具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置及方法

1.本发明属于桥梁锚固安装技术领域，提供一种具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置及方法。


背景技术：

2.随着公路桥梁的迅猛发展，主梁采用箱型截面时发生的病害问题日益增多，特别是大跨径、宽箱梁桥梁的主梁腹板位置常会出现竖向、斜向裂缝，从而极大影响主梁的结构承载能力和安全性。根据桥梁抗剪、抗裂等设计规范的要求，应对主梁进行三向预应力施加，以提高整体刚度，延缓或防止裂缝出现。现阶段的纵、横向预应力钢绞线夹片式锚具较大，且是机器自动化锚固，锚具变形和钢筋回缩引起的预应力损失占比甚小。但竖向预应力常采用螺纹钢，锚固装置非夹片式锚具，摩擦来源少，多为人工安装。若车辆荷载、风荷载、共振现象引起的桥梁抖动明显，则锚固螺母可能因此发生逆向自扭转，造成螺母预紧力损失，使螺纹钢回缩从而出现竖向预应力损失增大问题；同时，锚固螺母与预埋锚垫板若有间隙、相互错动，安装精度不够，则结构永存应力难以保证，对桥梁的运营使用带来极大的安全隐患。目前，常采用增大初次、二次张拉力来抵消预应力损失。而对于改善锚固装置，增大安装精度、限制钢筋回缩、提高锚固效果来达到降低预应力损失的研究设计相对较少。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于针对竖向锚固装置引起的预应力损失病害，提供一种结构设计合理并具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置及方法，既解决了传统的竖向预应力锚固装置摩擦来源少的问题，又解决了锚固螺母与预埋锚垫板在人工安装下间隙大、相互错动、精度不够的问题，还解决了锚固螺母在特殊桥梁上因抖动发生逆向自扭转松动，无法自身限位，无法阻止钢筋回缩、预应力损失增大的问题。
4.为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.本发明提供一种具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，包括在螺纹钢外依次套设的锚固螺母、限位螺母和预埋锚垫板，锚固螺母上设有与螺纹钢配合的内表面断裂螺纹和与限位螺母配合的外表面螺纹，锚固螺母的锚螺孔径内壁上开设有沿锚固螺母轴向分布的至少一对相向且错位的内置凹槽，一对相向且错位的内置凹槽设置能作用于螺纹钢上的一组可活动永久磁体，一组可活动永久磁体由一n极永磁铁、一s极永磁铁组成，n极永磁铁和s极永磁铁在相互面对的对应面上设置适配于螺纹钢的磁铁表面螺纹。
6.进一步，n极永磁铁的磁铁表面螺纹具有向下牙形角，s极永磁铁的磁铁表面螺纹具有向上牙形角。
7.进一步，可活动永久磁体外表面设有防潮防腐蚀涂层。
8.进一步，还包括螺母扭矩扳手，作用于锚固螺母上，其内设有直流电磁铁。
9.进一步，螺母扭矩扳手的套孔高度大于锚固螺母上所设可活动永久磁体的总高度。
10.进一步，限位螺母的限螺孔径内壁设有与锚固螺母上所设的外表面螺纹相匹配的内表面螺纹，限位螺母在面向预埋锚垫板的对应端设有底部镂空槽，底部镂空槽内设有棘爪。
11.进一步，底部镂空槽在限位螺母的径向上均布有两个以上。
12.进一步，预埋锚垫板上设有内圈孔径、外圈孔径和棘轮空间，内圈孔径与螺纹钢外径相适配，外圈孔径与限位螺母外径相适配；内圈孔径与外圈孔径设为呈阶梯状的一大一小结构，且两者之间的阶梯面上设置棘轮空间；棘轮空间内设置与限位螺母上所设的棘爪配合的棘轮齿。
