图1 试验试件
Fig.1 Experimental specimen
王占飞a， 徐卓君a， 王子怡a， 王 强b， 徐 岩b
(沈阳建筑大学 a. 交通工程学院， b. 土木工程学院， 沈阳 110168)
摘 要： 为了探明预应力筋张拉时缓粘结剂固化程度对缓粘结预应力混凝土梁力学性能的影响，进行了梁的承载力力学性能试验.结果表明：张拉时缓粘结剂固化程度对梁的开裂荷载影响较小，对极限荷载的影响较大，且缓粘结剂固化程度越高，缓粘结预应力混凝土梁的极限荷载越低；张拉时缓粘结剂处于张拉适用期的试件梁具有较好的力学性能，其纯弯段部分的裂缝开展均匀，数量较多，梁的延性增强，预应力钢筋与混凝土具有良好的共同工作状态，与有粘结预应力混凝土梁受力性能基本相当.
关 键 词： 预应力混凝土梁； 缓粘结剂； 固化程度； 邵氏硬度； 力学性能； 传力机理； 张拉适用期； 固化期
缓粘结预应力技术结合了无粘结预应力和有粘结预应力的优点，施工时工艺简单，在使用时具有有粘结预应力安全可靠的力学性能，工程应用广泛[1].本文使用的缓凝胶黏剂是环氧树脂缓粘结剂，在张拉适用期内张拉缓粘结预应力钢束类似于张拉无粘结预应力钢束.随着缓粘结剂逐渐固化，当缓粘结剂的邵氏硬度达到80 D时，达到与有粘结预应力混凝土相同的传力机制[2].国内外很多学者在缓粘结剂的性质、缓粘结预应力混凝土梁的传力机制、力学效果等方面均有研究，主要侧重于缓粘结预应力混凝土结构裂缝的开展[3-5]，摩阻及相关系数的确定[6-8]，在张拉适用期内缓粘结剂对预应力钢束张拉的影响，以及缓粘结剂完全固化后该类预应力混凝土的力学性能研究[9-10]等，相关研究也表明缓粘结预应力的应用前景广泛[11].
目前存在的关键问题是施工环境复杂，施工中可能存在超过张拉适用期张拉的情况，而不同时期进行预应力张拉对缓粘结预应力钢束与混凝土之间的传力机制，对结构承载力和开裂荷载等力学性能的影响尚不明确.这在一定程度上阻碍了该技术在我国的应用和发展.本文通过在不同时期内对缓粘结预应力梁进行预应力张拉，完全固化后同时进行抗弯性能试验，观测并记录梁从开裂到破坏整个过程的各项力学性能指标，通过试验数据的分析对比，探明不同固化程度下进行预应力张拉对缓粘结预应力混凝土梁力学性能的影响，为该技术的工程应用提供理论基础.
考虑不同固化时期进行预应力张拉(从无粘结到有粘结最后完全固化)对缓粘结预应力梁力学性能的影响，制作了3根缓粘结预应力梁并按缓粘结剂固化度不同分3批次张拉，1号试件在张拉适用期内张拉，2号试件在固化期内张拉，3号试件达到完全固化后进行张拉.完全固化后将3组预应力试件梁同时进行加载试验，对比分析通过加载试验得出的数据，探明张拉时缓粘结剂的固化程度对缓粘结预应力混凝土梁力学性能的影响.
试验前，制作了3个缓粘结预应力混凝土试件梁，梁长3 300 mm，截面为300 mm×400 mm，混凝土强度等级为C50，在梁内直线布置3根φs15.2的缓粘结预应力钢绞线，其力学性能符合国家标准《预应力混凝土用钢筋》.试件梁纯弯段的箍筋间距为250 mm，弯剪段间距为80 mm.缓粘结预应力混凝土梁构造如图1所示(单位：mm).
图1 试验试件
Fig.1 Experimental specimen
试验采用三分点两点同步静力单调加载方式(纯弯段长度为梁高的2.5倍)，加载装置如图2所示(单位：mm).加载过程为：1)混凝土开裂前，采用单调递增的加载方式至混凝土开裂时卸载；2)卸载后，重新连续加载到开裂荷载的1.1倍，持载5 min，继续加载到开裂荷载的1.2倍，持载，依此类推，直至试验梁达到最大承载力，卸载，试验加载结束.
