粘結(jié)劑固化度對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁力學(xué)性能的影響*

王占飛， 徐卓君， 王子怡， 王　強(qiáng)， 徐　巖

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) a. 交通工程學(xué)院， b. 土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168)

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合了無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，施工時(shí)工藝簡(jiǎn)單，在使用時(shí)具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力安全可靠的力學(xué)性能，工程應(yīng)用廣泛[1].本文使用的緩凝膠黏劑是環(huán)氧樹脂緩粘結(jié)劑，在張拉適用期內(nèi)張拉緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束類似于張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束.隨著緩粘結(jié)劑逐漸固化，當(dāng)緩粘結(jié)劑的邵氏硬度達(dá)到80 D時(shí)，達(dá)到與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土相同的傳力機(jī)制[2].國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在緩粘結(jié)劑的性質(zhì)、緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的傳力機(jī)制、力學(xué)效果等方面均有研究，主要側(cè)重于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開展[3-5]，摩阻及相關(guān)系數(shù)的確定[6-8]，在張拉適用期內(nèi)緩粘結(jié)劑對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的影響，以及緩粘結(jié)劑完全固化后該類預(yù)應(yīng)力混凝土的力學(xué)性能研究[9-10]等，相關(guān)研究也表明緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用前景廣泛[11].

目前存在的關(guān)鍵問(wèn)題是施工環(huán)境復(fù)雜，施工中可能存在超過(guò)張拉適用期張拉的情況，而不同時(shí)期進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土之間的傳力機(jī)制，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力和開裂荷載等力學(xué)性能的影響尚不明確.這在一定程度上阻礙了該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展.本文通過(guò)在不同時(shí)期內(nèi)對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，完全固化后同時(shí)進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，觀測(cè)并記錄梁從開裂到破壞整個(gè)過(guò)程的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，探明不同固化程度下進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁力學(xué)性能的影響，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1　試驗(yàn)基本概況

考慮不同固化時(shí)期進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉(從無(wú)粘結(jié)到有粘結(jié)最后完全固化)對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁力學(xué)性能的影響，制作了3根緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁并按緩粘結(jié)劑固化度不同分3批次張拉，1號(hào)試件在張拉適用期內(nèi)張拉，2號(hào)試件在固化期內(nèi)張拉，3號(hào)試件達(dá)到完全固化后進(jìn)行張拉.完全固化后將3組預(yù)應(yīng)力試件梁同時(shí)進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)比分析通過(guò)加載試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，探明張拉時(shí)緩粘結(jié)劑的固化程度對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁力學(xué)性能的影響.

1.1　試件的制作

試驗(yàn)前，制作了3個(gè)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土試件梁，梁長(zhǎng)3 300 mm，截面為300 mm×400 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，在梁內(nèi)直線布置3根φs15.2的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其力學(xué)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋》.試件梁純彎段的箍筋間距為250 mm，彎剪段間距為80 mm.緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)造如圖1所示(單位：mm).

圖1　試驗(yàn)試件Fig.1　Experimental specimen

1.2　試驗(yàn)加載制度

試驗(yàn)采用三分點(diǎn)兩點(diǎn)同步靜力單調(diào)加載方式(純彎段長(zhǎng)度為梁高的2.5倍)，加載裝置如圖2所示(單位：mm).加載過(guò)程為：1)混凝土開裂前，采用單調(diào)遞增的加載方式至混凝土開裂時(shí)卸載；2)卸載后，重新連續(xù)加載到開裂荷載的1.1倍，持載5 min，繼續(xù)加載到開裂荷載的1.2倍，持載，依此類推，直至試驗(yàn)梁達(dá)到最大承載力，卸載，試驗(yàn)加載結(jié)束.

1.3　試驗(yàn)裝置及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.3.1試驗(yàn)梁應(yīng)變片布置

在梁側(cè)面、底面和頂面布置混凝土應(yīng)變片監(jiān)測(cè)混凝土的應(yīng)變，其位置如圖3所示(單位：mm).

1.3.2試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在梁抗彎性能試驗(yàn)過(guò)程中，主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括梁承載力、豎向變形、純彎段混凝土的應(yīng)變、梁端預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力變化以及混凝土裂縫開裂狀況等內(nèi)容.張拉及試驗(yàn)時(shí)通過(guò)LX-A邵氏硬度計(jì)測(cè)試同條件養(yǎng)護(hù)下的緩粘結(jié)劑固化情況，以此了解緩粘結(jié)試件梁內(nèi)部緩粘結(jié)劑的固化狀況.梁承載力采用加載千斤頂上的壓力傳感器讀取，通過(guò)試件兩端放置的50 t電子式壓力傳感器測(cè)得試件梁兩端預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化.通過(guò)位移計(jì)測(cè)得梁的撓度變化，通過(guò)應(yīng)變片和裂縫綜合測(cè)試儀測(cè)量混凝土應(yīng)變和裂縫的發(fā)展?fàn)顩r.

圖2　加載裝置及儀器布置Fig.2　Loading device and equipment arrangement

圖3　應(yīng)變片測(cè)位示意圖Fig.3　Schematic strain gauge measuring position

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　緩粘結(jié)劑的固化情況

在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉和抗彎性能試驗(yàn)時(shí)，同步測(cè)得緩粘結(jié)劑的固化程度.其中，1號(hào)試件梁張拉時(shí)處于張拉適用期，承載力試驗(yàn)時(shí)處于固化期，2、3號(hào)試件梁在張拉時(shí)和抗彎性能試驗(yàn)時(shí)均在固化期.緩粘結(jié)劑固化情況如表1所示.

