图1 缓粘结预应力钢筋
Fig.1 Retard- bonded pre- stressed tendon
王占飞 a ， 曹少朋 b ， 徐 岩 b ， 胡正伟 a ， 张子静 a ， 王 强 b， c
(沈阳建筑大学 a. 交通工程学院， b. 土木工程学院， c. 地铁研究院， 沈阳 110168)
摘 要：为了探明张拉时缓粘结剂固化程度对预应力钢筋摩擦损失的影响规律，制作6根预应力梁，每根梁直线布置3根缓粘结预应力钢筋，进行张拉试验.按照缓粘结剂的固化程度，对预应力钢筋分批进行张拉，并测得钢筋应力的摩擦损失.结果表明，在缓粘结剂固化程度相同的条件下，随着张拉力的增加，缓粘结剂的粘结作用失效，钢筋应力的摩擦损失逐渐变小；预应力钢筋达到控制应力时，随着缓粘结剂硬度的增加，粘结作用增强，摩擦损失增大；当缓粘结剂邵氏硬度达到80以上时，摩擦系数k达到了0.538 m -1.
关 键 词：缓粘结预应力钢筋； 混凝土梁； 固化程度； 粘结作用； 摩擦系数； 张拉试验； 硬度； 摩擦损失
缓粘结预应力混凝土作为一项新兴的预应力体系，兼有无粘结预应力结构施工简便可行的优点，且随着时间的增长，粘结效果逐渐增强，缓粘结剂固化后，又具有粘结预应力混凝土结构的传力机制 [1-2].缓粘结预应力钢筋的作用机理为在预应力钢筋的外侧和高密度聚乙烯护套的内部涂装一定厚度的缓凝材料，在张拉适用期内使其具有一定的流动性，且随着时间推移达到完全固化后，与预应力钢筋、外包护套之间产生较强的粘结力，如图1所示.预应力钢筋周围的缓凝材料缓慢凝结硬化，与钢筋之间逐渐有了粘结力，形成了与有粘结预应力结构相同的受力传力机理 [3-6].
图1 缓粘结预应力钢筋
Fig.1 Retard- bonded pre- stressed tendon
近年来，缓粘结预应力混凝土结构在我国建筑工程中得到了广泛应用，发挥着越来越重要的作用 [7].但是，缓粘结预应力钢筋从工厂制作、现场布置张拉到缓粘结剂固化，一般需要1～2年的时间.从工程角度讲大致经历两个阶段，即张拉适用期阶段和固化阶段.图2为缓粘结剂固化过程.在这一过程中，缓粘结剂从可流动的液态变成具有一定粘结强度的固态 [7-9].施工中，缓粘结预应力钢筋的张拉时机和张拉过程中钢筋应力摩擦损失的变化，对缓粘结预应力混凝土结构的工程质量有着较大的影响.这项新技术目前还处于探索和发展阶段，许多问题需要分析和研究 [10].
图2 缓粘结剂固化过程
Fig.2 Curing process of retard- bonded adhesive
本文制作了6根梁长为3 300 mm，截面为300 mm×400 mm的预应力梁，每根梁直线布置3根缓粘结预应力钢筋，进行张拉试验.根据缓粘结剂固化时间及固化程度不同，分批进行张拉，每批张拉3根预应力钢筋达到控制应力，测得钢筋应力的摩擦损失.
1.1 试件的设计与制作
本文采用同一批次的缓粘结预应力钢筋制作试件，摩擦系数测试所用试件为长3 300 mm、宽300 mm、高400 mm、强度等级 C50的混凝土梁，梁内直线布置3根φ s 15.2的缓粘结预应力钢筋，梁的架力钢筋和箍筋布置如图3所示(单位： mm)，共制作6根梁试件.
图3 缓粘结预应力混凝土梁设计
Fig.3 Design of retard- bonded pre- stressed
concrete beam
1.2 试验张拉设备与方法
为了探明张拉时缓粘结剂固化程度对预应力钢筋摩擦系数的影响，根据固化时间及固化程度不同，分6次张拉预应力钢筋，每次张拉3根，达到控制应力时，测得钢筋应力的摩擦损失.
每次张拉缓粘结预应力钢筋时在张拉端依次安装300 mm×400 mm×14 mm的承压垫板、压力传感器、150 mm×150 mm×20 mm的承压垫板、穿心式液压千斤顶、150 mm×150 mm×20 mm的承压垫板、工具锚；在锚固端依次安装承压垫板、压力传感器、垫板和锚具.试验使用设备如图4所示.缓粘结预应力钢筋张拉端的拉力和锚固端拉力可以通过与两端传感器相连的电子静态应变仪微观控制张拉力的大小，通过手动式液压千斤顶上的电子显示仪表宏观控制张拉力的大小.
试验时，采用250 kN穿心式液压千斤顶张拉预应力钢筋，由电子式压力传感器控制张拉端施加的预应力.张拉时，由张拉端传感器控制加载过程，按每级20 kN逐级加载，每级加载时间约为0.5 min，持荷1 min，同时记录张拉端和锚固端两传感器的读数.当预应力钢筋张拉端拉力达到195.3 kN，即预应力钢筋达到控制应力0.75f ptk
图4 试验设备
Fig.4 Experimental equipment
时，其中，f ptk 为钢绞线极限强度标准值，持荷5 min，记录两端传感器的读数，然后卸载，此时一根钢绞线张拉测试摩擦损失结束.
直线布筋时，摩擦系数k的计算公式为
(1)
式中：x为直线缓粘结预应力钢绞线的长度；F 2为锚固端力；F 1为张拉端力.
