摘要：基于折線配筋先張梁現(xiàn)有彎起器導(dǎo)向半徑較小而導(dǎo)致鋼絞線在起彎點(diǎn)形成“折點(diǎn)”的不足，選用特定半徑與彎折角度，設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)方案，研究了不同導(dǎo)向半徑R與不同彎折角度θ條件下，彎起器對鋼絞線極限強(qiáng)度、延性性能、摩阻系數(shù)的影響規(guī)律，并深入分析了試驗(yàn)現(xiàn)象與影響規(guī)律的產(chǎn)生機(jī)理，得出彎起器導(dǎo)向半徑R在滿足結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造要求前提下應(yīng)盡量取大值，受限時(shí)也不宜小于100 mm的結(jié)論；同時(shí)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了考慮不同導(dǎo)向半徑R影響的彎起器摩阻預(yù)應(yīng)力損失的統(tǒng)一計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力材料；鋼絞線；極限強(qiáng)度；預(yù)應(yīng)力損失；折線配筋先張梁；彎起器

中圖分類號：TU378.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）03-0095-06

Experimental Analysis on Steel Strand Mechanical Property Considering

the Affection of Guiding Radius in the Polyline Pretensioned Beams

Huang Wenxiong1，2，3 ， Tan Liying 3

（1.School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434023， P.R.China；

2.Yangtze University Institute of Design and Research， Jingzhou 434023， P.R.China；

3.Jingzhou Research Insititute of Urban Planning Design， Jingzhou 434000， P.R.China）

Abstract：Based on the fact that existing bend component is tend to produce inflection point on the steel strand by its small radius， the experiment is designed to study the influence of steel strand mechanical properties by bend component with specific radius R and bending angle θ. The law and mechanism of ultimate strength， ductility of steel strand and prestressing loss due to friction affected by R and θ is analyzed detailly. The results show that the radius of bend component should be as large as possible to improve the mechanical property of steel strand， and it shouldnt less than 100mm when the size is limited. In addition， the uniform calculating formulas of prestressing loss due to friction is presented based on experiment data， which take the affection factor of R into account.

Key words：

prestressed materials； steel strand； ultimate strength； prestressing loss； the polyline pretensioned beams （PPSCB）； bend component

折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁采用了與受力相適應(yīng)的布筋方式，解決了先張梁跨度較小的不足，是一種同時(shí)具備先張法與后張法結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)；彎起器是其得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵構(gòu)件[1-2]。目前工程中彎起器主要有滾軸式與拉板式2種，由于受結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造要求限制，難以對起彎點(diǎn)進(jìn)行過多考慮，易使預(yù)應(yīng)力筋在起彎點(diǎn)處形成“折點(diǎn)”，導(dǎo)致鋼絞線極限強(qiáng)度折減、延性性能降低以及預(yù)應(yīng)力摩阻損失增大，在影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，更嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)在施工與使用中的安全性[3-6]。

選取特定半徑R與彎折角度θ，設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)方案，研究了不同導(dǎo)向半徑R與彎折角度θ條件下彎起器對鋼絞線力學(xué)性能的影響規(guī)律，并深入分析了試驗(yàn)現(xiàn)象與影響規(guī)律的產(chǎn)生機(jī)理[7-9]；同時(shí)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于摩阻系數(shù)μ變化規(guī)律的具體特點(diǎn)，提出了考慮不同導(dǎo)向半徑R影響的鋼絞線彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失統(tǒng)一計(jì)算公式，為折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的深入研究與推廣應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

黃文雄，等：考慮折點(diǎn)半徑的折線先張梁鋼鉸線力學(xué)性能試驗(yàn)研究

1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用臥位試驗(yàn)的安裝加載方案，分為直拉試驗(yàn)與彎折拉試驗(yàn)：直拉試驗(yàn)用于鋼絞線基本參數(shù)的測定，并作為彎折拉試驗(yàn)的基礎(chǔ)對比試驗(yàn)；彎折拉試驗(yàn)用于鋼絞線彎折極限強(qiáng)度、延性，以及鋼絞線彎折預(yù)應(yīng)力摩阻損失的測定[10]。選用R=10、19.5、50、100、600 mm共5組半徑作為試驗(yàn)用導(dǎo)向構(gòu)件半徑；考慮工程實(shí)際的多樣與復(fù)雜，選取θ=4.35°、6.45°、8.65°、10.75°、12.85°、14.95°作為試驗(yàn)折角，設(shè)計(jì)了10組如圖1所示的盒狀彎起器。