1.3.1 试验梁应变片布置
在梁侧面、底面和顶面布置混凝土应变片监测混凝土的应变，其位置如图3所示(单位：mm).
1.3.2 试验的监测内容
在梁抗弯性能试验过程中，主要的监测内容包括梁承载力、竖向变形、纯弯段混凝土的应变、梁端预应力钢筋的应力变化以及混凝土裂缝开裂状况等内容.张拉及试验时通过LX-A邵氏硬度计测试同条件养护下的缓粘结剂固化情况，以此了解缓粘结试件梁内部缓粘结剂的固化状况.梁承载力采用加载千斤顶上的压力传感器读取，通过试件两端放置的50 t电子式压力传感器测得试件梁两端预应力筋的应力变化.通过位移计测得梁的挠度变化，通过应变片和裂缝综合测试仪测量混凝土应变和裂缝的发展状况.
图2 加载装置及仪器布置
Fig.2 Loading device and equipment arrangement
图3 应变片测位示意图
Fig.3 Schematic strain gauge measuring position
在进行预应力张拉和抗弯性能试验时，同步测得缓粘结剂的固化程度.其中，1号试件梁张拉时处于张拉适用期，承载力试验时处于固化期，2、3号试件梁在张拉时和抗弯性能试验时均在固化期.缓粘结剂固化情况如表1所示.
表1 缓粘结剂的固化程度
Tab.1 Curing degree of retard-bonded agent
挠度曲线试件梁的荷载挠度曲线如图4所示.由图4可以看出，试件梁加载前期，荷载与挠度呈线性变化，梁的刚度不变，此时受拉区混凝土未破坏.继续加大荷载至试件梁开裂后受拉区混凝土退出工作，拉力由钢绞线承担，此时荷载挠度曲线斜率减小，梁的刚度开始减小；随着荷载的增大，裂缝继续开展，梁的刚度逐渐下降，挠度也随着增长，此时试件梁处于正常使用极限状态；继续加大荷载至钢绞线屈服，然后受压区混凝土被压碎，试验梁达到承载能力极限状态，此时曲线回落，梁的刚度下降很快，挠度增长较快，裂缝迅速开展，甚至贯穿整个截面.随后进入卸载阶段，挠度先有不同程度的增长随后逐渐减小，至卸载完成仍有一定的残余变形.
图4 荷载挠度曲线
Fig.4 Load-deflection curves
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁规范》，按照有粘结预应力的计算公式得出试件梁的开裂荷载和最大荷载理论值，并与实测值作比较.结果表明，张拉时缓粘结剂处于张拉适用期的1号试件梁开裂荷载实测值与理论值相当，超出张拉适用期的2号试件梁开裂荷载小于理论值，其中张拉时缓粘结剂固化程度越低，开裂荷载和最大荷载越高，残余变形越小，试件梁延性增强.其中，1、2、3号试件梁最大荷载分别增加23.9%、11.4%、9.4%.试件梁的开裂荷载、最大荷载以及残余变形统计如表2所示.
表2 开裂荷载、最大荷载及残余变形
Tab.2 Cracking load，maximum load and residual deformation
图5为梁在荷载试验过程中，预应力梁两端测得的预应力钢筋随竖向荷载的变化情况.由图5可知，张拉时缓粘结剂固化度为0的1号梁在加载初期钢绞线端部应力基本不增长，当荷载达到试件梁开裂荷载240 kN时，钢绞线应力仍然增长缓慢，继续加大荷载至480 kN时，钢绞线应力开始快速增长，裂缝进入快速开展阶段，继续加大荷载至试件梁达到极限承载力时，曲线再次出现拐点，在达到最大承载力596 kN的过程中，钢绞线的应力增长很小只有167.5 MPa，随后进入卸载阶段，在卸载到160 kN之前钢绞线应力几乎不变化，这是因为缓粘结剂形成了较好的粘结力，随着荷载降低到0，钢绞线应力开始快速回落.与1号梁相似，2号梁在竖向荷载达到300 kN时，钢绞线应力开始快速增长，在达到最大承载力536 kN过程中，钢绞线最大应力增量为350 MPa，卸载至250 kN附近时钢绞线应力开始快速下降.3号梁在荷载达到270 kN附近时，钢绞线应力开始快速增长，在达到最大承载力526 kN过程中，钢绞线最大应力增量为457.5 MPa，卸载至220 kN附近时钢绞线应力开始快速下降.通过三者的数据对比可知，张拉时缓粘结剂固化程度较低的试件梁、钢筋和缓粘结剂三者的结合程度较好，具有更好的传力机制，加载中钢绞线的最大应力增量较小，其开裂荷载和极限承载力较大，梁的力学性能较好.
