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1、 缓粘结预应力混凝土连续梁预应力损失试验及浅析 摘要：有粘结和无粘结预应力混凝土在施工或承载工作时存在着种种缺陷，而缓粘结预应力体系结合了有粘结和无粘结预应力这两种体系的优点，又克服了它们的缺陷。本试验通过对6根预应力混凝土两跨连续梁进行张拉和加载试验研究，分析其预应力损失成因，以及将缓粘结预应力损失与有粘结、无粘结预应力损失作对比。关键词：缓粘结预应力；连续梁；试验研究；预应力损失一、引言后张法预应力混凝土根据施工工艺的不同又分为无粘结和有粘结预应力混凝土。无粘结预应力混凝土在施工过程中不需要灌浆，所以不需要预留灌浆孔道，预应力筋布置形式灵活，但由于无粘结预应力筋没有和混凝土粘结在一起共同工
2、作，所以受力时几乎处处相等，易造成预应力筋和锚具疲劳2。有粘结预应力混凝土虽然克服了无粘结预应力混凝土在承载工作时不能与混凝土粘结在一起共同工作的缺陷，但是在其施工过程中需要预留灌浆孔道。而且孔道灌浆比较困难，为了灌浆方便，或多或少在设计上限制了预应力筋布置形式。然而，缓粘结预应力混凝土在施工过程中不需要预留灌浆孔，而是事先在波纹管内注入缓凝材料。缓凝材料的凝固时间比较长，在不同的混合配方下其固化期可以为3个月、6个月，甚至一年。因此，当构件的混凝土强度达到75%，甚至100%时，该缓凝材料还能基本处于流动状态，预应力筋在孔道里的摩擦阻力不大。待缓凝材料完全凝固起来后，能与预应力筋良好地粘结在
3、一起，使预应力筋能够与混凝土一起共同工作，其作用效果基本与有粘结预应力混凝土等同。由于缓粘结预应力混凝土的施工工艺与无粘结预应力混凝土基本相同，但待缓凝材料凝固之后，其性能却有有粘结预应力混凝土的效果，这就是缓粘结预应力混凝土的优势所在。虽然在缓凝期内，缓凝砂浆还处于流动状态，但缓凝砂浆毕竟不是润滑剂，在试件张拉时，必然会对预应力筋产生摩擦阻力，导致预应力损失。二、试验简介本试验的试件为6根预应力混凝土两跨连续梁，一共分两组。第一组有1根无粘结预应力混凝土两跨连续梁，编号为WL，还有2根缓粘结预应力混凝土两跨连续梁，编号分别为HL11，HL12。第二组有1根有粘结预应力混凝土两跨连续梁，编号为
4、YL，还有2根缓粘结预应力混凝土两跨连续梁，编号分别为HL21，HL22。其中，试件的预应力筋均为钢绞线，强度标准值为，设计值为，包裹缓粘结预应力筋的缓凝材料为缓凝砂浆，缓凝期为3个月，而包裹无粘结预应力筋的介质为黄油，然后再套上橡胶波纹管（试验所用材料均由柳州欧维姆机械股份有限公司提供）。本试验的所有预应力连续梁均为一次性张拉，其中，第一组预应力连续梁的张拉和加载时间以及第二组预应力连续梁的张拉时间均为混凝土浇筑后的30天左右，即连续梁的混凝土养护完成，强度达到100%左右，但包裹缓粘结预应力筋的缓凝砂浆还没有完全凝固，仍处于流动状态的时候。而第二组预应力连续梁的加载时间则为混凝土浇筑后的9
5、0天左右，即连续梁的混凝土和包裹缓粘结预应力筋的缓凝砂浆都完全凝固的时候。图1连续梁配筋图试件的加载点均在每跨梁的三分点处，利用千斤顶在每跨梁的跨中加载，再用1.4米长的I16工字钢作为分配梁，把千斤顶的加载力传递到每跨梁的三分点处。中间支座的千斤顶对中间支座起到固定约束的作用，固定端的千斤顶用来在加载测试完成后卸锚用的。三、预应力钢筋和管道壁摩擦引起的预应力损失本试验预应力试件按油泵压力表的读数4.1、8.2、12.3、16.4、20.5、24.6、28.7、32.8、36.9、41.0MPa分10级张拉，油泵压力表的每级读数所对应的张拉力为18.2、36.4、54.6、72.8、91.0、
