内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁预应力损失试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 3 期 总 第 2 4 5 期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o ta l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRE TE P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 4 0 内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁预应力损失 试验研究 丁亚红 ，郝永超 ，陈红强 ，段敬 民 ( 河南理工大学 土木工程学 院，河南 焦作 4 5 4 0 0 3 ) 摘要： 针对内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁技术特点， 研发了预应力螺旋肋钢丝张拉锚固体系， 测试并分析了试验过程中预应力 损失情况。 结果表明， 预应力损失随螺旋肋钢丝加固量及初始预应力水平的增加而增加， 其中锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失 很小， 不超过 5 ， 应力松弛引起的预应力损失相对较大， 在 5 1 0 之间， 放张引起的预应力损失大小介于上述两种损失之间， 一般不超 过 1 0 ， 且加固量及初始预应力水平对 该项损失的影响较显著 。研究结果 为该新型加固技术更好地 应用 于实际工程提供了设计依据。 关键词： 内嵌加固；螺旋肋钢丝；张拉锚具； 预应力损失 中图分类号 ： T 13 5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 2 8 0 2 E xpe r i m e n t a l s t udy on t he l os s o f p r e t r e s s e d f or RC be ams wi t h pr e s t r es s ed ne a r su a c e moun t ed he l i c al r i b s t e el wi r e DJ NG Ya - h o n g， HAO Yo n g- c ha o， CHEN Ho n g - q i a n g， DUAN J i n g- mi n ( S c h o o l o f C i l E n g i n e e ri n g ， H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Co n s i d e rin g t h e c h a r a c t e ris t i c s o fRC b e a ms wi t h p r e t r e s s e d n e a r s u r f a c e mo u n t e d h e l i c a l rib s t e e l wi r e， first d e v e l o p t h e t e ns i o n a n - e h o r a g e s t e m o f p r e t r e s s e d h e l i c a l rib s t e e l wi r e ， t h e n t e s t a n d a n a l y z e t he p r e s t r e s s i n g l o s s o ft h e e x p e r i me n t p r o c e d u r e Th e r e s ul t s s h o w t ha t t h e i n c r e a s e o f p r e s t r e s s i n g l o s s a c c o mp an y wi th t h e i n c r e a s e o f h e l i c a l rib s t e e l wi r er e i n f o r c e me n t vo l u me a n d t h e i n i t i a l p r e s t res s l e v e l ， t h e p r e s t r e s s ing l o s s c a u s e d b y the a n c h o r d e f o r ma t i o n a nd t h e s h rin ka g e o fp r e s t r e s s e d s t e e l i s s ma l 1 wh i c h i s n o t mo r e t h a n 5 the p res t r e s s i n g l o s s c a u s e d b y t h e s t r e s s r e l a x a t i o n i s r e l ati v e l y l a r g e b e t we e n 5 a n d 1 0 the pr e s tre s s i n g l os s wh i c h c a u s e d b y r e l e a s i n g b e tw e e n t h e tw o l o s s e s i s n o t s u r pa s s 1 0 ， t h e i n flu e n c e s wh i c h c a u s e d