试验过程中，三根梁裂缝开展及分布情况如表3所示.由表3可以看出，缓粘结预应力梁加载过程中裂缝发展较为均匀，纯弯段中主裂缝数量分别为5、4、4条.其中张拉时缓粘结剂固化程度低的1号试件梁纯弯段裂缝较多为5条，其裂缝分布相对较密，主裂缝周围衍生的细小裂缝更多，同级荷载下最大裂缝宽度和最大裂缝间距也较小，表现出更加接近有粘结预应力梁的特性.在390 kN荷载等级下，1、2、3号梁最大裂缝宽度分别为0.21、0.52和1.04 mm.试验结束后裂缝情况如图6所示.其中，1、2、3号梁主裂缝平均间距分别为240、266、250 mm.
图5 缓粘结预应力钢筋端部应力变化
Fig.5 Stress change on end of retard-bonded pre-stressed tendons
表3 裂缝开展状况
Tab.3 Development situation of cracks
图6 裂缝示意图
Fig.6 Schematic cracks
试验测得的混凝土应变随梁高的变化如图7所示.由图7可以看出，在试验过程中各混凝土梁应变分布规律大体一致.梁底混凝土开裂前，随着荷载的增加，截面应变不断增大；距离中性轴越远，应变也越大，截面各点应变基本上符合平截面假定.
本文通过分析得出以下结论：
1) 张拉时缓粘结剂的固化程度对缓粘结预应力混凝土梁的开裂荷载影响较小，对承载力的影响较大，张拉时缓粘结剂固化程度越高的梁，开裂荷载与承载力越低.
图7 预应力梁跨中截面混凝土应变分布
Fig.7 Strain distribution in concrete on mid-span section of pre-stressed beams
2) 张拉时缓粘结剂固化程度低的缓粘结预应力混凝土梁具有较好的力学性能，梁纯弯段部分裂缝开展较均匀，数量较多，梁的延性增大，与有粘结预应力混凝土梁更加类似.
3) 试验表明，缓粘结预应力混凝土结构宜在张拉适用期内完成预应力筋的张拉，超过缓粘结剂张拉适用期，张拉预应力筋对结构的力学性能及工程的施工质量影响较大.
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WANG Zhan-feia, XU Zhuo-juna, WANG Zi-yia, WANG Qiangb, XU Yanb
(a. School of Traffic Engineering, b. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)
Abstract： In order to verify the influence of curing degree of retard-bonded agent on the mechanical properties of retard-bonded pre-stressed concrete beam when the pre-stressed tendon is tensioned, the tests on the mechanical properties of bearing capacity were carried out. The results show that the curing degree of retard-bonded agent has little influence on the cracking load of the beam during tension, while has a great influence on the ultimate load. The higher the curing degree of retard-bonded agent is, the lower the ultimate load of retard-bonded pre-stressed concrete beam is. When the retard-bonded agent during tension is in the tensioning applicable period, the tested beam has good mechanical properties, the cracks in the pure bending segment are evenly distributed, and the number is larger. In addition, the ductility of the beam gets enhanced, the pre-stressed tendon and the concrete have good co-working state, and the mechanical properties of the beam are similar to those of bonded pre-stressed concrete beam.
Key words： pre-stressed concrete beam; retard-bonded agent; curing degree; Shore hardness; mechanical property; force transfer mechanism; tensioning applicable period; curing period
中图分类号： TU 378.2
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2018)04-0469-05
收稿日期： 2016-12-13.
基金项目： 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，主要从事钢桥及桥梁抗震等方面的研究.
* 本文已于2018-06-22 15∶16在中国知网优先数字出版.
网络出版地址： http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20180622.1008.032.html
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2018.04.20
(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)