13.进一步，预埋锚垫板内所设的棘轮齿高度比棘爪高度大2-3mm。
14.本发明还基于上述锚固装置提出一种锚固方法，包括如下步骤：
15.步骤1)，固定住预埋锚垫板，并使螺纹钢穿过其内圈孔径；
16.步骤2)，将内置直流电磁铁的螺母扭矩扳手通电，并套上待锚固螺母；
17.步骤3)，调节电流大小直至直流电磁铁产生的磁力大于可活动永久磁体自身磁力，使可活动永久磁体分别吸附在各自的内置凹槽中；
18.步骤4)，将锚固螺母套在螺纹钢上，使用维持通电状态的螺母扭矩扳手开始顺时针拧紧，直至到达预埋锚垫板的棘轮空间底部；
19.步骤5)，螺母扭矩扳手断电并取走，此时的可活动永久磁体失电后相互吸附并咬合在螺纹钢上；
20.步骤6)，将限位螺母套在锚固螺母上，直至到达预埋锚垫板的棘轮空间底部并且限位螺母底部的棘爪嵌入棘轮齿中；
21.步骤7)，封锚。
22.本发明的有益效果是：本竖向预应力锚固装置具有更多的摩擦力来源，如锚固螺母与限位螺母之间的螺纹配合，限位螺母与预埋锚固板之间的棘轮棘爪配合，锚固螺母内的可活动永久磁体提供的磁力及螺纹配合，能够对螺纹钢带来多合力作用，不仅可很好的限制预应力钢筋回缩，也能有效防止锚固螺母因抖动发生逆向自扭转，适用于跨江、跨海、跨峡谷、车流量较大这类桥梁，满足防抖防震等工程设计问题。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
25.图1本发明实施结构示意图；
26.图2本发明结构俯视图；
27.图3锚固螺母示意图；
28.图4锚固螺母轴截面示意图；
29.图5限位螺母示意图；
30.图6预埋锚垫板示意图；
31.图7可活动永久磁体三维示意图；
32.图8可活动永久磁体轴截面示意图；
33.图9可活动永久磁体工作原理示意图；
34.图10螺母扭矩扳手通电前工作原理示意图；
35.图11螺母扭矩扳手通电后工作原理示意图；
36.附图标记：锚固螺母1、限位螺母2、可活动永久磁体3、预埋锚垫板4、螺母扭矩扳手5、螺纹钢6；
37.内表面断裂螺纹1-1、外表面螺纹1-2、锚螺孔径1-3、内置凹槽1-4；
38.内表面螺纹2-1、限螺孔径2-2、底部镂空槽2-3、棘爪2-4；
39.n极永磁铁3-1、s极永磁铁3-2、磁铁表面螺纹3-3、向下牙形角3-4、向上牙形角3-5；
40.内圈孔径4-1、外圈孔径4-2、棘轮空间4-3；
41.直流电磁铁5-1。
具体实施方式
42.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
43.如图1-9所示，本实施例提及的一种具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，由锚固螺母1、限位螺母2、可活动永久磁体3、预埋锚垫板4、配套使用的螺母扭矩扳手5组成。其中，锚固螺母1包括内表面断裂螺纹1-1、外表面螺纹1-2、锚螺孔径1-3、内置凹槽1-4；限位螺母2包括内表面螺纹2-1、限螺孔径2-2、底部镂空槽2-3、棘爪2-4；可活动永久磁体3包括n极永磁铁3-1、s极永磁铁3-2、磁铁表面螺纹3-3、向下牙形角3-4、向上牙形角3-5；预埋锚垫板4包括内圈孔径4-1、外圈孔径4-2、棘轮空间4-3，内圈孔径4-1与外圈孔径4-2设为呈阶梯状的一大一小结构，且两者之间的阶梯面上设置棘轮空间4-3；棘轮空间4-3内设置与限位螺母2上所设的棘爪2-4配合的棘轮齿；螺母扭矩扳手5内置有直流电磁铁5-1。
