緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦系數(shù)試驗(yàn)*

王占飛， 曹少朋， 徐　巖， 胡正偉， 張子靜， 王　強(qiáng)，

(沈陽建筑大學(xué) a. 交通工程學(xué)院， b. 土木工程學(xué)院， c. 地鐵研究院， 沈陽 110168)

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦系數(shù)試驗(yàn)*

王占飛a， 曹少朋b， 徐巖b， 胡正偉a， 張子靜a， 王強(qiáng)b，c

(沈陽建筑大學(xué)a. 交通工程學(xué)院，b. 土木工程學(xué)院，c. 地鐵研究院， 沈陽 110168)

為了探明張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦損失的影響規(guī)律，制作6根預(yù)應(yīng)力梁，每根梁直線布置3根緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，進(jìn)行張拉試驗(yàn).按照緩粘結(jié)劑的固化程度，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋分批進(jìn)行張拉，并測(cè)得鋼筋應(yīng)力的摩擦損失.結(jié)果表明，在緩粘結(jié)劑固化程度相同的條件下，隨著張拉力的增加，緩粘結(jié)劑的粘結(jié)作用失效，鋼筋應(yīng)力的摩擦損失逐漸變小；預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到控制應(yīng)力時(shí)，隨著緩粘結(jié)劑硬度的增加，粘結(jié)作用增強(qiáng)，摩擦損失增大；當(dāng)緩粘結(jié)劑邵氏硬度達(dá)到80以上時(shí)，摩擦系數(shù)k達(dá)到了0.538m-1.

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋； 混凝土梁； 固化程度； 粘結(jié)作用； 摩擦系數(shù)； 張拉試驗(yàn)； 硬度； 摩擦損失

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土作為一項(xiàng)新興的預(yù)應(yīng)力體系，兼有無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)便可行的優(yōu)點(diǎn)，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，粘結(jié)效果逐漸增強(qiáng)，緩粘結(jié)劑固化后，又具有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制[1-2].緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用機(jī)理為在預(yù)應(yīng)力鋼筋的外側(cè)和高密度聚乙烯護(hù)套的內(nèi)部涂裝一定厚度的緩凝材料，在張拉適用期內(nèi)使其具有一定的流動(dòng)性，且隨著時(shí)間推移達(dá)到完全固化后，與預(yù)應(yīng)力鋼筋、外包護(hù)套之間產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)力，如圖1所示.預(yù)應(yīng)力鋼筋周圍的緩凝材料緩慢凝結(jié)硬化，與鋼筋之間逐漸有了粘結(jié)力，形成了與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相同的受力傳力機(jī)理[3-6].

圖1　緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋

近年來，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用[7].但是，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋從工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)布置張拉到緩粘結(jié)劑固化，一般需要1～2年的時(shí)間.從工程角度講大致經(jīng)歷兩個(gè)階段，即張拉適用期階段和固化階段.圖2為緩粘結(jié)劑固化過程.在這一過程中，緩粘結(jié)劑從可流動(dòng)的液態(tài)變成具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的固態(tài)[7-9].施工中，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉時(shí)機(jī)和張拉過程中鋼筋應(yīng)力摩擦損失的變化，對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量有著較大的影響.這項(xiàng)新技術(shù)目前還處于探索和發(fā)展階段，許多問題需要分析和研究[10].

圖2　緩粘結(jié)劑固化過程

本文制作了6根梁長(zhǎng)為3 300mm，截面為300mm×400mm的預(yù)應(yīng)力梁，每根梁直線布置3根緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，進(jìn)行張拉試驗(yàn).根據(jù)緩粘結(jié)劑固化時(shí)間及固化程度不同，分批進(jìn)行張拉，每批張拉3根預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到控制應(yīng)力，測(cè)得鋼筋應(yīng)力的摩擦損失.

1　試驗(yàn)基本概況

1.1試件的設(shè)計(jì)與制作

本文采用同一批次的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋制作試件，摩擦系數(shù)測(cè)試所用試件為長(zhǎng)3 300mm、寬300mm、高400mm、強(qiáng)度等級(jí)C50的混凝土梁，梁內(nèi)直線布置3根φs15.2的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，梁的架力鋼筋和箍筋布置如圖3所示(單位：mm)，共制作6根梁試件.

