緩粘結預應力鋼筋摩擦系數試驗*

王占飛， 曹少朋， 徐　巖， 胡正偉， 張子靜， 王　強，

(沈陽建筑大學 a. 交通工程學院， b. 土木工程學院， c. 地鐵研究院， 沈陽 110168)

緩粘結預應力鋼筋摩擦系數試驗*

王占飛a， 曹少朋b， 徐巖b， 胡正偉a， 張子靜a， 王強b，c

(沈陽建筑大學a. 交通工程學院，b. 土木工程學院，c. 地鐵研究院， 沈陽 110168)

為了探明張拉時緩粘結劑固化程度對預應力鋼筋摩擦損失的影響規律，制作6根預應力梁，每根梁直線布置3根緩粘結預應力鋼筋，進行張拉試驗.按照緩粘結劑的固化程度，對預應力鋼筋分批進行張拉，并測得鋼筋應力的摩擦損失.結果表明，在緩粘結劑固化程度相同的條件下，隨著張拉力的增加，緩粘結劑的粘結作用失效，鋼筋應力的摩擦損失逐漸變小；預應力鋼筋達到控制應力時，隨著緩粘結劑硬度的增加，粘結作用增強，摩擦損失增大；當緩粘結劑邵氏硬度達到80以上時，摩擦系數k達到了0.538m-1.

緩粘結預應力鋼筋； 混凝土梁； 固化程度； 粘結作用； 摩擦系數； 張拉試驗； 硬度； 摩擦損失

緩粘結預應力混凝土作為一項新興的預應力體系，兼有無粘結預應力結構施工簡便可行的優點，且隨著時間的增長，粘結效果逐漸增強，緩粘結劑固化后，又具有粘結預應力混凝土結構的傳力機制[1-2].緩粘結預應力鋼筋的作用機理為在預應力鋼筋的外側和高密度聚乙烯護套的內部涂裝一定厚度的緩凝材料，在張拉適用期內使其具有一定的流動性，且隨著時間推移達到完全固化后，與預應力鋼筋、外包護套之間產生較強的粘結力，如圖1所示.預應力鋼筋周圍的緩凝材料緩慢凝結硬化，與鋼筋之間逐漸有了粘結力，形成了與有粘結預應力結構相同的受力傳力機理[3-6].

圖1　緩粘結預應力鋼筋

近年來，緩粘結預應力混凝土結構在我國建筑工程中得到了廣泛應用，發揮著越來越重要的作用[7].但是，緩粘結預應力鋼筋從工廠制作、現場布置張拉到緩粘結劑固化，一般需要1～2年的時間.從工程角度講大致經歷兩個階段，即張拉適用期階段和固化階段.圖2為緩粘結劑固化過程.在這一過程中，緩粘結劑從可流動的液態變成具有一定粘結強度的固態[7-9].施工中，緩粘結預應力鋼筋的張拉時機和張拉過程中鋼筋應力摩擦損失的變化，對緩粘結預應力混凝土結構的工程質量有著較大的影響.這項新技術目前還處于探索和發展階段，許多問題需要分析和研究[10].

圖2　緩粘結劑固化過程

本文制作了6根梁長為3 300mm，截面為300mm×400mm的預應力梁，每根梁直線布置3根緩粘結預應力鋼筋，進行張拉試驗.根據緩粘結劑固化時間及固化程度不同，分批進行張拉，每批張拉3根預應力鋼筋達到控制應力，測得鋼筋應力的摩擦損失.

1　試驗基本概況

1.1試件的設計與制作

本文采用同一批次的緩粘結預應力鋼筋制作試件，摩擦系數測試所用試件為長3 300mm、寬300mm、高400mm、強度等級C50的混凝土梁，梁內直線布置3根φs15.2的緩粘結預應力鋼筋，梁的架力鋼筋和箍筋布置如圖3所示(單位：mm)，共制作6根梁試件.

圖3　緩粘結預應力混凝土梁設計

1.2試驗張拉設備與方法

為了探明張拉時緩粘結劑固化程度對預應力鋼筋摩擦系數的影響，根據固化時間及固化程度不同，分6次張拉預應力鋼筋，每次張拉3根，達到控制應力時，測得鋼筋應力的摩擦損失.

每次張拉緩粘結預應力鋼筋時在張拉端依次安裝300mm×400mm×14mm的承壓墊板、壓力傳感器、150mm×150mm×20mm的承壓墊板、穿心式液壓千斤頂、150mm×150mm×20mm的承壓墊板、工具錨；在錨固端依次安裝承壓墊板、壓力傳感器、墊板和錨具.試驗使用設備如圖4所示.緩粘結預應力鋼筋張拉端的拉力和錨固端拉力可以通過與兩端傳感器相連的電子靜態應變儀微觀控制張拉力的大小，通過手動式液壓千斤頂上的電子顯示儀表宏觀控制張拉力的大小.

試驗時，采用250kN穿心式液壓千斤頂張拉預應力鋼筋，由電子式壓力傳感器控制張拉端施加的預應力.張拉時，由張拉端傳感器控制加載過程，按每級20kN逐級加載，每級加載時間約為0.5min，持荷1min，同時記錄張拉端和錨固端兩傳感器的讀數.當預應力鋼筋張拉端拉力達到195.3kN，即預應力鋼筋達到控制應力0.75fptk

圖4　試驗設備

時，其中，fptk為鋼絞線極限強度標準值，持荷5min，記錄兩端傳感器的讀數，然后卸載，此時一根鋼絞線張拉測試摩擦損失結束.

直線布筋時，摩擦系數k的計算公式為

(1)

式中：x為直線緩粘結預應力鋼絞線的長度；F2為錨固端力；F1為張拉端力.