44.具体的，本锚固螺母1在六角螺母的基础上，内表面断裂螺纹1-1具有分层断裂，并与螺纹钢6外表面螺纹相匹配，以螺纹钢6外径作为锚固螺母1的锚螺孔径1-3，锚固螺母1顺时针拧紧；螺纹断裂处设有内置凹槽1-4，共计四个，成对设置，且一对的内置凹槽1-4呈相向且错位布置，一对内置凹槽1-4内设置一组可活动永久磁体3；锚固螺母1外设有外表面螺纹1-2，外表面螺纹1-2方向与内表面断裂螺纹1-1相同，与限位螺母2的内表面螺纹2-1相匹配；限位螺母2与锚固螺母1通过内表面螺纹2-1和外表面螺纹1-2匹配连接，类似“螺帽-螺母”结构，限位螺母3顺时针拧紧；以锚固螺母1外径大小作为限位螺母2的限螺孔径2-2；限位螺母2底部设有底部镂空槽2-3，槽内焊接有棘爪2-4，棘爪2-4只能朝限位螺母2拧紧方向旋转；预埋锚垫板4以螺纹钢6外径大小作为内圈孔径4-1，以限位螺母2外径大小作为外圈孔径4-2；预埋锚垫板4上中段的棘轮空间4-3预制有与棘爪2-4相匹配的棘轮齿，棘轮齿用于阻碍棘爪2-4朝限位螺母拧松方向旋转；可活动永久磁体3预装于锚固螺母1的内置凹槽
1-4内，为两对n、s极异性永久磁体，即n极永磁铁3-1和s极永磁铁3-2，靠近截面中心线一端带磁体表面螺纹3-3并与螺纹钢6表面螺纹匹配，另一端光滑；n极永磁铁3-1具有向下牙形角3-4并预装在左侧内置凹槽1-4内，s极永磁铁3-2具有向上牙形角3-5并预装在右侧内置凹槽1-4内；这样，锚固螺母1未使用时，两对异性永久磁体通过磁力和其上磁体表面螺纹相互吸附并咬合，磁铁顶部和底部由于受凹槽限制，不会掉落，此时锚固螺母1与可活动永久磁体3形成整体结构；而螺母扭矩扳手5为可通电扳手，内置直流电磁铁5-1，当通过直流电时，直流电磁铁5-1产生比可活动永久磁体3本身更强的磁场，以使之分开，便于螺纹钢进入。
45.在本实施例中的可活动永久磁体3及其牙形角选用高强度材料，防止剪切破坏；而可活动永久磁体3表面有防潮防腐蚀涂层，保证其永久磁性。
46.在本实施例中的限位螺母2底部的棘爪2-4焊接于底部镂空槽2-3内表面内，保证在旋转中始终与限位螺母2成为整体。
47.在本实施例中的预埋锚垫板4的棘轮空间4-3内的棘轮齿高度比棘爪2-4高度大2-3mm；以保证两者之间的匹配有效。另外，底部镂空槽2-3在限位螺母2的径向上均布有两个以上，以便多设置几个棘爪，以提升此棘爪棘轮的配合能力。
48.在本实施例中的螺母扭矩扳手5的套孔高度大于锚固螺母1上下两组可活动永久磁体高度，以保证锚固螺母内的所有磁体能够在其通电后分开，以确保螺纹钢能够顺利进入到锚固螺母内。
49.采用上述方案，在竖向预应力损失较大时，需要改善锚固装置。本装置替代传统的钢筋螺纹锚具，以“螺栓-螺母”结构为基础，具有自身限位、保证预应力螺纹钢筋低回缩的功能。此竖向预应力锚固装置中预埋锚垫板仍作为预埋件置于梁内，锚固螺母未使用时，螺母内两对异性永久磁铁通过磁力和表面螺纹相互吸附并咬合，永久磁铁顶部和底部由于受凹槽限制，不会掉落，此时锚固螺母与磁铁形成整体结构；而开始使用锚固装置时，首先，将内置有直流电磁铁的螺母扭矩扳手通电，套在锚固螺母上，通电后电磁铁产生磁场，调节电流大小直至电磁铁产生的磁力大于异性永久磁铁自身的磁力，此时异性永久磁铁分开，被吸附在各自凹槽内部，保证螺纹钢可以穿过。其次，开始拧紧锚固螺母，螺母通过外表面螺纹拧入预埋锚垫板阶梯上层，直至紧贴棘轮空间底部。停止通电，电磁铁产生的磁力消失，两组异性磁铁重新将螺纹钢牢牢吸附，锚固螺母此时和螺纹钢无法发生相对运动。最后，将限位螺母套在锚固螺母上拧紧，其底部镂空槽处的棘爪随锚固螺母顺时针扭转时，棘爪受人为作用阻碍，隐藏在底部镂空槽处，直至预埋锚垫板开孔直径突变为配套棘轮齿直径，棘爪无阻碍后弹开，棘爪嵌入棘轮齿中，此时棘爪完全嵌入预埋锚垫板，无法反向扭动时证明限位螺母已拧紧。至此竖向预应力锚固装置安装完成，再进行相应的封锚即可。
