緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線摩擦損失研究

黃健偉

(中鐵十六局集團電氣化工程公司，北京 100018)

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，人們對于材料利用率、耐久性的要求不斷提高，傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在空間曲線張拉摩擦損失過大，灌漿密實度難以保證等問題越來越不被接受。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)運而生，其將鋼絞線、聚乙烯護套和可緩慢固化的緩凝粘合劑復(fù)合在一起，進行工廠化流水線化生產(chǎn)，規(guī)避了傳統(tǒng)壓孔灌漿等施工工序，保證了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量；改變了鋼絞線張拉摩擦介質(zhì)，降低了空間曲線下張拉摩擦損失，且緩凝粘合劑獨特的固化機理又保證了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)良的傳力機制。其以簡便的施工工序、優(yōu)良的受力性能和耐久性得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

1 摩擦損失理論分析

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線中的緩粘結(jié)粘合劑在張拉適用期內(nèi)具有一定的粘性和潤滑性，可以對鋼絞線進行張拉，此時摩阻損失適度；一旦張拉時間大于張拉適用期，緩凝粘合劑的粘稠度增大，從而導(dǎo)致摩阻損失增大，因此要嚴格控制張拉時間，不可超過張拉適用期。

張拉錨固使得鋼絞線建立有效預(yù)應(yīng)力，有效預(yù)應(yīng)力的大小是評估結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。摩擦損失的大小將對有效預(yù)應(yīng)力，張拉伸長值、裂縫寬度等產(chǎn)生直接的影響，故，對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工來說，摩擦損失的計算是非常重要且關(guān)鍵的，其中局部偏差系數(shù)K和摩擦系數(shù)μ是影響摩阻損失的關(guān)鍵因素。

在現(xiàn)實情況中，受到諸多因素(如施工工藝、外界環(huán)境和材料技術(shù)性能等)的共同作用，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的產(chǎn)生，預(yù)應(yīng)力張拉錨固后的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力小于張拉控制應(yīng)力。其中張拉摩擦損失占有重要比重，根據(jù)JGJ 369-2016《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》，預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁摩擦系數(shù)

本文以高平東高鐵站房緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工為例，整理并分析其張拉記錄，驗證緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉效果。并從理論角度出發(fā)同傳統(tǒng)有粘結(jié)金屬波紋管預(yù)應(yīng)力張拉摩擦損失進行對比分析，闡述緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力應(yīng)用優(yōu)勢。

2 工程概況

高平東站位于山西省高平市，站房中心里程DK275+130，站房建筑面積9 999.50 m2(不含地下車庫面積)。另外架空層面積5 283 m2，落客平臺面積4 077 m2，天橋面積279.54 m2。本站房地上主體2層，兩側(cè)三層，局部地下一層，站房高度19.75 m(圖1)。

圖1 高平東站效果

本工程主體結(jié)構(gòu)首層、二層部分梁中采用直徑21.8 mm緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，控制梁撓度、裂縫并承擔部分承載力。

3 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦損失控制措施

3.1 預(yù)應(yīng)力線型控制

預(yù)應(yīng)力損失由張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮、預(yù)應(yīng)力筋的摩擦、預(yù)應(yīng)力筋的松弛、混凝土的收縮和應(yīng)變以及混凝土的彈性收縮組成，作為主要組成部分的摩擦損失，對結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量和使用壽命會產(chǎn)生較大影響，因此，能否對摩擦損失進行精確計算是非常重要的問題。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在混凝土梁中以拋物線形式存在，預(yù)應(yīng)力張拉后預(yù)應(yīng)力曲線提供和結(jié)構(gòu)受力荷載反向的等效荷載，用于抵消構(gòu)件恒荷載和部分活荷載，為保證預(yù)應(yīng)力作用效果，需嚴格控制預(yù)應(yīng)力筋線型和數(shù)量。其中預(yù)應(yīng)力筋線型是影響預(yù)應(yīng)力摩擦損失的重要影響因素，故預(yù)應(yīng)力筋穿束施工工序非常重要。

