吳轉(zhuǎn)琴
(中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088)
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)是一種新的預(yù)應(yīng)力技術(shù)[1],與無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比,由于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的黏結(jié)作用,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的延性、抗震性、抗裂性、耐疲勞性能;與有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比,不需要預(yù)埋波紋管和灌漿,施工工藝更加簡(jiǎn)單,單孔錨固避免了群錨的復(fù)雜構(gòu)造,因此,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有比無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力和有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力更廣泛的適用性和應(yīng)用前景。
日本在1987年開(kāi)始研制緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋[2],并于1996年開(kāi)始應(yīng)用于橋梁的橫向預(yù)應(yīng)力部位,2001年應(yīng)用在橋梁的縱向預(yù)應(yīng)力部位。我國(guó)鐵路橋梁也在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始研究采用緩凝砂漿作為膠黏劑[2-4]的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù),并應(yīng)用在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中。2002年中冶建筑研究總院有限公司[5-9]和天津市建筑科學(xué)研究院[10]開(kāi)始用環(huán)氧樹(shù)脂作為膠黏劑研制緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。2006年緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)線研制成功[8]并在工程中應(yīng)用,2008年緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)并開(kāi)始編制。
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造見(jiàn)圖1,在預(yù)應(yīng)力筋的外側(cè)、外包護(hù)套內(nèi)部包裹一定厚度的特殊膠凝材料,其前期相當(dāng)于無(wú)黏結(jié)的防腐油脂,具有一定流動(dòng)性及對(duì)鋼材良好的附著性;經(jīng)擠壓涂包工藝將預(yù)應(yīng)力鋼絞線及外包護(hù)套內(nèi)的空隙填充并緊密封裹,緩黏結(jié)黏合劑隨著時(shí)間逐漸固化,與預(yù)應(yīng)力筋、外包護(hù)套之間產(chǎn)生黏結(jié)力。外包高強(qiáng)度護(hù)套表面通過(guò)機(jī)械壓出具有一定高度的橫肋,當(dāng)膠凝材料完全固化后,通過(guò)緩黏結(jié)黏合劑與護(hù)套的橫肋與周圍混凝土咬合,預(yù)應(yīng)力鋼絞線不能在混凝土中自由滑動(dòng),緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土便產(chǎn)生了黏結(jié)錨固作用。
圖1 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋示意圖
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線是單根鋼絞線通過(guò)涂敷黏合劑和涂包護(hù)套形成的,與無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的構(gòu)造相似,因此,它具有無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工方便的優(yōu)點(diǎn),可以單根鋼絞線布置,更適合于布置在板內(nèi),特別是橋面板內(nèi);克服了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力波紋管、群錨、螺旋筋在鋼筋密集處布置困難的問(wèn)題。從緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的咬合錨固原理可以看出,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的關(guān)鍵有兩點(diǎn):首先是可以控制固化時(shí)間的緩黏結(jié)黏合劑,使預(yù)應(yīng)力鋼絞線前期像無(wú)黏結(jié)筋一樣可以自由滑動(dòng)和張拉;其次是緩黏結(jié)鋼絞線外包護(hù)套的橫肋,通過(guò)橫肋可以使鋼絞線與混凝土緊密咬合,產(chǎn)生可靠黏結(jié),達(dá)到有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的黏結(jié)效果和力學(xué)性能。另外,緩黏結(jié)黏合劑具有一定的防腐作用,黏合劑與鋼絞線緊密結(jié)合,可以提高鋼絞線的耐腐蝕性能。
不同廠家生產(chǎn)的緩凝結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線初始黏度不同,外包護(hù)套橫肋形狀不同,張拉時(shí)間不同,因此,摩擦系數(shù)也有所不同,從目前發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看摩擦系數(shù)相差較大。
文獻(xiàn)[6]測(cè)試了橫肋較小、早期張拉的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線,得到偏差摩擦系數(shù)κ=0.003 8,摩擦系數(shù)μ=0.074;
文獻(xiàn)[13]測(cè)試15 d齡期緩黏結(jié)鋼絞線,κ值在前期穩(wěn)步增長(zhǎng),從0.003 4~0.012 0,存在一個(gè)迅速增長(zhǎng)時(shí)間,很快增長(zhǎng)到0.114 8,μ值與黏合劑黏度差別不大,基本為0.20。
測(cè)試的張拉適用期2個(gè)月的緩黏結(jié)鋼絞線,40 d進(jìn)行張拉時(shí),局部偏差摩擦系數(shù)κ約為0.007 7;當(dāng)達(dá)到張拉適用期的臨界期限60 d時(shí)張拉,局部偏差摩擦系數(shù)κ約為0.010 2,可見(jiàn),局部偏差系數(shù)與鋼絞線生產(chǎn)后的齡期有關(guān),隨著齡期增大,系數(shù)增大,摩擦損失增大,因此應(yīng)該控制在張拉適用期內(nèi)張拉;當(dāng)達(dá)到張拉適用期的臨界期限時(shí)張拉,摩擦系數(shù)μ值在0.089 0~0.120 9之間,平均為0.102 6,與無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的摩擦系數(shù)相差不大。
