепестковой цанги длиной l, профилированной по спирали с шагом L, определяется выражениями: L/(1+3L/6πl)≤L≤L, либо L/(1-3L/6πl)≥L≥L, где L - шаг навивки каната с 6 жилами в верхнем повиве.
Для более плотного контакта с поверхностью каната 3 и повышения силы трения профиль сечения каждого лепестка 9 имеет продольное утолщение 10 по внешней границе, как указывалось выше. Это дает необходимый запас пластичного материала для его перемещения в зону предполагаемого контакта жил каната 3 с цангой 2 и цанги 2 с муфтой 1.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает эффективное анкерование за счет равномерного распределения усилия обжатия по всей длине анкерования при создании натяжения композитного каната 3, что достигается монотонным изменением угла наклона поверхности тангенсоиды к центральной оси.
При этом достигается равномерное уменьшение силы натяжения композитного каната 3 от максимального значения на входе в отверстие цанги 2 до минимального на выходе на противоположном (внешнем) ее конце.
В дальнейшем анкер может быть разобран для последующего использования. Цанги 2 можно использовать до 10 раз (их изготавливают, например, методом литья на термопластавтомате), а обжимную муфту 1 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 2 из стеклонаполненного материала выполнены с образующей в виде тангенсоиды вращения, обеспечивает равномерное распределение силы трения вдоль каната 3 на длине цанги 2 и способствует выполнению условия его равнопрочности и повышению надежности, увеличению нагрузочной способности.
Выполнение арматурного элемента в виде многожильного каната 3 повышает его гибкость, что критично при необходимости увеличения диаметра арматурного элемента. Это снижает габариты оборудования, упрощает транспортировку арматурного элемента, повышает нагрузочную способность анкера и его надежность. Использование монолитного композитного стержня увеличенного диаметра в прототипе при его изгибе вызывает большие напряжения в материале, увеличивает диаметр транспортной бухты, повышает сложность транспортировки.
То, что количество лепестков указанной цанги 2 равно количеству жил каната 3 в верхнем повиве, причем внутренняя поверхность цанги 2 по форме соответствует внешней поверхности каната 3, повышает равномерность распределения давления по поверхности каната 3 и снижает концентрацию локального давления в местах контакта жил 4 каната между собой за счет расклинивающего давления лепестка 9 вблизи контакта жил 4 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.
То, что цанга в собранном состоянии выполнена в виде разрезной втулки с внешними радиальными клиновидными зазорами между лепестками с углом при вершине клина в диапазоне (2-6)° с учетом пластичности материала, позволяет постепенно и равномерно заполнить все пустоты между канатом 3 и цангой 2 и тем самым равномерно распределить нагрузку по поверхности каната 3 в зоне анкера.
То, что число жил каната 3 в верхнем повиве и количество лепестков указанной цанги 2 выбирается от 2 до 22, обеспечивает необходимый диапазон параметров анкера в возможных областях его применения.
То, что внешняя поверхность 5 каната 3 выполнена с повышенным коэффициентом трения, а поверхность отверстия обжимной муфты 1 отполирована, предотвращает проскальзывание и улучшает сцепление каната 3 с внутренней поверхностью цанги 2, и вместе с этим обеспечивает плавное и равномерное формирование сжимающего усилия, что уменьшает концентрацию напряжений в канате 3 и повышает нагрузочную способность анкера.
То, что лепестки указанной цанги снабжены продольными утолщениями по их внешней поверхности, способствует более полному, равномерному и плотному заполнению объема между муфтой 1 и канатом 3 за счет смыкания клиновидных зазоров 8 цанги при втягивании каната 3 с цангой 2 вглубь муфты 1. Это также повышает нагрузочную способность анкерного устройства.
Таким образом, радиальное давление, оказываемое муфтой 1 на лепестки 9 цанги 2, приводит к плотному облеганию жил 4 каната лепестками 9 цанги и заполнению зазоров между канатом 3 и цангой 2, обеспечивая равномерное распределение сил радиального сжатия по поверхности жил 4 каната 3 и, соответственно, высокую нагрузочную способность анкерного устройства.
k
k
k
k
k
k
k
0,5
0,5
То, что внутренняя поверхность 6-лепестковой цанги длиной l профилирована по спирали с шагом L, определяемым выражениями: L/(1+3L/6πl)≤L≤L, либо L/(1-3L/6πl)≥L≥L, где L - шаг навивки каната 3 с 6-ю жилами в верхнем повиве, снижает строгость требований, предъявляемых к параметрам каната, что расширяет диапазон применения устройства и повышает его экономическую эффективность.
Технологичность, скорость и простота монтажа повышаются также тем, что лепестки 9 указанной цанги 2 перед монтажом собраны с помощью сборочного кольца 7, размещенного в кольцевой проточке 6 на внешней поверхности цанги 2.
То, что число жил каната 3 выбрано равным 7, обеспечивает наиболее плотную упаковку жил в канате 3, снижает локальные напряжения в зонах взаимного контакта жил 4 каната 3 в анкере, соответственно, также способствует реализации вышеуказанного технического результата.
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 оптимального 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.