本工程緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋選用規(guī)格直徑21.8 mm，重量2.95 kg/m，截面面積為313 mm2。待支好梁底模并綁扎完成梁普通鋼筋(除拉筋外)后，根據(jù)設(shè)計圖紙焊接定位筋，由于鋼絞線直徑增加導(dǎo)致剛度與重量增加，要求定位筋直徑不得小于12 mm，梁內(nèi)定位筋間距不宜大于1.2 m，且定位筋位置保證預(yù)應(yīng)力筋位于預(yù)應(yīng)力線型中心。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋束內(nèi)線與線相對位置應(yīng)固定且整束線在整個梁中的空間位置也應(yīng)穩(wěn)定可靠，宜用扎絲在整束穿筋結(jié)束后進行整束綁扎且牢固。成束布置預(yù)應(yīng)力筋時，預(yù)應(yīng)力束與定位筋間應(yīng)進行綁扎且保證可靠，避免在后續(xù)施工過程中由于擾動出現(xiàn)的束內(nèi)線間的纏繞現(xiàn)象，以及整束線形發(fā)生改變的現(xiàn)象發(fā)生。為保證有效預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計要求，應(yīng)平行順直的穿設(shè)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并要求不大于30 mm的水平偏擺距離和不大于15 mm的豎向偏差(圖2)。

圖2 預(yù)應(yīng)力線型控制

3.2 錨固系統(tǒng)處理

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為單根單拉型，其錨固節(jié)點尺寸小，可在梁端非加密區(qū)進行撅起內(nèi)凹式張拉操作。采用內(nèi)凹式張拉時，將承壓板固定在構(gòu)件表面足夠深度處使錨具不露出構(gòu)件表面，為保證張拉時千斤頂有足夠的空間，應(yīng)及時調(diào)整承壓板周圍鋼筋的位置。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉撅起操作會增加預(yù)應(yīng)力線型彎起角度，增加預(yù)應(yīng)力張拉摩擦損失，需保證預(yù)應(yīng)力筋彎折曲率半徑不得小于4.0 m，張拉撅起角度控制在15～20 °之間(圖3)。

圖3 梁頂張拉端撅起

對于固定端而言，梁中預(yù)應(yīng)力筋通常情況下多且位置相對集中，如果梁整束預(yù)應(yīng)力筋固定端重疊放在一個位置容易造成混凝土澆筑時固定端部分澆筑不密實，不能承受預(yù)應(yīng)力筋張拉時的張拉力進而影響施工質(zhì)量和張拉效果。故梁固定端端部應(yīng)相對前后上下錯落布置，不宜重疊。如圖4所示分層錯落布置。

圖4 固定端固定

4 預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失的計算

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉前需對張拉槽進行清理，將承壓板表面混凝土剔鑿干凈，并檢查承壓板后混凝土是否密實，后安裝張拉錨具。

4.1 張拉控制力

采用“雙控法”進行張拉作業(yè)即采用張拉力與伸長值雙控，其中以張拉力為主要控制因素，張拉伸長量做校核。取鋼絞線標準強度值的75 %作為張拉控制應(yīng)力，并超張拉3 %，即：

1860×0.75×1.03=1436.85 MPa。

21.8 mm緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制力為：

1436.85×313=449.734 kN

4.2 理論伸長值

預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉理論伸長值計算公式：

式中：Fpm為預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力(N)；Lp為預(yù)應(yīng)力筋的長度(mm)；Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面面積(mm2)；Ep為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量(N/mm2)。

Fpm=Fp(1+e-κx-μθ)/2

式中：Fpm為預(yù)應(yīng)力筋平均張拉力(N)；Fp為預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉控制應(yīng)力(N)；X為從張拉端至計算截面的曲線長度(m)；θ為從張拉端至計算截面曲線部分切線的夾角之和；κ為護套壁每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；μ為預(yù)應(yīng)力筋與護套壁之間的摩擦系數(shù)。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉采用雙控法張拉方式，以理論伸長值控制為主，張拉力控制為輔。要求實際張拉伸長值與理論張拉伸長值相差不得超過理論伸長值的±6 %。本文以高平東站部分預(yù)應(yīng)力梁張拉數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長值分布規(guī)律，計算緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋實際摩擦系數(shù)。