選取位于盒狀彎起器兩端外側(cè)的Ⅰ、Ⅳ截面與位于盒狀彎起器3塊導(dǎo)向構(gòu)件中間的Ⅱ、Ⅲ截面作為應(yīng)變測試截面；選取F=20 kN作為初始荷載，20%Fm、30%Fm、40%Fm、50%Fm、60%Fm、70%Fm、75%Fm、80%Fm作為特征荷載，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)在初始荷載F=20 kN處開始由QXL-5000試驗(yàn)系統(tǒng)記錄FΔl拉伸試驗(yàn)曲線，同時(shí)記錄其極限拉力與相應(yīng)伸長量，以分析鋼絞線彎折極限強(qiáng)度與延性變化情況；在初始荷載與特征荷載時(shí)持荷1 min后采用DH-3816多測點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)記錄各應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變值，以分析鋼絞線彎折預(yù)應(yīng)力摩阻損失情況。

2試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案，共進(jìn)行了42組鋼鉸線的拉伸試驗(yàn)：直拉試驗(yàn)3組；5種導(dǎo)向半徑6種彎折角度每組一根鋼絞線共30組；另選取R=10、19.5、600 mm 3種導(dǎo)向半徑的常用折角θ=4.35°、6.45°與最大折角θ=14.95°的9組作為校核試驗(yàn)。

2.1鋼絞線極限強(qiáng)度與彎折延性

以鋼絞線強(qiáng)度折減系數(shù)η來表征鋼絞線極限強(qiáng)度變化規(guī)律；以屈服伸長率Ayt來表示鋼絞線延性性能，其中鋼絞線的屈服荷載取Fy=85%·Fm=220 kN[11]。鋼絞線彎折拉強(qiáng)度折減系數(shù)η、屈服伸長率Ayt隨導(dǎo)向半徑R、彎折角度θ的變化情況繪于圖3～圖4。部分鋼絞線破壞狀態(tài)如圖5所示。

1）破壞特征：直拉試驗(yàn)與R較大（R=600 mm）的彎折拉試驗(yàn)時(shí)，鋼絞線一般在試件錨固端部（1根或多根）或應(yīng)變片粘貼處（1根）破斷。而R較?。≧≤50 mm）的彎折拉試驗(yàn)時(shí)鋼絞線多在中間折點(diǎn)破斷；且θ較小時(shí)多為多根破斷，θ較大時(shí)多為與中間折點(diǎn)緊密接觸的1根鋼絲破斷，同時(shí)破斷點(diǎn)處鋼筋壓痕明顯，并形成明顯“折點(diǎn)”；但R=100 mm時(shí)其破壞特征比較復(fù)雜。

2）極限抗拉強(qiáng)度與R及θ的關(guān)系：隨著θ的增大，鋼絞線彎折強(qiáng)度折減系數(shù)ηs呈拋物線趨勢增大，R越小拋物線曲率越大；隨著R的增大，ηs在半對數(shù)坐標(biāo)系中呈下降趨勢，且θ較小時(shí)呈現(xiàn)線性下降，θ較大時(shí)呈拋物線下降；而當(dāng)R≥100 mm時(shí)，ηs隨θ與R的變化曲線均趨于平緩。說明R較小時(shí)θ與R變化對鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度將產(chǎn)生顯著影響，且影響程度隨R的減小、θ的增大而加??；而R較大時(shí)θ與R變化對鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度影響則較小。故而彎起器的導(dǎo)向半徑R在構(gòu)造要求容許時(shí)應(yīng)盡量取大值，受限時(shí)R也宜不小于100 mm。

3）延性性能與R及θ的關(guān)系：隨著θ的增大，Ayt基本上呈線性下降；隨著R的增大，Ayt在半對數(shù)坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出拋物線上升的趨勢，其規(guī)律與fpu基本相似；說明較小的R與較大的θ同樣會大大降低鋼絞線的延性性能。同時(shí)，當(dāng)R=600 mm，θ=8.7°→29.9°時(shí)，fpu折減了6.05%，而Ayt折減了47.12%； θ=8.7°，R=600 mm→10 mm時(shí)，fpu折減了5.63%，而Ayt折減了75.64%；說明θ的增大與R的減小對鋼絞線延性性能的折減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對極限強(qiáng)度的影響；特別是當(dāng)R=100 mm時(shí)，在常用折角范圍內(nèi)強(qiáng)度折減已基本在5%以內(nèi)，但其延性的折減卻仍在50%左右。從延性性能來看，彎起器導(dǎo)向半徑R應(yīng)取得更大一些。

2.2彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失

由于彎折角θ一般較小，由文獻(xiàn)[12-16]彎起器彎折摩擦阻力損失計(jì)算可簡化為如圖6所示[12-16] 。鋼絞線彎起角度為θ，彎起端軸向應(yīng)力為σ1，其豎向向上分力σ1sin θ由彎起器承受，鋼絞線同時(shí)也受到彎起器的反作用力σ1sin θ；水平端軸向應(yīng)力為σ2。此時(shí)，彎起器彎折摩擦阻力損失σl1可表示為：

