緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)試驗研究
趙建昌 王起才
摘 要: 通過緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件實驗研究, 給出了不同齡期下張拉預(yù)應(yīng)力筋所需克服的摩阻力范圍,從開裂彎矩、極限彎矩、裂縫形式和荷載2撓度曲線等各個方面, 把緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與傳統(tǒng)的后張法(有粘結(jié)、無
粘結(jié)) 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進行了對比分析, 得出緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在張拉兩個月后, 其工作性能可等同于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的結(jié)論, 為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 緩粘結(jié); 預(yù)應(yīng)力混凝土梁; 實驗研究; 張拉摩阻力; 工作性能
預(yù)應(yīng)力混凝土體系按設(shè)計和施工方法不同可分為兩大類, 即先張法和后張法。在后張法中, 按預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間有無粘結(jié)又可分為無粘結(jié)和有粘結(jié)。在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系中, 預(yù)應(yīng)力筋的布置具有靈活方便,無成孔和灌漿等煩瑣和復雜的施工工序, 一出現(xiàn)就受到工程界的廣泛重視, 并得到大量使用, 但由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在工作中所受的預(yù)應(yīng)力幾乎處處相等, 易造成預(yù)應(yīng)力筋和錨具疲勞問題, 同時還存在受拉區(qū)混凝土裂縫數(shù)量少, 寬度大, 易使預(yù)應(yīng)力筋銹蝕和強度利用率低的缺點。而有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系克服了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系在工作中表現(xiàn)出來的問題和缺點, 但施工工藝要求的預(yù)留孔道和孔道灌漿等過程, 造成施工干擾大,孔道灌漿堵塞以及成孔后在灌漿前和灌漿中易形成月牙槽, 降低灌漿材料與預(yù)應(yīng)力筋的粘結(jié), 同時也易造成預(yù)應(yīng)力筋銹蝕等問題。這兩種預(yù)應(yīng)力體系既有優(yōu)點, 也有自身難以克服的缺點, 如何把二者相結(jié)合, 揚長避短, 發(fā)揮各自優(yōu)勢是預(yù)應(yīng)力混凝土研究者一直在探索問題。鐵道第一勘察設(shè)計院預(yù)應(yīng)力技術(shù)開發(fā)中心在總結(jié)多年預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工實踐的基礎(chǔ)上, 與蘭州鐵道學院合作, 提出了一種新型預(yù)應(yīng)力混凝土體系——緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系, 即不預(yù)留孔道, 不需孔道灌漿, 施工時與無粘結(jié)體系一樣, 而在施工完成后,靠包裹于預(yù)應(yīng)力筋上的緩凝砂漿隨時間延長而逐漸凝結(jié)硬化達到與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋體系幾乎完全相同的效果。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的優(yōu)點是顯而易見的, 但是在應(yīng)用中, 由于缺乏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)試驗, 設(shè)計者主要參考后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的有關(guān)參數(shù)和設(shè)計方法, 這種做法是否恰當是設(shè)計者普遍關(guān)心的問題。本文通過緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件試驗研究, 給出了不同齡期下張拉預(yù)應(yīng)力筋所需克服的摩阻力的范圍, 從開裂彎矩、極限彎矩、裂縫形式和荷載2撓度曲線等各個方面,把緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與傳統(tǒng)的后張法(有粘結(jié)、無粘結(jié)) 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進行了對比分析, 得出了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在張拉兩個月后, 其工作性能與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件幾乎一樣的結(jié)論, 為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計提供了依據(jù)。
1 實驗簡介
1. 1 實驗方案
