钢丝缠绕预应力嵌合结构基础性原理

　　预应力技术可以改变承载结构在工作载荷后的受力状态,变拉为压,以保证结构的抗疲劳性能,提高可靠性。早在17世纪就已产生(主要是大炮的预紧), 19世纪已有大量的工业应用,随着预应力技术的发展,逐渐被应用到重型承载结构上[1, 2]。20世纪70年代中后期,瑞典、前苏联和我国相继开展了钢丝缠绕预应力结构的研究,并取得了第一批理论成果[3, 4]。随着承载能力的增加及技术的发展,钢丝缠绕预应力承载结构重量及结构形式也在不断的发展,其自身重量一般都达几百吨甚至几千吨。对于重在300 t以内的承载结构,尚可采用整体制造方法,随着重量的增加,其制造难度增高、风险加大。通常由于多个环节能力和规模不足,无法完成其整体制造,而成为工程的瓶颈,极大地影响重型装备的发展。为解决更大吨位承载结构的设计、制造等困难,提出了钢丝缠绕预应力剖分组合技术[5]。设计结构先剖分及进行子件加工后再组合成整体,零的尺度和重量大大降低,解决了加工、运输等多个环节的困难;甚至可以有效地实现必要材料的梯度分布和合理选取,在很大程度上提高承载结构的可制造性和安全性。目前该技术的发展已达到一个新的里程碑,并在重型设备领域得到推广应用[6, 7]。

　　1　预应力嵌合连接结构

　　清华大学重型装备团队在近35年预应力钢丝缠绕结构工程实践的基础上,于21世纪初,提出了嵌合结构[8](图1)。

　　嵌合结构是经界面嵌合作用而将子件连接起来的结构。嵌合结构摒弃键和键孔,采用摩擦系数大而硬度略低的金属嵌合层代之,子件A1和A2的接触面经嵌合处理(多峰结构的处理),在预应力钢丝缠绕层的预紧下,多峰结构挤压入金属嵌合层,产生一种不可逆的塑性接触,形成巨大的足以抵抗Q的稳定摩擦力。嵌合结构首先考虑大幅度降低预紧件的刚度,用强度达到200 MPa的丝材(如弹簧钢65Mn钢丝)代替细螺栓,相对刚度值进一步降到C=0.1—0.15左右。

　　嵌合结构强调降低C值的同时,还进一步提高预紧程度,将机架的预紧级数η提高到η=1.5—2,则ω值大大下降。对一切重型预应力结构来说,这一点是非常重要。如η=2,C=0.12,则ω=2.6%。如此小的ω说明预紧件(钢丝层)承受的是一种准静载荷,其疲劳强度是键合结构无法相比的。以上分析说明,当预紧件刚度小到一定程度后,虽然外载荷的性质没有改变,但结构承载性质发生了质变,它从承受典型的交变载荷转变成“准静载荷”(近似静载荷);而被预紧件始终处于交变的压应力作用下,强度与疲劳强度不会有问题。嵌合结构另一个显著的优点在于:多峰结构的尺度很小,峰值一般为0. 5—2. 0 mm,不会引起裂纹和应力集中;嵌合层的采用,大大简化了A1与A2间的配合关系,这在重型装备领域非常重要。