圖3　緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)

1.2試驗(yàn)張拉設(shè)備與方法

為了探明張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦系數(shù)的影響，根據(jù)固化時(shí)間及固化程度不同，分6次張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，每次張拉3根，達(dá)到控制應(yīng)力時(shí)，測(cè)得鋼筋應(yīng)力的摩擦損失.

每次張拉緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)在張拉端依次安裝300mm×400mm×14mm的承壓墊板、壓力傳感器、150mm×150mm×20mm的承壓墊板、穿心式液壓千斤頂、150mm×150mm×20mm的承壓墊板、工具錨；在錨固端依次安裝承壓墊板、壓力傳感器、墊板和錨具.試驗(yàn)使用設(shè)備如圖4所示.緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端的拉力和錨固端拉力可以通過與兩端傳感器相連的電子靜態(tài)應(yīng)變儀微觀控制張拉力的大小，通過手動(dòng)式液壓千斤頂上的電子顯示儀表宏觀控制張拉力的大小.

試驗(yàn)時(shí)，采用250kN穿心式液壓千斤頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，由電子式壓力傳感器控制張拉端施加的預(yù)應(yīng)力.張拉時(shí)，由張拉端傳感器控制加載過程，按每級(jí)20kN逐級(jí)加載，每級(jí)加載時(shí)間約為0.5min，持荷1min，同時(shí)記錄張拉端和錨固端兩傳感器的讀數(shù).當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端拉力達(dá)到195.3kN，即預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到控制應(yīng)力0.75fptk

圖4　試驗(yàn)設(shè)備

時(shí)，其中，fptk為鋼絞線極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，持荷5min，記錄兩端傳感器的讀數(shù)，然后卸載，此時(shí)一根鋼絞線張拉測(cè)試摩擦損失結(jié)束.

直線布筋時(shí)，摩擦系數(shù)k的計(jì)算公式為

(1)

式中：x為直線緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的長(zhǎng)度；F2為錨固端力；F1為張拉端力.

2　不同張拉期緩粘結(jié)劑性質(zhì)描述

表1給出了不同固化時(shí)間張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)緩粘結(jié)劑性質(zhì)的變化.其中，張拉時(shí)的邵氏硬度是在同批緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋上取的緩粘結(jié)劑，并通過邵氏硬度計(jì)測(cè)得的數(shù)值，該數(shù)值表征緩粘結(jié)劑的固化程度，當(dāng)緩粘結(jié)劑的硬度值達(dá)到邵氏硬度80時(shí)，工程上認(rèn)為緩粘結(jié)劑達(dá)到完全固化，形成有粘結(jié)的傳力機(jī)理.

表1　緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的固化性能

3　預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦損失試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1張拉過程中摩擦系數(shù)變化

對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉時(shí)，緩粘結(jié)劑具有一定的粘滯力，需要一定的初始拉力才可將鋼絞線拉動(dòng)，硬度為0時(shí)緩粘結(jié)劑的粘滯性很小，拉力可以很快傳遞到錨固端，一旦出現(xiàn)擾動(dòng)將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋滑動(dòng)，使得兩端力的差值逐漸減小.張拉末期持載時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)試件兩端力的差值最小，持載5min取得k值.

圖5為k與張拉端力的關(guān)系曲線.由圖5可以看出，1號(hào)梁數(shù)據(jù)k值有起伏但變化不大，上升段為靜摩擦系數(shù)，k值在0.012 9m-1時(shí)由于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)出現(xiàn)擾動(dòng)情況而使曲線呈緩慢下降的趨勢(shì).其他梁整體上是隨著張拉力的增加，k值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

3.2張拉時(shí)緩粘結(jié)固化程度對(duì)摩擦系數(shù)k的影響

圖6為k與硬度的關(guān)系曲線.由圖6可以看出，隨著硬度值的增長(zhǎng)，k值逐漸增加.當(dāng)硬度超過45.6后，k值增長(zhǎng)迅速出現(xiàn)突變，表示此時(shí)粘結(jié)劑的粘滯阻力明顯增強(qiáng)；當(dāng)邵氏硬度超過80時(shí)，可認(rèn)為緩粘結(jié)劑基本完全硬化，張拉試驗(yàn)時(shí)張拉端數(shù)值明顯增長(zhǎng)，錨固端基本沒有變化；當(dāng)聽到“砰”的聲響時(shí)(緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)部出現(xiàn)明顯擾動(dòng)使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞)，錨固端數(shù)值才緩慢增長(zhǎng)，此時(shí)k值達(dá)到0.538 4m-1.

