大直徑鋼絞線粘結(jié)錨固性能研究綜述

欒奕

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040）

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大直徑鋼絞線粘結(jié)錨固性能研究綜述

欒奕

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：介紹了鋼絞線近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，探討了鋼絞線與混凝土及灌漿料粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)方法，總結(jié)了不同試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)學(xué)者提出的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，為鋼絞線與混凝土及灌漿料的粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)提供了合理有效的依據(jù)和思路。

關(guān)鍵詞：鋼絞線，混凝土，灌漿料，粘結(jié)性能，試驗(yàn)方法

0　引言

預(yù)應(yīng)力混凝土較普通混凝土具有眾多優(yōu)點(diǎn)，其中包括截面小、自重輕、材料省等，隨著我國(guó)現(xiàn)代化程度不斷深入，在建筑行業(yè)中預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用的愈發(fā)廣泛，與此同時(shí)，高強(qiáng)度、低松弛、大直徑和耐腐蝕等性能成為預(yù)應(yīng)力筋發(fā)展的必然方向［1］，在建筑行業(yè)高速發(fā)展的今天，鋼絞線成為我國(guó)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的主要用料之一［2］，不論先張法還是后張法，鋼絞線與基體材料的粘結(jié)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能等方面都有著重要影響，文獻(xiàn)［3］指出：鋼絞線與混凝土或者灌漿料的粘結(jié)性能對(duì)混凝土構(gòu)件的裂縫及承載力均有不可忽視的影響，同時(shí)相關(guān)文獻(xiàn)［4］提出：鋼絞線的應(yīng)力傳遞很大程度上受到鋼絞線與混凝土及灌漿料之間的粘結(jié)性能好壞的影響，粘結(jié)性能較好時(shí)，鋼絞線強(qiáng)度可以得到充分的利用，相反若兩者間沒(méi)有良好的粘結(jié)，當(dāng)構(gòu)件受力較小時(shí)兩者已經(jīng)產(chǎn)生了較大的相對(duì)滑移，此時(shí)鋼絞線強(qiáng)度利用率極低。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼絞線與混凝土間的粘結(jié)滑移方面的試驗(yàn)研究及理論分析都較少見，對(duì)大直徑鋼絞線與混凝土間的粘結(jié)錨固性能的研究更未見詳細(xì)報(bào)道，所以對(duì)大直徑鋼絞線與混凝土等基體材料的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1　鋼絞線的發(fā)展趨勢(shì)

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，多用鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋，其直徑普遍在9. 53 mm～17. 8 mm之間，由于生產(chǎn)技術(shù)和理論研究的限制，更大直徑的鋼絞線較為少見。鋼絞線一般由7根鋼絲沿著一定的傾角捻制而成，傾角一般在4°～12°范圍內(nèi)，按照粘結(jié)形式，鋼絞線又可分為有粘、無(wú)粘和緩粘三種，其中無(wú)粘結(jié)與緩粘結(jié)筋都是通過(guò)在鋼絞線表面涂抹特殊的防腐油脂以及其他的緩粘結(jié)材料形成的。目前應(yīng)用較為普遍的7股，直徑為15. 24 mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線在各項(xiàng)工程中逐漸體現(xiàn)出其局限性，大直徑和耐腐蝕等性能愈來(lái)愈成為預(yù)應(yīng)力筋發(fā)展的必然方向，貴州大學(xué)的李偉等對(duì)現(xiàn)有的鋼絞線的性能與原料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，使19股鋼絲捻制成的大直徑低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的生產(chǎn)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

2　試驗(yàn)方法及裝置

在粘結(jié)性能方面，研究人員多采用拔出試驗(yàn)、局部粘結(jié)—滑移試驗(yàn)以及梁式試驗(yàn)等等方法進(jìn)行研究［5］，圖1為三種試驗(yàn)方法簡(jiǎn)圖。

2.1拔出試驗(yàn)

拔出試驗(yàn)最突出的優(yōu)點(diǎn)是試件體積小制作方便，同時(shí)試驗(yàn)裝置容易獲得，通常研究人員對(duì)于試驗(yàn)儀器的操作有豐富經(jīng)驗(yàn)，錨桿拉拔儀、液壓千斤頂都可作為試驗(yàn)的加載裝置，學(xué)者們通過(guò)大量的試驗(yàn)總結(jié)出這種試驗(yàn)方法對(duì)鋼筋外形變化較為敏感。

圖1　粘結(jié)錨固試驗(yàn)裝置圖

2.2局部粘結(jié)—滑移試驗(yàn)

這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于其能通過(guò)鋼筋內(nèi)部粘貼的應(yīng)變片測(cè)得各個(gè)部位的鋼筋應(yīng)變，利用數(shù)學(xué)方法將鋼筋應(yīng)變轉(zhuǎn)化為粘結(jié)應(yīng)力，進(jìn)而得到不同位置處的粘結(jié)應(yīng)力隨滑移增長(zhǎng)的關(guān)系曲線，由于試驗(yàn)需要將鋼筋開槽，而絞線是由7股鋼絲沿一定角度捻制而成的，無(wú)法對(duì)其開槽內(nèi)貼應(yīng)變片，所以鋼絞線與混凝土的粘結(jié)性能試驗(yàn)并不適用于此方法，有學(xué)者曾試圖將應(yīng)變片粘貼于鋼絞線外部用于鋼絞線應(yīng)變的測(cè)量，但在進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，由于鋼絞線與混凝土產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移，致使在試驗(yàn)過(guò)程中鋼絞線應(yīng)變片與混凝土產(chǎn)生擠壓，本應(yīng)受拉的鋼絞線應(yīng)變片表現(xiàn)為壓應(yīng)變，與實(shí)際情況不符。

