低回縮預(yù)應(yīng)力錨具錨下混凝土應(yīng)力的試驗(yàn)研究

摘 要:低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線體系是一種新型預(yù)應(yīng)力體系.為了研究新型二次張拉低回縮預(yù)應(yīng)力錨具的錨下構(gòu)造，設(shè)計(jì)了采用二次張拉單孔預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具的預(yù)應(yīng)力矩形梁試驗(yàn)，將理論計(jì)算結(jié)果分別與傳統(tǒng)夾片式錨具錨下應(yīng)力場、新型二次張拉低回縮預(yù)應(yīng)力錨具錨下應(yīng)力場進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在張拉過程中三者錨下應(yīng)力場的變化規(guī)律一致.當(dāng)采用相同型號(hào)的錨下墊板時(shí)，各截面應(yīng)力峰值相差很小，且均未超過試驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度.因此，二次張拉單孔預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具錨下構(gòu)造可與傳統(tǒng)夾片式錨具完全相同.

關(guān)鍵詞:矩形板試驗(yàn);應(yīng)力分析;低回縮預(yù)應(yīng)力錨具;錨下構(gòu)造;峰值應(yīng)力

中圖分類號(hào):U448.35;U441.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Experimental Study of Concrete Stress under Low Retracting Pre-stress Stranded Anchorage

SHAO Xu-dong，RONG Hui，ZHANG Yang，ZENG Tian-sheng

(College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:Low retracting pre-stressing anchorage system (LRPAS) is a new type of post-tensioned prestressing system. An experimental study was carried out to investigate the structural behavior under the new LRPAS. A scaled test specimen using low retracting pre-stress stranded single anchorage was constructed and tested. Based on the strain measurements， the stress field under the traditional anchorage and the new LRPAS were obtained， and the test results were consistent with the theoretical calculation ones. When the same type of steel plate under the anchorage was used， the maximum stress of the cross-section was similar， and did not exceed the strength of concrete. Therefore， compared with the traditional anchorage， the low retracting pre-stress stranded single anchorage has the same construction under the anchor.

Key words:test specimens; stress analyses; low retracting pre-stressing anchorage system;construction under anchorage; maximums stress

目前，我國大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板中的豎向預(yù)應(yīng)力通常是采用張拉精軋螺紋鋼的方式來實(shí)現(xiàn)，但精軋螺紋鋼YGM錨固體系都存在張拉應(yīng)力低、錨具實(shí)際回縮損失大、安裝精度要求高、精軋螺紋鋼筋易被拉斷和壓漿質(zhì)量不夠好等缺陷^[1-6].

為此，湖南大學(xué)橋梁工程研究所和湖南湘潭歐之姆預(yù)應(yīng)力錨具有限公司共同研制出一種二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，可為腹板提供穩(wěn)定可靠的高效豎向預(yù)應(yīng)力.1 基本原理

二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)的基本原理就是對(duì)鋼絞線進(jìn)行二次張拉(如圖1所示).第1次仍按常規(guī)工藝張拉鋼絞線，使錨杯內(nèi)的夾片夾緊預(yù)應(yīng)力筋;第2次張拉錨杯，直至達(dá)到鋼絞線的設(shè)計(jì)張拉力后，便擰緊錨杯外的螺母進(jìn)行最后固定.這樣便能使預(yù)應(yīng)力筋張拉的回縮損失達(dá)到最小，而且二次張拉工藝和鋼絞線的大延伸量在運(yùn)營中也不易失效.

低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線是一種新型預(yù)應(yīng)力體系，為了檢驗(yàn)其使用性能，湖南大學(xué)橋梁工程研究所進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究.

為研究腹板在豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線作用下的應(yīng)力場及應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，進(jìn)行了矩形混凝土薄板模型試驗(yàn).實(shí)測(cè)按照26.5°的擴(kuò)散角來確定豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的間距，則可以保證箱梁腹板范圍內(nèi)的有效豎向預(yù)壓應(yīng)力值比較高且各截面應(yīng)力均勻，而其范圍外的混凝土壓應(yīng)力計(jì)算需考慮擴(kuò)散角的影響^[7].