本文以高平東站候車廳層預(yù)應(yīng)力梁YKL與YL1為例，如圖5所示，計算其理論伸長值并對比現(xiàn)場實際張拉效果，其計算結(jié)果與張拉結(jié)果如表2所示。

(a)YKL1 立面曲線定位

(b)YKL2立面曲線定位圖5 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力立面曲線定位(單位：mm)

表 2 預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)

由以上結(jié)果可知，實際張拉伸長值均在理論偏差±6 %以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，但根據(jù)張拉結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其理論伸長值均在正偏差范圍內(nèi)，分析原因為其實際張拉摩擦損失要小于理論計算值。JGJ 387-2017《緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋局部偏差系數(shù)κ=0.006，μ=0.12。根據(jù)張拉試驗結(jié)果，實際值應(yīng)小于規(guī)范值。根據(jù)實際張拉伸長值反推算預(yù)應(yīng)力摩擦損失見表3。

采用二元線性回歸法分析數(shù)據(jù)[5]，計算管道曲率摩擦系數(shù)μ和局部偏差系數(shù)κ。

表 3 預(yù)應(yīng)力損失

式中：n為實際測試的管道數(shù)量；Ci為第i個管道對應(yīng)的ln(P1/P2)，P1、P2分別為主動端和被動端傳感器壓力值(kN)；li為第i個孔道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力束的水平投影長度(m);θi為第i個孔道對應(yīng)預(yù)應(yīng)力束的空間曲線包角(rad)。

根據(jù)以上線性回歸方程，求得現(xiàn)場實際張拉時，局部偏差系數(shù)κ=0.004 98，曲率摩擦系數(shù)μ=0.088，低于規(guī)范允許值。

緩凝粘合劑是一種溫度敏感型材料，其粘度與溫度直接相關(guān)。溫度越低粘性越大，粘滯力引起的預(yù)應(yīng)力損失越大[6]。在張拉適用期內(nèi)，現(xiàn)場張拉表明，當溫度高于25 ℃時，緩凝粘合劑對鋼絞線的粘滯力幾乎很小。其張拉摩擦損失要比理論計算值要小。

5 緩粘結(jié)與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉對比

以YKL1為例，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦系數(shù)u=0.12，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力摩擦系數(shù)u=0.25。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁筋采用群錨的方式，這種方式為對張拉端出頭錨定位置及張拉空間有更高的要求，需要對其進行深化做加腋處理，如圖6所示，意味著有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋除了拋物線(立面)彎曲還具有平面外彎曲。

圖6 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉加腋(單位:mm)

如圖6所示，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋平面外曲線包括曲線段AB與曲線段BC兩段，和緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方案相比，有粘結(jié)方案增加兩段曲線，造成額外的摩擦損失。AB段與BC段投影長度均為L=1700 mm，AB段高度450 mm，BC端高度為200 mm，經(jīng)計算，平面外彎曲角度為0.718 rad，共計預(yù)應(yīng)力摩擦損失為244.7 MPa，約占張拉控制應(yīng)力的17.5 %。

根據(jù)以上計算結(jié)果，同等預(yù)應(yīng)力等效應(yīng)力情況下，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式節(jié)省。

6 結(jié) 論

本文以高平東站緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工為例，分析施工過程對預(yù)應(yīng)力摩擦損失的影響，結(jié)論總結(jié)如下：

(1)在現(xiàn)場溫度高于25 ℃時，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力實際摩擦損失要低于規(guī)范值；

(2)綜上所述，要保證緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力工程張拉質(zhì)量需要對整個緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工各個主要施工節(jié)點進行嚴格管理控制。通過對高平東站緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工過程關(guān)鍵節(jié)點解析，可為類似工程提供有益參考及借鑒；

(3)同有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相比，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力形式更能節(jié)省材料，更能實現(xiàn)經(jīng)濟與社會效益，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力終將帶來預(yù)應(yīng)力行業(yè)的變革。