表1给出了不同固化时间张拉预应力钢筋时缓粘结剂性质的变化.其中，张拉时的邵氏硬度是在同批缓粘结预应力钢筋上取的缓粘结剂，并通过邵氏硬度计测得的数值，该数值表征缓粘结剂的固化程度，当缓粘结剂的硬度值达到邵氏硬度80时，工程上认为缓粘结剂达到完全固化，形成有粘结的传力机理.
表1 缓粘结预应力钢筋的固化性能
Tab.1 Curing performance of retard- bonded pre- stressed tendons
3.1 张拉过程中摩擦系数变化
对预应力钢筋进行张拉时，缓粘结剂具有一定的粘滞力，需要一定的初始拉力才可将钢绞线拉动，硬度为0时缓粘结剂的粘滞性很小，拉力可以很快传递到锚固端，一旦出现扰动将导致预应力钢筋滑动，使得两端力的差值逐渐减小.张拉末期持载时间较长，此时试件两端力的差值最小，持载5 min取得k值.
图5为k与张拉端力的关系曲线.由图5可以看出，1号梁数据k值有起伏但变化不大，上升段为静摩擦系数，k值在0.012 9 m -1时由于缓粘结预应力结构出现扰动情况而使曲线呈缓慢下降的趋势.其他梁整体上是随着张拉力的增加，k值呈现下降的趋势.
3.2 张拉时缓粘结固化程度对摩擦系数k的影响
图6为k与硬度的关系曲线.由图6可以看出，随着硬度值的增长，k值逐渐增加.当硬度超过45.6后，k值增长迅速出现突变，表示此时粘结剂的粘滞阻力明显增强；当邵氏硬度超过80时，可认为缓粘结剂基本完全硬化，张拉试验时张拉端数值明显增长，锚固端基本没有变化；当听到“砰”的声响时(缓粘结预应力钢筋内部出现明显扰动使其结构稳定性破坏)，锚固端数值才缓慢增长，此时k值达到0.538 4 m -1.
表2为不同硬度下的摩擦损失及k值.从表2可以看出，随着张拉时缓粘结剂的硬度逐步增大，张拉时两端力的差值逐步增大，预应力损失逐步增加，实质上是由缓粘结预应力钢筋内缓粘结剂的固化程度逐步增大导致张拉过程中粘滞阻力逐渐增强产生的效应.
图5 k与张拉端力的关系
Fig.5 Relationship betweenk and end tensioning force
图6 k与硬度的关系
Fig.6 Relationship betweenk and hardness
预应力钢筋达到控制应力时，1号梁两端力差值不大，且随着缓粘结剂的硬度逐步增加，预应力损失逐步增大，k值逐渐变大.6号梁张拉时邵氏硬度为80.5，缓粘结剂完全硬化，预应力筋与粘结剂及混凝土之间有很高的粘结强度，成为一个整体，导致粘滞阻力很大，此时k值为0.538 4 m -1，张拉端力通过预应力钢筋传递到锚固端时损失严重，张拉所起作用不大.
本文通过分析得出如下结论：
1) 在缓粘结剂固化时间相同的条件下，随着张拉力的增加，预应力筋两端差值逐渐减小，钢筋应力的摩擦损失逐渐变小；
表2 不同硬度下的摩擦损失及k值
Tab.2 Friction loss andk values with different hardness
2) 缓粘结预应力钢筋摩擦系数k值与缓粘结剂的硬度有关，随着硬度的增大，摩擦阻力逐步增强，系数k值也相应增大；
3) 缓粘结剂固化程度不同，预应力筋达到控制应力时，缓粘结剂硬度增大，摩擦阻力损失也增大，当缓粘结剂邵氏硬度达到80.5时，预应力钢筋的摩擦系数k为0.538 4 m -1.
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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)
WANG Zhan- fei a , CAO Shao- peng b , XU Yan b , HU Zheng- wei a , ZHANG Zi- jing a , WANG Qiang b, c
( a. School of Traffic Engineering, b. School of Civil Engineering, c. Metro Research Institute, Shenyang Jianzhu University, Shenyang110168, China)
Abstract： In order to clarify the influence of the curing degree of retard- bonded adhesive on the friction loss of pre- stressed tendon in the tensile process, six pre- stressed concrete beams, each of which was arranged with three straight pre- stressed retard- bonded tendons, were prepared to perform the tensile experiments. According to the curing degree of retard- bonded adhesive, the pre- stressed tendons were tensioned in batches, and the friction loss of tendon stress was measured. The results show that when the curing degree of retard- bonded adhesive is the same, the adhesive effect of the adhesive fails and the friction loss of tendon stress gradually decreases with increasing the tensile force. When the stress applied on the tendons reaches the control stress, the adhesive effect gets enhanced and the friction loss increases with increasing the hardness of retard- bonded adhesive. When the Shore hardness of adhesive is more than80, the friction coefficientk reaches0.538 m -1.
Key words： retard- bonded pre- stressed tendon; concrete beam; curing degree; adhesive effect; friction coefficient; tensile experiment; hardness; friction loss
收稿日期：2015-07-16.
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(2013020149)； 辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目( LJQ2014060).
作者简介：王占飞(1976-)，男，辽宁法库人,副教授，博士，主要从事结构工程等方面的研究.
doi：10.7688/ j. issn.1000-1646.2016.03.20
中图分类号： TU757.1
文献标志码： A
文章编号：1000-1646(2016)03-0350-05
*本文已于2016-03-02 16∶43在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥ www. cnki. net/ kcms/ detail/21.1189. T.20160302.1643.018. html