緩黏結(jié)黏合劑在固化后具有很高的強(qiáng)度,能夠保證黏合劑與鋼絞線有足夠的黏結(jié)力,緩黏結(jié)黏合劑的強(qiáng)度是保證緩黏結(jié)鋼絞線與混凝土之間黏結(jié)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。為此,對(duì)固化后黏合劑進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試,試件尺寸為160 mm ×40 mm ×40 mm。根據(jù)試驗(yàn)研究[9],圖 2為試件立著受壓的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,緩黏結(jié)黏合劑固化后強(qiáng)度和彈性模量:抗拉強(qiáng)度≥25 MPa,抗壓強(qiáng)度≥50 MPa,拉剪強(qiáng)度≥10 MPa(金屬—金屬間),彈性模量≥2.17×103MPa。
圖2 黏合劑固化后受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的錨固性能是保證緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土力學(xué)性能優(yōu)于無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),只有保證緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間可靠的黏結(jié)錨固性能,緩黏結(jié)鋼絞線在混凝土內(nèi)滑移需要吸收能量,才可以保證混凝土結(jié)構(gòu)的延性,保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震延性、更好的抗裂性能和更高的承載能力。
按圖3制作試件,試件尺寸采用150 mm的立方體,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,兩端部設(shè)置 PVC套管,使緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土分開(kāi),套管直徑30 mm,長(zhǎng)度各37 mm;φ6 mm箍筋4個(gè),緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)錨固長(zhǎng)度取5倍鋼絞線直徑,為76 mm。緩黏結(jié)黏合劑固化且混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后通過(guò)千斤頂對(duì)鋼絞線施加拉力,檢測(cè)鋼絞線非張拉端的滑移量,測(cè)量滑移量及相應(yīng)的拉力值。
圖3 試件主要尺寸(單位:mm)
圖4為拉拔試驗(yàn)測(cè)得的黏結(jié)剪切應(yīng)力—滑移之間的關(guān)系,可以看出:緩黏結(jié)鋼絞線的黏結(jié)產(chǎn)生的剪切強(qiáng)度非常高,可以達(dá)到4 MPa;滑移量在0.5 mm時(shí),強(qiáng)度就達(dá)到2.5 MPa;滑移量大,但是沒(méi)有發(fā)生黏結(jié)破壞,這可以提高鋼絞線與混凝土之間滑動(dòng)所吸收的能量,也就是提高結(jié)構(gòu)的延性,提高吸收地震能量的能力,提高預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能。
圖4 緩黏結(jié)鋼絞線荷載—滑移曲線
滯回曲線試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)地震荷載作用下延性和吸收地震能量能力的基本試驗(yàn)。圖5是緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載下試驗(yàn)試件,將柱子上端壓住并左右固定,在梁的右端施加上、下低周反復(fù)荷載,得到圖6所示的荷載—位移滯回曲線。
圖5 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)(單位:mm)
圖6 緩黏結(jié)梁柱節(jié)點(diǎn)荷載—位移滯回曲線
從滯回曲線可以看出,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載—位移滯回曲線開(kāi)始呈梭形,后逐步轉(zhuǎn)換為弓形;滯回環(huán)出現(xiàn)一定程度的捏縮現(xiàn)象,且捏攏程度隨加載過(guò)程逐次加大,表明鋼筋滑移的影響隨著變形的加大而增大。因?yàn)榉菍?duì)稱配筋、P—Δ效應(yīng)和材料離散性的影響,滯回曲線均表現(xiàn)出拉、壓不對(duì)稱性。僅配置普通鋼筋一側(cè)具有明顯的屈服點(diǎn),配置預(yù)應(yīng)力筋一側(cè)屈服點(diǎn)不明顯,僅配置普通筋一側(cè)的承載力率先進(jìn)入退化階段后,配置預(yù)應(yīng)力筋一側(cè)的承載力仍然可以繼續(xù)增大。
位移延性系數(shù)μΔ是構(gòu)件破壞變形與屈服變形的比值,它反映了結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在屈服后塑性變形的能力,較大的變形能力就能吸收和耗散較大的能量。梁端位移延性系數(shù)μΔ采用極限荷載時(shí)梁端豎向位移與節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)梁端豎向位移進(jìn)行計(jì)算,試驗(yàn)測(cè)得 μΔ=3.86,滿足抗震性能及延性系數(shù)μΔ≥3的要求。
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎時(shí)表現(xiàn)出與有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁相近的力學(xué)性能[10]:緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁在開(kāi)裂前基本處于線彈性工作階段,撓度與荷載基本成線性關(guān)系;開(kāi)裂彎矩和極限彎矩與按有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力理論所得的計(jì)算值較為接近;緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)梁破壞時(shí)裂縫均勻分布在純彎段,表明緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和混凝土之間具有足夠的黏結(jié)力;緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)梁的撓度在開(kāi)裂前與按有黏結(jié)理論得到的計(jì)算值相近,表明按照有黏結(jié)理論來(lái)計(jì)算緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的撓度是可行的。
文獻(xiàn)[12]對(duì)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土 T梁裂縫寬度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了裂縫寬度計(jì)算公式(1),并與《橋規(guī)》(JTG D62)進(jìn)行了對(duì)比。
式中 σss—受拉鋼筋應(yīng)力;
Es—鋼筋彈性模量;
ρ—配筋率。
緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)用在橋梁結(jié)構(gòu)中首要的問(wèn)題是緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能,通過(guò)對(duì)12根緩黏結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能的試驗(yàn)研究得出了如下結(jié)論[14-15]:緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁與同條件的灌漿有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比,疲勞壽命稍高;給出了部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞演算的建議公式,計(jì)算公式與試驗(yàn)吻合較好;給出了考慮疲勞荷載的裂縫寬度計(jì)算公式。
我國(guó)2000年前后在橋梁中采用手敷緩凝砂漿的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行試點(diǎn),2004年天津力神電池?cái)U(kuò)建項(xiàng)目中采用了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)[11],2006年研制出自動(dòng)成肋的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)線[9],緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線逐漸標(biāo)準(zhǔn)化,目前已經(jīng)完成40余項(xiàng)工程項(xiàng)目,項(xiàng)目遍及北京、天津、河南、河北、內(nèi)蒙等地,工程包括機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、體育場(chǎng)館、展覽中心、禮堂、圖書館、火車站等,主要作用包括控制溫度收縮裂縫、滿足大跨度梁承載力及抗裂、提高框架梁抗震延性等。
1)鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓
建筑主體面積6.8萬(wàn) m2,建筑物地上兩層,地下一層,主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土梁采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù),有效降低梁截面尺寸、減小構(gòu)件的裂縫和撓度;對(duì)于混凝土板,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力主梁截面高度大部分為1 000 mm,最大跨度約18.0 m,預(yù)應(yīng)力井字梁截面高度大部分為800 mm。部分柱子為鋼骨柱,主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋一部分從鋼骨中穿過(guò),其余部分從梁柱節(jié)點(diǎn)加腋區(qū)繞過(guò),采用有黏結(jié)波紋管是很難穿過(guò)的。
2)準(zhǔn)格爾旗大路新區(qū)體育場(chǎng)
該工程?hào)|西寬240 m,南北長(zhǎng)260 m,頂部罩棚采用管桁架鋼結(jié)構(gòu),看臺(tái)采用混凝土結(jié)構(gòu)。
體育場(chǎng)周長(zhǎng)800 m,分成8個(gè)獨(dú)立區(qū)域,每個(gè)獨(dú)立區(qū)域長(zhǎng)約100 m,超過(guò)規(guī)范規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)長(zhǎng)度,故溫度和混凝土收縮應(yīng)力需要采取措施解決。體育場(chǎng)頂部罩棚的管桁架鋼結(jié)構(gòu),管桁架支撐于兩根混凝土柱上,風(fēng)荷載下柱子受到拉力作用,為防止鋼桁架下混凝土柱在風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉力作用下開(kāi)裂,在混凝土柱內(nèi)配置緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。
3)中國(guó)人民大學(xué)圖書館工程
工程為五層混凝土框架結(jié)構(gòu),中間部分為跨度16.8 m的混凝土框架梁和次梁,采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)有效地解決了大跨度梁的開(kāi)裂問(wèn)題,同時(shí)解決了框架梁的端部錨具構(gòu)造和布置問(wèn)題。
4)承德城市規(guī)劃展覽館工程
工程為32.4 m×33.2 m跨井字梁結(jié)構(gòu),采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以在500 mm寬梁內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力筋,比有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力布置波紋管更加方便,同時(shí),端部張拉端柱子配筋較密,有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的群錨幾乎是不能布置的,而采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的單孔夾片錨很容易實(shí)現(xiàn)錨具布置和預(yù)應(yīng)力張拉。
5)錦州南站、??嫡尽㈦p遼站
目前許多火車站擴(kuò)建也都采用了大跨度混凝土結(jié)構(gòu),如錦州南站跨度為18.0 m,??嫡究缍葹?3.7 m,雙遼站跨度為24.3 m,均采用了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)控制大跨度混凝土梁的開(kāi)裂。
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了混凝土抗壓強(qiáng)度和高強(qiáng)鋼材的抗拉強(qiáng)度,是我國(guó)建筑業(yè)推廣的10項(xiàng)新技術(shù)之一,而緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)是傳統(tǒng)有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)。試驗(yàn)研究表明,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)鋼絞線黏結(jié)錨固性能、梁彎曲性能、節(jié)點(diǎn)抗震延性、梁疲勞性能等都可以達(dá)到有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的效果,工程實(shí)踐也顯示出其簡(jiǎn)單的施工工藝。
兩部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在報(bào)批中,設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)程也將很快完成,三部標(biāo)準(zhǔn)將指導(dǎo)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的生產(chǎn)、緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收,進(jìn)一步規(guī)范和促進(jìn)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的推廣應(yīng)用。
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