分析預應力筋與瀝青基材料的粘結性能

楊通潤

(貴州省黔東南州凱里市鄉鎮交通運輸綜合管理站，貴州 凱里 556000)

分析預應力筋與瀝青基材料的粘結性能

楊通潤

(貴州省黔東南州凱里市鄉鎮交通運輸綜合管理站，貴州 凱里 556000)

針對預應力筋和瀝青基材料之間的粘結性能，首先分別對荷載施加、預應力筋和基材料半徑比、溫度等應力分布影響因素進行分析，在此基礎上，對粘結性能實施驗證分析，最后得出，若使用后張預應力結構，在較短時間的荷載作用之下，可按照存在黏結結構的情況實施設計計算；在較長時間的荷載作用之下，需按照不存在黏結結構的情況實施設計計算的結論。

預應力筋；瀝青基材料；粘結性能

如今，瀝青基材料得到了廣泛的應用，尤其是水利工程結構的灌漿堵漏與防滲，然而在運用后張法的結構施工中，并未普及瀝青基材料，仍然以水泥基材料為主，水泥基材料存在的泌水等問題容易造成孔道不密實與鋼筋銹蝕等現象，無法滿足工程建設及發展需求，因此，瀝青基材料在后張法水工結構施工中的普及是必然趨勢。現基于預應力筋和瀝青基材料之間的受力影響因素，對粘結性能進行深入分析。

1 預應力筋和瀝青基材料之間的受力影響因素

1.1 應力分布和荷載之間的關系

首先將荷載施加分別確定為4 kN、6 kN、8 kN、10 kN和12 kN，施加完成后使用公式計算瀝青基體與鋼絞線應力，最后得出應力的實際分布曲線，如圖1、2所示。

由圖1可知，鋼絞線實際應力和荷載的施加存在直接關聯，伴隨荷載的不斷增大，應力越來越大；但其剪應力伴隨黏結長度的不斷增加而降低，成反比關系；正應力伴隨黏結長度的不斷增加而變大，成正比關系。

圖1 荷載施加下鋼絞線實際應力分布

圖2 荷載施加下瀝青基體實際應力分布

由圖2可知，瀝青基體實際應力和荷載的施加存在直接關聯，伴隨荷載的不斷增大，應力越來越大；但其剪應力伴隨黏結長度的不斷增加而降低，成反比關系；正應力伴隨黏結長度的不斷增加而變大，成正比關系。

在圖2的基體剪應力曲線圖中，將r=7.6 mm作為分割線，可分成區域I和區域II，區域I是基于等效半徑的基體剪應力分布，剪應力數值是平均應力；區域II是瀝青基體當中的剪應力分布，在分割線上，鋼絞線和基體的剪應力完全相等；隨r值不斷變大，在超過7.6 mm后，基體實際剪應力會隨著半徑的持續增大而減小。

1.2 應力分布和半徑比之間的關系

對于后張預應力而言，其預應力筋與孔道半徑的比值并非一成不變，如果半徑比值不同，則二者粘結性能也會存在一定差異。對此，為深入研究這一影響規律，需要取多個半徑比，然后再進行受力情況分析，結果如圖3、4所示。

圖3 不同半徑比情況下鋼絞線實際應力分布

圖4 不同半徑比情況下瀝青基體實際應力分布

由圖3可知，隨半徑比不斷變大，曲線越陡，在錨固點位置，半徑比和鋼絞線的剪應力成正比關系；而在遠離錨固點的位置上，半徑比和鋼絞線的剪應力成反比關系。

由圖4可知，伴隨半徑比的不斷減小，基體自身剪應力降低趨勢趨于平緩，尤其是在基體的外表面，剪應力基本為零。因為鋼絞線的半徑不會發生變化，所以半徑比和基體的半徑大小密切相關，即為基體半徑隨半徑比的減小而增大，剪應力減小速度最快區域出現在鋼絞線的白面，距離越大，應力的實際分布就越平緩。