圖1 低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具

Fig.1 Low retracting pre-stressing anchorage

為研究箱梁腹板在新型豎向預(yù)應(yīng)力體系保護(hù)下的裂縫狀況以及極限承載力，設(shè)計(jì)了預(yù)應(yīng)力箱梁腹板極限狀態(tài)試驗(yàn).模型腹板的設(shè)計(jì)開裂荷載為700 kN，試驗(yàn)表明，當(dāng)實(shí)際加載至1 290 kN時(shí)(超載142%)，出現(xiàn)肉眼可見的細(xì)裂紋，加載至1 500 kN時(shí)(設(shè)計(jì)荷載的165%)，斜裂縫寬度達(dá)0.4 mm，但卸載后又完全閉合，說明此時(shí)腹板的受力仍處于彈性狀態(tài).

實(shí)測(cè)兩根1 m長預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力，得到錨固后應(yīng)力即時(shí)損失值如表1所示.

表1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線即時(shí)損失

從表1可以看出，采用低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨具，預(yù)應(yīng)力即時(shí)損失僅4.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力體系(力筋長度4 m左右)的應(yīng)力損失45%^[8];

而一次張拉短筋的損失卻高達(dá)30%以上，損失也很大.

經(jīng)過上述一系列的試驗(yàn)，表明新型二次張拉低回縮鋼絞線錨固系統(tǒng)應(yīng)用于梁橋腹板，能提供穩(wěn)定可靠的豎向預(yù)應(yīng)力，從而大幅減小腹板開裂的風(fēng)險(xiǎn)，由于其經(jīng)濟(jì)性好、施工方便，不失為一種好的短束預(yù)應(yīng)力選擇，是治理預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板開裂的最為有效的手段.

但是上述試驗(yàn)沒有涉及新型錨具錨下構(gòu)造措施，為此本項(xiàng)目課題研究小組專門制作以下兩根試驗(yàn)梁，分別采用常規(guī)夾片式錨具和本文新型二次張拉低回縮預(yù)應(yīng)力錨具進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比和理論分析，為新型錨具錨下構(gòu)造提供試驗(yàn)依據(jù).

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)步驟

如圖2所示，兩根試驗(yàn)梁均為1 m長的混凝土梁，截面尺寸為0.5 m×0.2 m，混凝土強(qiáng)度C45，錨下采用普通鋼墊板，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860級(jí)鋼絞線.其中，1#試驗(yàn)梁的兩端采用傳統(tǒng)的夾片式錨具(以下簡稱傳統(tǒng)錨)，2#試驗(yàn)梁的兩端采用二次張拉單孔低回縮預(yù)應(yīng)力錨具(以下簡稱二次錨)，預(yù)應(yīng)力筋采用30 t穿心式液壓千斤頂進(jìn)行張拉.

依據(jù)理論分析的結(jié)果布置錨下1/2截面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)示于圖3(另外1/2截面測(cè)點(diǎn)布置對(duì)稱于該圖).

1—百分表 2—振弦式壓力傳感器 3—鋼墊板 4—無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線 5—螺母 6—錨杯 7—夾片

圖2 二次張拉單孔預(yù)應(yīng)力錨具錨下混凝土應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位:cm)

Fig.2 The test model of concrete stress analysis under the second single tensioned pre-stressing anchorage(units:cm)

圖3 1/2截面應(yīng)變片布置(單位:cm)

Fig.3 The disposal of strain gauge in 1/2 section(units:cm)

3 二次張拉低回縮預(yù)應(yīng)力錨具錨下混凝土應(yīng)力分析

由于試驗(yàn)梁的幾何尺寸和受力狀態(tài)均為對(duì)稱的，故可取半結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析.計(jì)算是采用大型有限元分析軟件Ansys，由于孔道面積很小(0.3%)，為了簡化計(jì)算模型忽略其影響.采用Solid65單元模擬混凝土、Link8單元模擬力筋，共3 280個(gè)單元、4 053個(gè)節(jié)點(diǎn).混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)47.2 MPa，彈性模量34 GPa，預(yù)應(yīng)力鋼絞線強(qiáng)度1 860 MPa.