1）測試數(shù)據(jù)的分析與處理：直拉試驗(yàn)時(shí)各測點(diǎn)測試應(yīng)變值隨拉力的增大基本呈線性增加，在相同拉力作用下各應(yīng)變片測試結(jié)果基本一致。彎折拉試驗(yàn)時(shí)，雖測試應(yīng)變隨拉力也呈增加趨勢，但測試數(shù)據(jù)有一定起伏，同一截面或相同測試條件不同測點(diǎn)之間測試數(shù)據(jù)相差也較大。深入分析可知：測試數(shù)據(jù)雖有起伏，但起伏趨勢將隨著拉力的增大逐漸變緩；相同測試條件不同測點(diǎn)之間測試數(shù)據(jù)相差雖然較大，但拉力較大時(shí)其應(yīng)變增量相差較小。故而可以采用拉力較大時(shí)鋼絞線各測點(diǎn)應(yīng)變增量形式來計(jì)算對應(yīng)試驗(yàn)條件的彎起器摩阻系數(shù)μ；綜合分析所有測試數(shù)據(jù)后，選用特征荷載50%～60%～70%～80%Fm時(shí)測點(diǎn)應(yīng)變增量來進(jìn)行摩阻系數(shù)μ的分析，分析結(jié)果繪于圖7所示。

2）摩阻系數(shù)μ與R及θ的關(guān)系：隨R的增大，在半對數(shù)座標(biāo)系中摩阻系數(shù)μ呈“S”形曲線下降；θ的變化雖對μ會產(chǎn)生一定影響，但影響程度遠(yuǎn)小于R。當(dāng)R≤50 mm時(shí)，摩阻系數(shù)μ隨著R的增大而減小，隨著θ的增大而增大；當(dāng)R≥100 mm時(shí)，摩阻系數(shù)μ隨著R與θ的增大逐漸減小，但趨勢平緩；當(dāng)50 mm

2.3機(jī)理分析

1）破壞特征與應(yīng)變數(shù)據(jù)起伏：錨固因素將會使鋼絞線端部受力復(fù)雜，而應(yīng)變片粘貼時(shí)鋼絲的打磨將會對鋼絞線造成一定損傷，所以在直拉或R較大的彎折拉時(shí)鋼絞線一般會在端部錨固區(qū)或應(yīng)變片粘貼處斷裂。而當(dāng)R較小時(shí)，鋼絞線將在起彎點(diǎn)形成彎折，從而產(chǎn)生相應(yīng)塑性變形與應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鋼鉸線的強(qiáng)度、塑性與韌性，形成一種“折點(diǎn)”效應(yīng)；“折點(diǎn)”效應(yīng)隨著R的減小、θ的增大而加劇，形成了相應(yīng)的破壞特征。同時(shí)，“折點(diǎn)”處鋼絞線彎折時(shí)各根鋼絲彎折曲率半徑不同而變形不一致，將產(chǎn)生較大附加內(nèi)力與變形，導(dǎo)致相同測試條件不同測點(diǎn)間應(yīng)變測試數(shù)據(jù)相差較大；但隨著拉力的增大，折點(diǎn)所附加的內(nèi)力與變形將會逐漸趨于穩(wěn)定；故而拉力較大時(shí)實(shí)測應(yīng)變增量基本一致。

2）強(qiáng)度與延性：折點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象隨著R的減小、θ的增大而加劇，所以鋼絞線的強(qiáng)度與延性會隨著R的減小、θ的增大而逐漸變小。當(dāng)R較小時(shí)，“折點(diǎn)”效應(yīng)隨θ增大顯著加強(qiáng)，導(dǎo)致強(qiáng)度與延性的折減呈拋物線趨勢增大；而隨著R的增大，鋼絞線與導(dǎo)向構(gòu)件間相互作用面增大，折點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象將會迅速減小，所以鋼絞線強(qiáng)度與延性隨R的增大呈現(xiàn)對數(shù)曲線下降的趨勢。但由于鋼絞線只有進(jìn)入塑性后才能表現(xiàn)出延性，各種影響因素一旦對鋼絞線強(qiáng)度產(chǎn)生折減，則將大大降低鋼絞線塑性，從而嚴(yán)重影響其延性性能；所以，θ的增大與R的減小對鋼絞線延性性能的折減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對極限強(qiáng)度的影響。