表1　緩粘結(jié)劑的固化程度Tab.1　Curing degree of retard-bonded agent

2.2　荷載撓度曲線

圖4　荷載撓度曲線Fig.4　Load-deflection curves

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁規(guī)范》，按照有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的計(jì)算公式得出試件梁的開裂荷載和最大荷載理論值，并與實(shí)測(cè)值作比較.結(jié)果表明，張拉時(shí)緩粘結(jié)劑處于張拉適用期的1號(hào)試件梁開裂荷載實(shí)測(cè)值與理論值相當(dāng)，超出張拉適用期的2號(hào)試件梁開裂荷載小于理論值，其中張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度越低，開裂荷載和最大荷載越高，殘余變形越小，試件梁延性增強(qiáng).其中，1、2、3號(hào)試件梁最大荷載分別增加23.9%、11.4%、9.4%.試件梁的開裂荷載、最大荷載以及殘余變形統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2　開裂荷載、最大荷載及殘余變形Tab.2　　　　Cracking load，maximum load and residual deformation

2.3　梁端預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力變化

圖5為梁在荷載試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力梁兩端測(cè)得的預(yù)應(yīng)力鋼筋隨豎向荷載的變化情況.由圖5可知，張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化度為0的1號(hào)梁在加載初期鋼絞線端部應(yīng)力基本不增長(zhǎng)，當(dāng)荷載達(dá)到試件梁開裂荷載240 kN時(shí)，鋼絞線應(yīng)力仍然增長(zhǎng)緩慢，繼續(xù)加大荷載至480 kN時(shí)，鋼絞線應(yīng)力開始快速增長(zhǎng)，裂縫進(jìn)入快速開展階段，繼續(xù)加大荷載至試件梁達(dá)到極限承載力時(shí)，曲線再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，在達(dá)到最大承載力596 kN的過(guò)程中，鋼絞線的應(yīng)力增長(zhǎng)很小只有167.5 MPa，隨后進(jìn)入卸載階段，在卸載到160 kN之前鋼絞線應(yīng)力幾乎不變化，這是因?yàn)榫徴辰Y(jié)劑形成了較好的粘結(jié)力，隨著荷載降低到0，鋼絞線應(yīng)力開始快速回落.與1號(hào)梁相似，2號(hào)梁在豎向荷載達(dá)到300 kN時(shí)，鋼絞線應(yīng)力開始快速增長(zhǎng)，在達(dá)到最大承載力536 kN過(guò)程中，鋼絞線最大應(yīng)力增量為350 MPa，卸載至250 kN附近時(shí)鋼絞線應(yīng)力開始快速下降.3號(hào)梁在荷載達(dá)到270 kN附近時(shí)，鋼絞線應(yīng)力開始快速增長(zhǎng)，在達(dá)到最大承載力526 kN過(guò)程中，鋼絞線最大應(yīng)力增量為457.5 MPa，卸載至220 kN附近時(shí)鋼絞線應(yīng)力開始快速下降.通過(guò)三者的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度較低的試件梁、鋼筋和緩粘結(jié)劑三者的結(jié)合程度較好，具有更好的傳力機(jī)制，加載中鋼絞線的最大應(yīng)力增量較小，其開裂荷載和極限承載力較大，梁的力學(xué)性能較好.

2.4　裂縫分布

試驗(yàn)過(guò)程中，三根梁裂縫開展及分布情況如表3所示.由表3可以看出，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁加載過(guò)程中裂縫發(fā)展較為均勻，純彎段中主裂縫數(shù)量分別為5、4、4條.其中張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度低的1號(hào)試件梁純彎段裂縫較多為5條，其裂縫分布相對(duì)較密，主裂縫周圍衍生的細(xì)小裂縫更多，同級(jí)荷載下最大裂縫寬度和最大裂縫間距也較小，表現(xiàn)出更加接近有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的特性.在390 kN荷載等級(jí)下，1、2、3號(hào)梁最大裂縫寬度分別為0.21、0.52和1.04 mm.試驗(yàn)結(jié)束后裂縫情況如圖6所示.其中，1、2、3號(hào)梁主裂縫平均間距分別為240、266、250 mm.

圖5　緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋端部應(yīng)力變化Fig.5　　　　Stress change on end of retard-bonded pre-stressed tendons

表3　裂縫開展?fàn)顩rTab.3　Development situation of cracks

圖6　裂縫示意圖Fig.6　Schematic cracks

2.5　混凝土應(yīng)變沿梁高分布

試驗(yàn)測(cè)得的混凝土應(yīng)變隨梁高的變化如圖7所示.由圖7可以看出，在試驗(yàn)過(guò)程中各混凝土梁應(yīng)變分布規(guī)律大體一致.梁底混凝土開裂前，隨著荷載的增加，截面應(yīng)變不斷增大；距離中性軸越遠(yuǎn)，應(yīng)變也越大，截面各點(diǎn)應(yīng)變基本上符合平截面假定.

3　結(jié)　論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1) 張拉時(shí)緩粘結(jié)劑的固化程度對(duì)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂荷載影響較小，對(duì)承載力的影響較大，張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度越高的梁，開裂荷載與承載力越低.

圖7　預(yù)應(yīng)力梁跨中截面混凝土應(yīng)變分布Fig.7　　　　Strain distribution in concrete on mid-span section of pre-stressed beams

2) 張拉時(shí)緩粘結(jié)劑固化程度低的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有較好的力學(xué)性能，梁純彎段部分裂縫開展較均勻，數(shù)量較多，梁的延性增大，與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁更加類似.

3) 試驗(yàn)表明，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)宜在張拉適用期內(nèi)完成預(yù)應(yīng)力筋的張拉，超過(guò)緩粘結(jié)劑張拉適用期，張拉預(yù)應(yīng)力筋對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及工程的施工質(zhì)量影響較大.