試驗(yàn)中由于采用了振弦式壓力傳感器和液壓千斤頂油壓表來對(duì)張拉控制力實(shí)現(xiàn)雙控，故可不計(jì)錨具變形、鋼筋內(nèi)縮和混凝土壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失;其次，本試驗(yàn)采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，且構(gòu)件短小，故可忽略預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失;再次本試驗(yàn)的全過程十分短暫，故可不計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失.基于以上原因，本試驗(yàn)就只考慮了放張后預(yù)應(yīng)力鋼筋回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失.

通過有限元仿真分析后，將其計(jì)算結(jié)果與圖3所示幾個(gè)截面的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較^[9]，比較結(jié)果如圖4~ 7所示.由于兩根試驗(yàn)梁上的作用荷載相差很小，所以圖中只給出了2#試驗(yàn)梁的理論值，1#試驗(yàn)梁僅給出應(yīng)力曲線.為了節(jié)省篇幅，本文只給出了0.4P，0.8P、一次張拉放張后和二次張拉放張后各截面的應(yīng)力圖(圖中應(yīng)力曲線旁邊數(shù)值代表2#

圖4 0.4P(1#梁101 kN，2#梁120 kN)荷載作用下各截面應(yīng)力

Fig.4 The cross-section stress under 0.4P(1# concrete girder 101 kN，2# concrete girder 120 kN)

圖5 0.8P(1#梁194 kN，2#梁195 kN)荷載作用下各截面應(yīng)力

Fig.5 The cross-section stress under 0.8P(1# concrete

girder 194 kN，2# concrete girder 195 kN)

圖6 一次張拉放張后(1#梁130 kN，2#梁119 kN)各截面應(yīng)力

Fig.6 The cross-section stress after first tensioned (1# concrete girder 130 kN，2# concrete girder 119 kN)

圖7 二次張拉放張后(2#梁179 kN)各截面應(yīng)力

Fig.7 The cross-section stress after second tensioned(2# concrete girder 179 kN)

試驗(yàn)梁該截面最大應(yīng)力值，單位:MPa).

由圖4~ 7可知，實(shí)測(cè)縱向最大壓應(yīng)力(3.264<29.6 MPa)和橫向最大拉應(yīng)力(1.156<2.51 MPa)均出現(xiàn)在距離梁端0.1~0.2 m的梁中心線上，在距離梁端更遠(yuǎn)的地方應(yīng)力逐漸擴(kuò)散.

二次錨錨下應(yīng)力場與理論結(jié)果吻合良好，但是各截面應(yīng)力峰值與傳統(tǒng)錨錨下應(yīng)力峰值有點(diǎn)差別(見表2和表3).這主要是由于二次錨是螺母與錨下墊板接觸，而傳統(tǒng)錨是錨杯與墊板接觸，如圖8所示.

由表2和表3可以看出，二次錨和傳統(tǒng)錨錨下應(yīng)力與各自的理論值均吻合良好.理論計(jì)算荷載均按2#梁上實(shí)際作用荷載，但錨杯與墊板接觸面積略小于螺母與墊板接觸面積，故傳統(tǒng)錨錨下應(yīng)力峰值略大于二次錨錨下應(yīng)力峰值(4%以內(nèi)).所以，由于鋼墊板的存在，接觸方式不同的兩種錨具錨下應(yīng)力場在各級(jí)荷載下的變化規(guī)律基本一致，而且峰值應(yīng)力相差很小，這就說明單孔二次錨錨下配筋等構(gòu)造措施可以完全按傳統(tǒng)錨進(jìn)行^[10].

4 結(jié) 論

1)二次張拉單孔低回縮預(yù)應(yīng)力錨具錨下應(yīng)力場與理論應(yīng)力場、傳統(tǒng)夾片式錨具錨下應(yīng)力場均一致，錨下構(gòu)造可完全與傳統(tǒng)夾片式錨具相同.

2)二次張拉單孔低回縮預(yù)應(yīng)力錨具錨下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在距梁端0.2 m的中心線上，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在距梁端0.1~0.2 m的中心線上，但均未超過試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度，表明二次錨下只需配置普通鋼墊板就能滿足錨下混凝土局部受力要求.

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