2　不同張拉期緩粘結劑性質描述

表1給出了不同固化時間張拉預應力鋼筋時緩粘結劑性質的變化.其中，張拉時的邵氏硬度是在同批緩粘結預應力鋼筋上取的緩粘結劑，并通過邵氏硬度計測得的數值，該數值表征緩粘結劑的固化程度，當緩粘結劑的硬度值達到邵氏硬度80時，工程上認為緩粘結劑達到完全固化，形成有粘結的傳力機理.

表1　緩粘結預應力鋼筋的固化性能

3　預應力鋼筋摩擦損失試驗結果分析

3.1張拉過程中摩擦系數變化

對預應力鋼筋進行張拉時，緩粘結劑具有一定的粘滯力，需要一定的初始拉力才可將鋼絞線拉動，硬度為0時緩粘結劑的粘滯性很小，拉力可以很快傳遞到錨固端，一旦出現擾動將導致預應力鋼筋滑動，使得兩端力的差值逐漸減小.張拉末期持載時間較長，此時試件兩端力的差值最小，持載5min取得k值.

圖5為k與張拉端力的關系曲線.由圖5可以看出，1號梁數據k值有起伏但變化不大，上升段為靜摩擦系數，k值在0.012 9m-1時由于緩粘結預應力結構出現擾動情況而使曲線呈緩慢下降的趨勢.其他梁整體上是隨著張拉力的增加，k值呈現下降的趨勢.

3.2張拉時緩粘結固化程度對摩擦系數k的影響

圖6為k與硬度的關系曲線.由圖6可以看出，隨著硬度值的增長，k值逐漸增加.當硬度超過45.6后，k值增長迅速出現突變，表示此時粘結劑的粘滯阻力明顯增強；當邵氏硬度超過80時，可認為緩粘結劑基本完全硬化，張拉試驗時張拉端數值明顯增長，錨固端基本沒有變化；當聽到“砰”的聲響時(緩粘結預應力鋼筋內部出現明顯擾動使其結構穩定性破壞)，錨固端數值才緩慢增長，此時k值達到0.538 4m-1.

表2為不同硬度下的摩擦損失及k值.從表2可以看出，隨著張拉時緩粘結劑的硬度逐步增大，張拉時兩端力的差值逐步增大，預應力損失逐步增加，實質上是由緩粘結預應力鋼筋內緩粘結劑的固化程度逐步增大導致張拉過程中粘滯阻力逐漸增強產生的效應.

圖5　k與張拉端力的關系

圖6　k與硬度的關系

預應力鋼筋達到控制應力時，1號梁兩端力差值不大，且隨著緩粘結劑的硬度逐步增加，預應力損失逐步增大，k值逐漸變大.6號梁張拉時邵氏硬度為80.5，緩粘結劑完全硬化，預應力筋與粘結劑及混凝土之間有很高的粘結強度，成為一個整體，導致粘滯阻力很大，此時k值為0.538 4m-1，張拉端力通過預應力鋼筋傳遞到錨固端時損失嚴重，張拉所起作用不大.

4　結　論

本文通過分析得出如下結論：

1) 在緩粘結劑固化時間相同的條件下，隨著張拉力的增加，預應力筋兩端差值逐漸減小，鋼筋應力的摩擦損失逐漸變小；

表2　不同硬度下的摩擦損失及k值

2) 緩粘結預應力鋼筋摩擦系數k值與緩粘結劑的硬度有關，隨著硬度的增大，摩擦阻力逐步增強，系數k值也相應增大；

3) 緩粘結劑固化程度不同，預應力筋達到控制應力時，緩粘結劑硬度增大，摩擦阻力損失也增大，當緩粘結劑邵氏硬度達到80.5時，預應力鋼筋的摩擦系數k為0.538 4m-1.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Experimentonfrictioncoefficientofretard-bondedpre-stressedtendon

WANGZhan-feia,CAOShao-pengb,XUYanb,HUZheng-weia,ZHANGZi-jinga,WANGQiangb, c

(a.SchoolofTrafficEngineering,b.SchoolofCivilEngineering,c.MetroResearchInstitute,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

Inordertoclarifytheinfluenceofthecuringdegreeofretard-bondedadhesiveonthefrictionlossofpre-stressedtendoninthetensileprocess,sixpre-stressedconcretebeams,eachofwhichwasarrangedwiththreestraightpre-stressedretard-bondedtendons,werepreparedtoperformthetensileexperiments.Accordingtothecuringdegreeofretard-bondedadhesive,thepre-stressedtendonsweretensionedinbatches,andthefrictionlossoftendonstresswasmeasured.Theresultsshowthatwhenthecuringdegreeofretard-bondedadhesiveisthesame,theadhesiveeffectoftheadhesivefailsandthefrictionlossoftendonstressgraduallydecreaseswithincreasingthetensileforce.Whenthestressappliedonthetendonsreachesthecontrolstress,theadhesiveeffectgetsenhancedandthefrictionlossincreaseswithincreasingthehardnessofretard-bondedadhesive.WhentheShorehardnessofadhesiveismorethan80,thefrictioncoefficientkreaches0.538m-1.

retard-bondedpre-stressedtendon;concretebeam;curingdegree;adhesiveeffect;frictioncoefficient;tensileexperiment;hardness;frictionloss

2015-07-16.

遼寧省自然科學基金資助項目(2013020149)； 遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃項目(LJQ2014060).

王占飛(1976-)，男，遼寧法庫人,副教授，博士，主要從事結構工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.20

TU757.1

A

1000-1646(2016)03-0350-05

*本文已于2016-03-02 16∶43在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1643.018.html