根據(jù)實驗?zāi)康? 考慮張拉時現(xiàn)場可能出現(xiàn)的情況,將張拉時間分為10 d、15 d、20 d、25 d 共計4 個時段。預(yù)應(yīng)力配筋方式分為直線筋和曲線筋兩種。在直線配筋方式中, 考慮預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后, 構(gòu)件可能經(jīng)歷的3 種環(huán)境, 即(1) 張拉后, 不久就被搬運; (2) 緩凝砂漿未達設(shè)計強度就承受荷載; (3) 緩凝砂漿達到設(shè)計強度后, 才承受荷載。為了使緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的工作性能與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力試件和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的工作性能有一個對比, 各安排兩組無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋采用在預(yù)應(yīng)力筋表面涂一層黃油后再套上波紋管的方法; 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力試件采用先預(yù)留孔洞, 等混凝土強度達到100% 時, 張拉預(yù)應(yīng)力筋, 再孔道灌漿的傳統(tǒng)方法, 為了進一步考察緩凝砂漿結(jié)硬后, 與混凝土和預(yù)應(yīng)力筋是否達到牢靠粘結(jié)、共同變形的要求, 采用加載試驗完成后, 劈開試件, 肉眼直接觀察的方法并取樣測定其強度。試驗具體方案見表1, 共計20 個試件。
1. 2 試件制作
采用C40 混凝土, 配合比為水泥∶砂∶石= 1∶1. 37∶2. 73。水泥采用硅酸鹽水泥, 碎卵石粒徑為0. 5～ 2. 0 cm , 直線配筋試件如圖1,曲線配筋試件如圖2。鋼模自然養(yǎng)護, 緩凝砂漿30 d 后逐漸硬化, 3 個月后最終硬化, 其抗壓強度達30M Pa。試件制作的同時, 每一試件分別留150 mm ×150 mm ×150 mm 的立方體試塊和3 個100 mm ×100 mm ×300 mm 的棱柱體試塊, 預(yù)應(yīng)力鋼絞線也分別留有試樣, 以便測其材性; 緩凝砂漿留試塊, 以便測定緩凝砂漿的性質(zhì)和最終的強度。
圖1 直線配筋試件
圖2 曲線配筋試件
1. 3 預(yù)應(yīng)力筋的張拉嚴格按試驗安排的張拉時間進行, 張拉時觀察張拉端和非張拉端應(yīng)力傳感器變化。以非張拉端傳感器有反映作為預(yù)應(yīng)力筋被拉動, 即靜摩阻力被克服為標志。然后再分級張拉。張拉油壓分級為5. 5、11、16、22、27、30、32M Pa 及錨固共8 級, 并分別記錄張拉端和非張拉端應(yīng)力傳感器的應(yīng)變讀數(shù)。
1. 4 試件支座安裝及加載試驗時支座及加載裝置和儀器布置如圖3。試件就位, 后用水準儀觀察調(diào)整支座的水平度, 盡可能使二者位于同一水平線。采用油壓千斤頂加載, 以5 kN 分級加載, 每級荷載間的時間間隔為5 m in, 加載時注意觀察裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的情況。
圖3 加載裝置及儀器布置圖
2 試驗結(jié)果及分析
2. 1 張拉摩阻力以非張拉端傳感器有反應(yīng)時, 張拉端所測得的張拉力除以試件長度, 計算出單位長度靜摩阻力; 以張拉端傳感器讀得的張拉力減去非張拉端傳感器讀得的張拉力再除以試件長度, 計算出單位長度動摩阻力, 動摩阻力始終小于靜摩阻力。不同齡期下的靜摩阻力見表2。
從表2 中可以看出, 不同齡期直線配筋靜摩阻力以齡期10～ 15 d 時最低, 最大為1. 33 kN öm , 單位面積摩阻力為4. 45N ö cm 2。不同齡期曲線配筋摩阻力普遍大于直線配筋摩阻力, 齡期10 d 時為1. 5 kN öm , 20d 時為2. 33 kN öm 。為了進一步弄清楚張拉摩阻力與張拉齡期之間的關(guān)系, 本文對張拉摩阻力另外進行了齡期為5 、11、14 、18、21、24 、28、32、38 、44 、49 、54、61、66 共14 組、每組3 根預(yù)應(yīng)力筋的專題試驗,獲得了張拉齡期與張拉摩阻力(靜摩阻力和動摩阻力)關(guān)系曲線, 如圖4。從圖4 可以看出: (1) 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋, 齡期30 d 前張拉摩阻力基本上保持穩(wěn)定, 單位面積靜摩阻力在3. 0～ 4. 5 N ö cm 2 之間, 單位面積動摩阻力在1. 77～ 3. 5 N ö cm 2 之間。這說明超效緩凝砂漿能夠保持30 d 不硬化, 并具有相當大的可塑性; (2) 齡期大于30 d 后, 張拉摩阻力急劇增大, 齡期大于60 d后, 張拉摩阻力達到145 N ö cm 2, 這時摩阻力實際主要由粘結(jié)力提供。這說明超效緩凝砂漿30 d 后開始硬化, 一旦開始硬化, 其摩阻力迅速增大。
2. 2 開裂彎矩、極限彎矩構(gòu)件從開始加載到破壞, 開裂彎矩、極限彎矩見表3—1 和表3—2。