表2為不同硬度下的摩擦損失及k值.從表2可以看出，隨著張拉時(shí)緩粘結(jié)劑的硬度逐步增大，張拉時(shí)兩端力的差值逐步增大，預(yù)應(yīng)力損失逐步增加，實(shí)質(zhì)上是由緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)緩粘結(jié)劑的固化程度逐步增大導(dǎo)致張拉過程中粘滯阻力逐漸增強(qiáng)產(chǎn)生的效應(yīng).

圖5　k與張拉端力的關(guān)系

圖6　k與硬度的關(guān)系

預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到控制應(yīng)力時(shí)，1號(hào)梁兩端力差值不大，且隨著緩粘結(jié)劑的硬度逐步增加，預(yù)應(yīng)力損失逐步增大，k值逐漸變大.6號(hào)梁張拉時(shí)邵氏硬度為80.5，緩粘結(jié)劑完全硬化，預(yù)應(yīng)力筋與粘結(jié)劑及混凝土之間有很高的粘結(jié)強(qiáng)度，成為一個(gè)整體，導(dǎo)致粘滯阻力很大，此時(shí)k值為0.538 4m-1，張拉端力通過預(yù)應(yīng)力鋼筋傳遞到錨固端時(shí)損失嚴(yán)重，張拉所起作用不大.

4　結(jié)　論

本文通過分析得出如下結(jié)論：

1) 在緩粘結(jié)劑固化時(shí)間相同的條件下，隨著張拉力的增加，預(yù)應(yīng)力筋兩端差值逐漸減小，鋼筋應(yīng)力的摩擦損失逐漸變??；

表2　不同硬度下的摩擦損失及k值

2) 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋摩擦系數(shù)k值與緩粘結(jié)劑的硬度有關(guān)，隨著硬度的增大，摩擦阻力逐步增強(qiáng)，系數(shù)k值也相應(yīng)增大；

3) 緩粘結(jié)劑固化程度不同，預(yù)應(yīng)力筋達(dá)到控制應(yīng)力時(shí)，緩粘結(jié)劑硬度增大，摩擦阻力損失也增大，當(dāng)緩粘結(jié)劑邵氏硬度達(dá)到80.5時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的摩擦系數(shù)k為0.538 4m-1.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Experimentonfrictioncoefficientofretard-bondedpre-stressedtendon

WANGZhan-feia,CAOShao-pengb,XUYanb,HUZheng-weia,ZHANGZi-jinga,WANGQiangb, c

(a.SchoolofTrafficEngineering,b.SchoolofCivilEngineering,c.MetroResearchInstitute,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

Inordertoclarifytheinfluenceofthecuringdegreeofretard-bondedadhesiveonthefrictionlossofpre-stressedtendoninthetensileprocess,sixpre-stressedconcretebeams,eachofwhichwasarrangedwiththreestraightpre-stressedretard-bondedtendons,werepreparedtoperformthetensileexperiments.Accordingtothecuringdegreeofretard-bondedadhesive,thepre-stressedtendonsweretensionedinbatches,andthefrictionlossoftendonstresswasmeasured.Theresultsshowthatwhenthecuringdegreeofretard-bondedadhesiveisthesame,theadhesiveeffectoftheadhesivefailsandthefrictionlossoftendonstressgraduallydecreaseswithincreasingthetensileforce.Whenthestressappliedonthetendonsreachesthecontrolstress,theadhesiveeffectgetsenhancedandthefrictionlossincreaseswithincreasingthehardnessofretard-bondedadhesive.WhentheShorehardnessofadhesiveismorethan80,thefrictioncoefficientkreaches0.538m-1.

retard-bondedpre-stressedtendon;concretebeam;curingdegree;adhesiveeffect;frictioncoefficient;tensileexperiment;hardness;frictionloss

2015-07-16.

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013020149)； 遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2014060).

王占飛(1976-)，男，遼寧法庫(kù)人,副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.20

TU757.1

A

1000-1646(2016)03-0350-05

*本文已于2016-03-02 16∶43在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1643.018.html