1.3 應力分布和溫度之間的關系

預應力施工的工作溫度存在很大的變化范圍，而在多變的溫度環境下，基材料自身流變性能等會出現一定差異。本文設定四種工作溫度(不同溫度對應的特性如表1所示)，對不同溫度情況下的應力分布實施分析，結果如圖5、圖6所示。

表1 不同溫度對應的特性

圖5 不同溫度情況下鋼絞線實際應力分布

圖6 不同溫度情況下瀝青基體實際應力分布

由圖5可知，伴隨溫度不斷降低，鋼絞線剪應力實際分布變得較為平緩；在不同的溫度情況下，其正應力與黏結長度之間的關系，和剪應力基本相同。由圖6可知，溫度和瀝青基體的剪應力成正比關系，隨剪應力不斷增大，曲線越陡；正應力則與剪應力完全相反，和溫度成反比關系，隨正應力不斷增大，曲線越緩。

2 粘結性能驗證分析

通過以上分析得知，在溫度相對較低的條件下，基材料所展現出的各項力學行為和經過固化處理以后的Epoxy resin(環氧樹脂材料)十分相似。但在溫度相對較高的條件下(包括室溫)，其黏性力學的性質較為顯著，很難對其應力進行準確計算。

基于此，通過對Epoxy resin的受力分析，可以近似得出鋼絞線應力分布所遵循的規律，如公式(1)所示。

(1)

分別取溫度為-5 ℃與40 ℃時基材料對應的參數值，并將拉力確定在10kN，將數值帶入到公式(1)和公式(2)中完成計算，通過計算得出應力對比結果，如圖7所示。

(2)

圖7 計算結果對比

由圖7得知，當溫度為-5 ℃時，計算結果基本吻合。造成細微差異的主要原因為公式(2)將黏彈性本構關系作為基礎，盡管基材料可在較低溫下展現出彈性性質，但其仍然含有一定黏性成分，并不是真正意義上的完全彈性。因此，其結果和公式(1)的結果相比，在曲線上表現的更“陡”，這和上述分析結論是完全相符的，所以可認為：Epoxy resin實際上就是溫度降低至完全表現出彈性性質時的瀝青基材料。

當溫度為40 ℃時，計算結果存在很大的差異。公式(1)的計算結果在兩種溫度條件下基本相同，由公式的本身可以明顯看出，如果EP比Em大很多，則Em對應的有限變化并不會對結構造成太大的影響，同時這也和溫度造成的性能影響相匹配。然而，若從黏彈性基材料角度講，溫度是造成性能差異的主要因素，因此公式(2)在溫度差異較大的情況下，其計算結果會出現一定差別。

3 結束語

本文深入研究了荷載的施加、預應力筋和基材料半徑比、實際溫度等因素對粘結性能造成的影響，掌握了一定的規律。若運用瀝青基材料灌漿的后張法預應力結構的設計計算，需要對溫度影響實施充分的考慮。此外，考慮到黏彈性性質，使用后張法預應力結構，在較短時間的荷載作用之下，可按照存在黏結結構的情況實施設計計算；在較長時間的荷載作用之下，需按照不存在黏結結構的情況實施設計計算。

[1] 周勇政,朱爾玉,潘衛兵,等. 預應力筋與瀝青基材料的黏結性能研究[J]. 水利學報,2015,10(8):989-998.

[2] 方志,張曠怡,涂兵. FRP筋大型粘結式群錨體系試驗研究[J].預應力技術,2015,11(5):13-25.

[3] 趙霞. 新型鋼芯包裹筋在預應力混凝土橋梁中的研究[J].武漢理工大學學報,2009,12(9):52-54.

2016-10-21

楊通潤(1987-)，貴州貴定人，工程師，主要從事公路養護研究。

U416.1

C

1008-3383(2017)02-0011-02