3）摩阻系數(shù)μ：R較小時(shí)“折點(diǎn)”效應(yīng)起主導(dǎo)作用，R較大時(shí)作用面積占據(jù)主導(dǎo)地位；故而R較小時(shí)，μ隨θ的增大而增大；R較大時(shí)，μ隨θ的增大而減??；而50 mm

3鋼絞線彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算

由上分析可知：雖然θ的變化會對摩阻系數(shù)μ會產(chǎn)生一定影響，但影響程度遠(yuǎn)小于R；故而，在建立彎起器彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式時(shí)可以在考慮一定保證率后忽略θ對摩阻系數(shù)μ的影響，但不能忽略R對摩阻系數(shù)μ所產(chǎn)生的影響。

同時(shí)，基于摩阻系數(shù)μ隨R變化所呈現(xiàn)出的“S”形曲線的影響規(guī)律可知：R的變化將摩阻系數(shù)μ分成明顯的三段。故而在建立鋼絞線彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算公式時(shí)可以考慮采用統(tǒng)一的計(jì)算公式，但彎折摩阻系數(shù)μ根據(jù)實(shí)際導(dǎo)向半徑R的大小來分段選取。

由彎起器彎折摩擦阻力損失計(jì)算簡圖（如圖6），彎起器彎折摩擦阻力損失σl1可初步表達(dá)為：

σl1=μ·σconsin θ基于摩阻系數(shù)μ隨R的變化規(guī)律，通過對所有實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對于彎起器彎折摩阻系數(shù)μ的取值可分3種情況來考慮：

1）當(dāng)R≤50 mm時(shí)，對摩阻系數(shù)μ的59個(gè)實(shí)測試驗(yàn)樣本統(tǒng)計(jì)分析可知其符合μn=0.261、σn=0.018 6的正態(tài)分布，試驗(yàn)樣本變異系數(shù)CV=0.071，考慮結(jié)果離散與工程安全，取95%的保證率時(shí)μ=0.29。

2）當(dāng)R≥100 mm時(shí)，對摩阻系數(shù)μ的45個(gè)實(shí)測試驗(yàn)樣本統(tǒng)計(jì)分析可知其符合μn=0.188、σn=0.0169的正態(tài)分布，試驗(yàn)樣本的變異系數(shù)CV=0.090，取95%的保證率時(shí)μ=0.22。

3）當(dāng)50 mm

參考相關(guān)資料，為了增加θ較大時(shí)彎起器彎折摩擦阻力損失σl1計(jì)算公式邏輯上的合理性，也為了公式形式的統(tǒng)一性，彎起器彎折摩擦阻力損失σl1可進(jìn)一步表達(dá)為：

σl1=σcon[1-e-（μθ）]

式中：σl1為彎起器彎折摩擦阻力損失；σcon為預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下張拉控制應(yīng)力，MPa；θ為鋼絞線彎起角度。

μ為彎起器的摩擦系數(shù)，根據(jù)實(shí)際導(dǎo)向半徑R大小來選?。籖≤50 mm時(shí)μ=0.29，R≥100 mm時(shí)μ=0.22，50 mm

以50%Fm為基準(zhǔn)荷載，將彎起器摩阻損失計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖8?？梢钥闯鰧?shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算值符合較好，且大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)接近或位于公式（3）計(jì)算結(jié)果的下方，計(jì)算公式有一定的保證率。

4結(jié)論

1）鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度折減率ηs隨θ的增大呈拋物線趨勢增大，隨R的增大呈對數(shù)曲線趨勢減小；當(dāng)R≥100 mm時(shí)，R與θ的變化對鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度fpu的影響較??；說明彎起器的導(dǎo)向半徑R在構(gòu)造要求容許時(shí)應(yīng)盡量取大值，受限時(shí)R也不宜小于100 mm。

2）鋼絞線的延性隨θ與R的變化規(guī)律其規(guī)律與fpu基本相似，但θ與R的變化對鋼絞線延性性能的折減效應(yīng)較對fpu更加顯著；從延性性能來看，在滿足結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造要求的情況下，彎起器的導(dǎo)向半徑R應(yīng)該取得更大一些。

3）當(dāng)R≤50 mm或R≥100 mm時(shí)，彎起器彎折摩阻系數(shù)μ隨R與θ呈增大或減小趨勢，但變化趨勢并不顯著；而當(dāng)50 mm

4）基于摩阻系數(shù)μ隨R與θ的變化規(guī)律，彎起器彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失可由公式σl1=σcon[1-e-（μθ）]計(jì)算，式中摩擦系數(shù)μ根據(jù)實(shí)際導(dǎo)向半徑R大小來選??；R≤50 mm時(shí)μ=0.29，R≥100 mm時(shí)μ=0.22，50 mm

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