6、109.2、127.4、145.6、163.8、182.0kN，并分别记录每级张拉时张拉端和固定端的压力传感器的读数所对应的压力如下表：表1试件张拉端和固定端传感器上的荷载把试件张拉端传感器上的荷载减去固定端传感器上的荷载，再除以钢绞线的公称面积140mm2，就可以得出该试件因管道摩擦所损失的应力，其数值如下表：表2试件因管道摩擦引起的预应力损失由表2可以看出，在分级张拉过程中，本试验的全部试件的管道摩擦损失基本上都随着张拉力的增大而增加，而且其增加速度随张拉力的增大呈加快趋势。其原因是当试件的张拉力增大的时候，其管道偏差损失会有一定的增量，而试件的预应力钢筋在管道的弯道处受到的径向压力会随着
7、张拉力的增大，其增幅逐渐加大3，从而增加管道对预应力钢筋的弯道摩擦损失。将表1中的WL试件和YL试件的数据相比较，我们可以了解到：WL试件从第一级张拉力开始，其固定端的压力传感器上的荷载就一直稳步上升；而YL试件则从第二级张拉力开始，其固定端的压力传感器上的荷载才逐步呈现稳步上升的趋势。缘由是WL试件的预应力钢筋外部有一层黄油包裹住，黄油起到润滑剂的作用，使管道对预应力钢筋的摩擦系数会变得很小，在张拉前可以徒手在试件的一端将预应力钢筋拉动，由此可以看出WL试件管道的静摩擦力会比较小，但是随着张拉力的增加，其管道偏差损失和弯道摩擦损失也随之增大，从而导致WL试件的预应力损失逐步增加。而YL试件的
8、预应力钢筋则没有这一层黄油，在张拉时其管道的静摩擦力比WL试件的大得多。在张拉第一级时，由于张拉力不大，还不能克服管道对预应力钢筋的静摩擦力，所以几乎没有力能传到固定端的压力传感器上。但是，在YL试件张拉第二级时，传到固定端传感器上的荷载增加了不少，说明此时张拉力已经开始能克服管道对预应力钢筋的静摩擦力。此后的每级张拉，因试件张拉力的增大，其弯道摩擦损失和管道偏差损失也随之增加。将表1的缓粘结试件和YL试件的数据相比较，我们可以发现：缓粘结试件跟YL试件一样，也是在张拉的第二级，开始有力传到固定端的压力传感器上，但其数值比YL试件小得多。说明缓粘结试件的静摩擦力比YL试件的大，其原因是缓粘结试
9、件的管道里有缓凝砂浆存在，虽然在张拉过程中缓凝砂浆处于流动状态，但缓凝砂浆毕竟不是润滑剂，在凝固之前对预应力钢筋具有一定的粘滞性。由表3的数据可以看出，各个缓粘结试件的管道摩擦损失均比YL试件的大10%以上，说明缓凝砂浆对预应力钢筋的影响是比较大的，故不可忽略。缓凝砂浆的粘滞性跟时间有关，在理论上，缓凝砂浆会随着时间的推移而变得越来越粘稠，其粘滞性自然也随之增大。此外，由于缓凝砂浆具有流动性，试件在张拉时，预应力钢筋不会对缓凝砂浆侧压力，缓凝砂浆的粘滞力不会随张拉力的增大而增大，因此缓凝砂浆的粘滞性与预应力钢筋的张拉力无关。我国规范中的预应力钢筋孔道每米长度局部偏差摩擦系数和预应力钢筋与孔道壁