50.这样，磁铁吸附住螺纹钢增加锚固螺母与预应力筋间摩擦力，左右异性磁铁牙形角为相反角度，左侧内置凹槽内磁铁的牙形角向下，右侧内置凹槽内磁铁的牙形角向上。若螺纹钢和锚固螺母有相反运动趋势，两种牙形角产生一对相反的锁紧力，断裂螺纹、磁铁螺纹、锁紧力共同作用，进一步增大摩擦力，阻碍螺纹钢回缩和螺母逆转。而限位螺母的棘爪嵌入预埋锚垫板的棘轮齿后，限位螺母无法再竖向位移，类似于一个焊死的螺帽，锚固螺母类似于一个外表面带正旋螺纹的螺栓，若其逆向旋转时，由于螺帽固定不动，锚固螺母和限位螺母两者之间只能越来越紧，此时预埋锚垫板、限位螺母、锚固螺母三者形成整体，无法
松脱，进一步保证竖向预应力锚固装置在桥梁运营期内防脱防松。
51.再结合图10-11所示，具体介绍下本锚固装置的实施方式：首先，将预埋锚垫板预埋于梁内，并使精轧螺纹钢穿过其内圈孔径；再将内置直流电磁铁的螺母扭矩扳手通电，套在需要使用的锚固螺母上，调节电流大小直至电磁铁产生的磁力大于可活动永久磁体自身磁力，使可活动永久磁体分别吸附在锚固螺母上各自的内置凹槽内；再将锚固螺母套在精轧螺纹钢上，使用通电后的螺母扭矩扳手开始顺时针拧紧，直至棘轮空间底部；然后，螺母扭矩扳手停止通电，电磁铁产生的磁力消失，可活动永久磁体相互吸附以咬合在精轧螺纹钢上，使之无法逆向旋转则取下螺母扭矩扳手；再将限位螺母套在锚固螺母上，顺时针拧紧时人为将棘爪往底部镂空槽内轻推，直至限位螺母底部嵌入预埋锚垫板，棘爪弹开嵌入棘轮齿，无法反向扭动、无法竖向移动时停止，封锚。
52.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，包括在螺纹钢(6)外依次套设的锚固螺母(1)、限位螺母(2)和预埋锚垫板(4)，其特征在于，所述锚固螺母上设有与螺纹钢配合的内表面断裂螺纹(1-1)和与限位螺母配合的外表面螺纹(1-2)，所述锚固螺母的锚螺孔径(1-3)内壁上开设有沿锚固螺母轴向分布的至少一对相向且错位的内置凹槽(1-4)，所述一对相向且错位的内置凹槽设置能作用于螺纹钢上的一组可活动永久磁体(3)，所述一组可活动永久磁体由一n极永磁铁(3-1)、一s极永磁铁(3-2)组成，所述n极永磁铁和s极永磁铁在相互面对的对应面上设置适配于螺纹钢的磁铁表面螺纹(3-3)。2.根据权利要求1所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述n极永磁铁的磁铁表面螺纹具有向下牙形角(3-4)，所述s极永磁铁的磁铁表面螺纹具有向上牙形角(3-5)。3.根据权利要求1所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述可活动永久磁体外表面设有防潮防腐蚀涂层。4.根据权利要求1所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，还包括螺母扭矩扳手(5)，作用于锚固螺母上，其内设有直流电磁铁(5-1)。