2.3梁式試驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)方法中，梁跨中的上部鉸接，下部以鋼絞線或鋼筋連接，兩端澆筑混凝土，形成跨中以兩點(diǎn)連接的混凝土梁，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)與實(shí)際構(gòu)件受力相符，并且梁各點(diǎn)受力非常明確，常用于確定梁縱筋的延伸長(zhǎng)度等構(gòu)造要求。

3　國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

1990年，石河子大學(xué)的胡鈞濤等學(xué)者設(shè)計(jì)并進(jìn)行了單股鋼絞線與拉水泥漿之間粘結(jié)性能的拉拔試驗(yàn)，通過(guò)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、回歸，得到兩者間粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系［6］：

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力，MPa；s為滑移值，10-3cm，相應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力—滑移量關(guān)系曲線如圖2所示。

1997年John R. Salmons等進(jìn)行了鋼絞線粘結(jié)強(qiáng)度方面的試驗(yàn)［7］，試驗(yàn)以鋼絞線的錨固長(zhǎng)度、直徑以及混凝土強(qiáng)度為參數(shù)，得到了各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響規(guī)律。

2004年R. Gustavson考慮鋼絞線外形形狀、混凝土強(qiáng)度及混凝土密度三項(xiàng)因素并進(jìn)行了鋼絞線粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［8］。

2014年，中南大學(xué)的吳雪峰通過(guò)分析8個(gè)中心拉拔試件，得到了銹蝕對(duì)鋼絞線粘結(jié)性能的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸，提出了如圖3所示的銹蝕鋼絞線粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型［9］，本構(gòu)方程表示為分為四段，即：

微滑移OA段：

強(qiáng)化段AB段：

下降段BC段：

直線段CD段：

其中，ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度；τu為極限粘結(jié)強(qiáng)度；s1，s2，s3由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果取值；系數(shù)α由大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，最終取為0.3。

圖2　粘結(jié)應(yīng)力—滑移量關(guān)系曲線

圖3　混凝土與鋼絞線的粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線

2014年，中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院的李曉芬等學(xué)者對(duì)3根梁式錨固試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)［10］。通過(guò)疲勞后靜載試驗(yàn)時(shí)鋼絞線的應(yīng)力—應(yīng)變和粘結(jié)應(yīng)力，分析了鋼絞線的粘結(jié)錨固機(jī)理，并將各國(guó)規(guī)范中鋼絞線錨長(zhǎng)建議值列于表1中進(jìn)行對(duì)比，從表1中不難看出，中國(guó)規(guī)范中鋼絞線的錨固長(zhǎng)度在安全性方面留有更大的儲(chǔ)備空間，而美國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范中鋼絞線的建議的錨固長(zhǎng)度在具備一定安全性的前提下更具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

表1　中國(guó)規(guī)范［11，12］、美國(guó)規(guī)范［13］、歐洲規(guī)范［14］鋼絞線錨固長(zhǎng)度比較

4　結(jié)論和期望

在建筑行業(yè)中預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用的愈發(fā)廣泛，高強(qiáng)度、低松弛、大直徑和耐腐蝕等性能已然成為預(yù)應(yīng)力筋的發(fā)展方向，為了拓寬大直徑鋼絞線的理論研究與工程實(shí)際應(yīng)用，先張法構(gòu)件中鋼絞線與混凝土的粘結(jié)性能、后張法中鋼絞線與灌漿料的粘結(jié)性能的研究成為了不可忽視的問(wèn)題。目前，在鋼絞線粘結(jié)錨固性能研究的試驗(yàn)方法中仍是以拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)為主，方法過(guò)于傳統(tǒng)和單一，缺乏一定的創(chuàng)新性，試驗(yàn)裝置及方法仍有待進(jìn)一步完善：

1）大直徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具設(shè)計(jì)制造不成熟，放張后錨具處鋼絞線回縮大，預(yù)應(yīng)力損失大。

2）由于構(gòu)造的特殊性，鋼絞線無(wú)法開槽進(jìn)行內(nèi)貼片，使得試驗(yàn)過(guò)程中鋼絞線沿錨固長(zhǎng)度的應(yīng)變無(wú)法測(cè)量。

3）鋼絞線在實(shí)際工程中都經(jīng)過(guò)張拉，存在預(yù)加應(yīng)力，但現(xiàn)有的試驗(yàn)方法中鋼絞線多未經(jīng)張拉，試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際尚有偏差，有必要設(shè)計(jì)大型先張及后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究，彌補(bǔ)這一試驗(yàn)空缺。

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On large-diameter steel strand bonding anchorage performance

Luan Yi
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：The paper introduces the development of the steel strands in recent years，explores the test methods for the grouting bonding anchorage performance of the steel strands and concrete，and sums up the advantages and disadvantages of various test methods and points out the bond-slip constitutive law from related experts，so as to provide some reasonable and effective reference for the bonding anchorage performance of steel strands，concrete and grouting.

Key words：steel strand，concrete，grouting，bonding performance，test method

中圖分類號(hào)：TU502

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0050-02

收稿日期：2016-01-11

作者簡(jiǎn)介：欒奕（1989-），男，在讀碩士