10、之间的摩擦系数的取值只跟预应力筋和管道材料、施工质量有关，与缓凝砂浆无关。因此，本文在参数、之外，引入一个与缓凝砂浆粘滞性有关的参数粘滞系数4。假设包裹着预应力钢筋的缓凝砂浆沿预应力钢筋均匀分布，则缓凝砂浆对预应力钢筋的粘滞力与预应力钢筋长度呈正比关系，其两者正比值即为粘滞系数（MPa/m）。故缓粘结预应力钢筋与管道摩擦引起的预应力损失的计算公式如下：本试验的张拉控制应力为0.7fptk，与实际工程中所采用的张拉控制应力相接近，取缓粘结试件的第十级张拉完成后的总预应力损失作为缓粘结试件管道摩擦损失的实测值。我国规范中的为张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角的总和，但根据文献3，按此计算的话，
11、其理论值与实际情况有明显的的偏差，对于非连续分布的弯曲管道，不应简单为计算截面到张拉端的夹角总和，而应该分别计算各个弯曲管道的预应力损失。沿用规范提供的有粘结预应力混凝土梁的、值之后，就可以根据缓粘结试件的管道摩擦损失实测值，采用式（1）来计算出该缓凝砂浆的粘滞系数如下表：由上表可知，该缓凝砂浆在龄期30天左右的粘滞系数的取值范围为12.72MPa/m14.07MPa/m。四、结语（一）本文通过比较和分析缓粘结试件与有粘结、无粘结试件的预应力管道摩擦损失，从而揭示了缓粘结预应力试件的预应力管道摩擦损失的主要影响因素除了施工过程对预应力钢筋管道造成的局部偏差，以及弯道径向压力引起的摩擦之外，还应
12、该考虑缓凝砂浆对预应力钢筋的粘滞力。经过理论分析，缓凝砂浆对预应力钢筋的粘滞力跟凝固时间和缓凝砂浆本身的性质属性有关，与张拉力无关。因此，本文引入一个新的参数粘滞系数，并在现行规范对预应力管道摩擦损失计算公式的基础上，提出了一条更适用于计算缓粘结预应力管道摩擦损失的公式，并通过对试验数据的计算，确定本试验所采用的缓凝砂浆粘滞系数的取值范围为12.72MPa/m14.07MPa/m。（二）由于试验场地、时间、设备、人力、资金的限制与影响，对试件某些项目的测试，本试验无法完成，而这些项目又是工程设计所必须考虑的，因此必须对其进一步的完善与探讨。这些研究项目包括有：1对不同的温度环境下，对缓凝砂浆的
13、固化速度的研究。由相关的文献资料得知，缓凝砂浆的固化速度与温度有关，环境温度升高，缓凝砂浆的固化速度也有加快的趋势。2.在缓凝砂浆的不同固化阶段，缓凝砂浆对预应力钢筋的粘滞力研究。随着缓凝砂浆的不断凝固，缓凝砂浆对预应力钢筋的粘滞力必然会越来越大。对其研究并制定出缓凝砂浆的粘滞性在不同时期的参考数值，对工程设计与施工都有实际的意义。参考文献：1张健荣.缓粘结预应力连续梁预应力损失、张拉伸长量的实验研究.硕士学位论文.桂林：桂林理工大学，2011.2赵建昌，王起才.缓粘结预应力混凝土结构试验研究.铁道学报，2002，24（2）：P95.3张开银，顾津申，张军辉，等.弯曲孔道摩阻预应力损失试验研究.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2009，33（2）：P306-309.4熊小林，李金根，李一心.缓粘结预应力筋摩阻损失的试验研究.建筑技术，2008，39（12）：P943-946.张健荣（1985），男，广东江门，国家注册土木工程师（岩土），桂林理工大学硕士毕业，研究方向：预应力混凝土。资助项目：1、广西自然科学基金项目桂科自0833255；2、广西重点试验室基金桂科能07109005-16；3、桂林市科学研究与技术开发项目20080617和20090408。 -全文完-