5.根据权利要求4所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述螺母扭矩扳手的套孔高度大于锚固螺母上所设可活动永久磁体的总高度。6.根据权利要求1-5任一项所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述限位螺母的限螺孔径(2-2)内壁设有与所述锚固螺母上所设的外表面螺纹相匹配的内表面螺纹(2-1)，所述限位螺母在面向预埋锚垫板的对应端设有底部镂空槽(2-3)，所述底部镂空槽内设有棘爪(2-4)。7.根据权利要求6所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述底部镂空槽在限位螺母的径向上均布有两个以上。8.根据权利要求6所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述预埋锚垫板上设有内圈孔径(4-1)、外圈孔径(4-2)和棘轮空间(4-3)，所述内圈孔径与螺纹钢外径相适配，所述外圈孔径与限位螺母外径相适配；所述内圈孔径与外圈孔径设为呈阶梯状的一大一小结构，且两者之间的阶梯面上设置所述棘轮空间；所述棘轮空间内设置与限位螺母上所设的棘爪配合的棘轮齿。9.根据权利要求8所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置，其特征在于，所述预埋锚垫板内所设的棘轮齿高度比棘爪高度大2-3mm。10.利用权利要求8所述的具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置的锚固方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，固定住预埋锚垫板，并使螺纹钢穿过其内圈孔径；步骤2)，将内置直流电磁铁的螺母扭矩扳手通电，并套上待锚固螺母；步骤3)，调节电流大小直至直流电磁铁产生的磁力大于可活动永久磁体自身磁力，使可活动永久磁体分别吸附在各自的内置凹槽中；步骤4)，将锚固螺母套在螺纹钢上，使用维持通电状态的螺母扭矩扳手开始顺时针拧紧，直至到达预埋锚垫板的棘轮空间底部；步骤5)，螺母扭矩扳手断电并取走，此时的可活动永久磁体失电后相互吸附并咬合在螺纹钢上；
步骤6)，将限位螺母套在锚固螺母上，直至到达预埋锚垫板的棘轮空间底部并且限位螺母底部的棘爪嵌入棘轮齿中；步骤7)，封锚。

技术总结
本发明公开了一种具有自身限位功能的低回缩竖向预应力锚固装置及方法，属于桥梁锚固安装领域，本装置包括在螺纹钢外依次套设的锚固螺母、限位螺母和预埋锚垫板，锚固螺母上设有与螺纹钢配合的内表面断裂螺纹和与限位螺母配合的外表面螺纹，锚固螺母的锚螺孔径内壁上开设有沿锚固螺母轴向分布的至少一对相向且错位的内置凹槽，一对相向且错位的内置凹槽设置能作用于螺纹钢上的一组可活动永久磁体，一组可活动永久磁体由一N极永磁铁、一S极永磁铁组成，N极永磁铁和S极永磁铁在相互面对的对应面上设置适配于螺纹钢的磁铁表面螺纹。本锚固装置具有更多的摩擦力来源，可很好的限制预应力钢筋回缩，并能有效防止锚固螺母因抖动发生逆向自扭转。生逆向自扭转。生逆向自扭转。


技术研发人员：杨小明 罗利芳 张克武 熊凯 尹夏明 曾明辉 蔡凝 郭增伟
受保护的技术使用者：重庆交通大学
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/3/8