從表3—1 可以看出, 同一張拉齡期下極限彎矩, 1個月時加載構(gòu)件(5—1, 5—2) 的極限彎矩與無粘結(jié)構(gòu)件(7—1, 7—2) 的極限彎矩十分接近, 說明1 個月時緩凝砂漿尚未完全凝固, 這時梁的表現(xiàn)如同無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件; 2 個月后加載構(gòu)件(4—1, 4—2) , (6—1, 6—2)的極限彎矩與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)件(8—1, 8—2) 的極限彎矩十分接近, 說明2 個月后緩凝砂漿已完全凝結(jié),起到了把預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)在一起的作用, 預(yù)應(yīng)力筋與混凝土能共同工作, 協(xié)同變形。曲線配筋的構(gòu)件(10—1, 10—2) 的極限彎矩接近直線配筋的構(gòu)件(4—1, 4—2) , (6—1, 6—2)。從表3—2 可以看出, 張拉齡期對極限彎矩有一定的影響, 張拉齡期為20 d 時最大。對于開裂彎矩, 從表3—1 和表3—2 可以看出, 無論是同一張拉齡期還是不同張拉齡期都十分接近, 說明張拉齡期和張拉環(huán)境對構(gòu)件的開裂彎矩影響不大; 曲線配筋構(gòu)件的開裂彎矩低于直線配筋構(gòu)件。這是因為曲線筋張拉摩阻力大于直線配筋, 跨中有效預(yù)應(yīng)力小的緣故。
2. 3 裂縫形式
圖5 為同一張拉齡期緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件5—1 (1個月后加載)、4—1、6—1 (2 個月后加載)、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件7—1、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件8—1 和緩粘結(jié)曲線配筋預(yù)應(yīng)力構(gòu)件10—1 的裂縫分布情況。從裂縫形式的對比可以看出: 構(gòu)件5—1 與構(gòu)件7—1 的裂縫形式類似, 說明1 個月時加載, 構(gòu)件的裂縫形式與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件類似, 具有無粘結(jié)構(gòu)件的特征。構(gòu)件4—1、6—1 和8—1 的裂縫間距比較均勻且十分類似, 說明2 個月加載時, 構(gòu)件的裂縫形式已具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件特點; 曲線緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件10—1, 2 個月加載時, 同樣也已具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的裂縫特點。
2. 4 實測荷載2撓度(p 2f ) 曲線圖6 為構(gòu)件4—1、6—1、7—1、8—1 張拉2 個月后加載時的荷載2撓度(p 2f ) 曲線。從圖6 可以看出, 張拉2 個月后, 加載的構(gòu)件4—1、6—1 的p 2f 曲線與無粘結(jié)構(gòu)件7—1 的p 2f 曲線有明顯的差別, 而與有粘結(jié)構(gòu)件8—1 的p 2f 曲線十分接近。說明它們都已具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件特征。
2. 5 緩凝砂漿與混凝土實際結(jié)合情況為了進一步考察緩凝砂漿與混凝土實際結(jié)合情況, 對部分2 個月后加載破壞的試件進行了劈開檢驗,劈開后當即進行了現(xiàn)場取樣。緩凝砂漿樣品的平均強度為33. 5M Pa, 緩凝砂漿、鋼絞線與混凝土三者結(jié)合良好, 無后張法中孔道灌漿時經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷。進一步驗證了2 個月后緩凝砂漿完全可以起到把預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)在一起的作用。綜上所述, 可以認為緩粘結(jié)筋在1～ 30 d 內(nèi)張拉是可行的, 齡期為10～ 15 d 內(nèi)張拉較理想, 單位面積靜摩阻力可在3. 0～ 4. 5 N ö cm 2之間取值; 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在張拉2 個月后, 完全可以視為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。
圖5 裂縫分布形式
圖6 荷載2撓度(p 2f ) 曲線
3 結(jié)語
緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土體系通過超效緩凝材料把后張法中的無粘結(jié)體系和有粘結(jié)體系相結(jié)合, 取長補短,發(fā)揮各自優(yōu)勢, 已先后在上海市成都路橋梁工程(20m 空心板梁) , 廣西黎欽地方鐵路重點工程—— 飛龍郁江特大橋(橫向預(yù)應(yīng)力) 和甘肅蘭州橋梁工程銀灘黃河大橋(箱梁隔板豎向預(yù)應(yīng)力及橋面橫向預(yù)應(yīng)力) 等工程上成功應(yīng)用, 張拉長度已超過20 m , 取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。在設(shè)計方面, 由于緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在張拉2 個月后, 完全可以視為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件, 故這種新型預(yù)應(yīng)力體系, 設(shè)計時, 除了張拉摩阻力與后張法取值不同外, 其余與后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系完全相同。