b y the r e mforee me nt v o l u me a n d t he i n i t i a l p r e s t r e s s l e v e l i s s i g n i fic a n t l y T he s t u d y r e s u l t s p r o v i d e the b a s i s f o r the t h e n e w r e i n f or c e me nt t e c hn i q u e wh i c h a p pl y i n g i n the p r a c t i c a l e n g i n e e rin g Key wor d s： n e a r s u r f a c e mo u n t e d； h e l i c a l b s t e e l wi re； t e n s i o n a n c ho r ； p r e s tre s s i n g l o s s 0 引言 随着工程加固技术的不断发展 ， 目前常用的维修加固方法如 外包钢加固法、 外部黏钢法、 体外预应力法、 化学灌浆法、 外贴或内 嵌纤维增强塑料( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r ， 简称 F R P ) 片材加固 法等， 这些加固方法都有许多研究和应用成果， 但都或多或少地存 在缺点和不足【 。鉴于此， 提出了一种新型的加固方法一内嵌预 应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁， 此加固法不仅可以克服传统加固法 的缺 ， 还能弥补F R P材料加固混凝土构件价格昂贵的不足。 内嵌预应力螺旋肋钢丝加固过程中预应力损失的大小将 会严重影响被加固构件的加固效果。但到目前为止 ， 有关预应 力损失的研究还未见报道， 而影响预应力损失的主要因素有张 拉设备、 预应力筋内缩、 预应力筋松弛、 预应力筋放张等因素。 本文通过对 9根内嵌预应力螺旋肋钢丝加固梁的试验研究基 础上， 对其做了深入研究。 1 试验张拉装置设计 1 1 张拉 设 备 要开展内嵌预应力筋材加固混凝土梁弯曲性能试验研究， 首先应针对预应力筋材特点研发专门的张拉及锚具系统， 本试 验针对国产螺旋肋钢丝力学特点 ， 开展相关研究。通过借鉴预 应力钢筋的施工工艺 ， 考虑实际工程应用时方便 ， 设计了手动 预应力张拉装置如图 1 所示 。 螺 栓 图 1 预应力筋张拉装置 收稿 日期：2 0 0 9 1 l _ J o 9 基金项目： 河南省高校杰出人才创新工程项目( 2 0 0 7 K Y C X 0 0 6 ) ； 河南理工大学博士论文创新基金( 6 4 4 0 2 5 ) 1 2 8 1 2 锚 固设备 本试验夹片式锚具是利用摩阻锚固原理设计的， 它是由夹 片、 锚环和薄铜片组成的， 工作时利用夹片在锚环中的挤拉作用 将预应力筋材夹紧。为建立锚固作用， 锚具应满足以下条件： ( 1 ) 锚环与传感器或钢板连接可靠( 通过剪力连接) ， 张拉 锚固后， 预应力筋材承受有效拉力。 ( 2 ) 夹片与薄铜片、 薄铜片与预应力筋材之间有足够大的 摩擦力， 保证无相对滑动。 ( 3 ) 夹片与锚环之间的摩擦力应尽量减少( 本锚具在试验 中为了减少次摩擦力， 在夹片外表面涂油黄油) ， 保证二者之间 可以相对滑移。 1 3施 工 工艺 内嵌预应力螺旋肋钢丝加固技术是一种加固效果显著， 应 用前景广阔的技术， 为了使其更好的应用于工程实践中， 根据 内嵌式加固法的特点 ， 本研究提出了内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁施工工艺具体过程如下： ( 1 ) 在混凝土梁受拉面测定受力钢筋位置， 用墨线定出沟 槽位置。 ( 2 ) 用小 型切割机沿墨线剔 出深 、 宽均为 2 0 r n r n的沟槽 。 ( 3 ) 用空气压缩机清除槽内浮尘。 ( 4 ) 在加固梁的固定端及张拉端用锚具连接、 固定螺旋肋 钢丝， 螺旋肋钢丝距离槽底约 6 r n lT l 高。 ( 5 ) 将力传感器一端与张拉端的锚具相连 ， 另一端与张拉 锚杆相连， 锚杆的另一端穿过反力架， 套上配套螺母。 ( 6 ) 用管钳拧紧螺帽， 对螺旋肋钢丝进行张拉。待张拉力达 到预定值， 拧紧张拉端锚杆上的螺母 ， 张拉工艺结束。 ( 7 ) 用胶枪向槽 内注入结构胶， 静置一段时间， 将胶表面 抹平。 ( 8 ) 张拉及注胶完成后， 养护 3 5 d ， 待胶黏剂固化后即可 卸除预张力 ， 试验梁变为预应力构件 。 2 预应力损 失试验 分析 在现代预应力混凝土结构中， 预应力损失的大小直接影响 着结构的抗裂度和挠度。预应力实际损失值大于或小于计算 值， 会影响到荷载作用下的结构性能， 过高或过低估计损失值 都是不利的。估计过大， 则会产生不希望的过大的反拱 ； 反之 ， 又会导致过早的开裂。由此可见， 精确估计和计算预应力损失 在预应力工程中是十分重要的。为了测量此预应力损失， 设计在 锚具和张拉设备之间利用传感器连接可编程序来测量实际张拉 应变的大小， 用静态应变仪测量螺旋肋钢丝得到的应变。由于试 验中梁试件尺寸较小且所施加预应力不大， 预应力螺旋肋钢丝 在张拉阶段处于弹性工作阶段， 因此， 这种方法是可行的。 试验具体量测的内容主要有： ( 1 ) 在构件浇筑之前 ， 预先在每根纵向受拉钢筋跨 中两边 沿纵向分别布置 3 个钢筋应变片， 以测量受拉钢筋在加载过程 中的应变变化情况。 ( 2 ) 在螺旋肋钢丝的跨中及分配梁支座处布置 3个应变片， 在每根筋材的端部布置间距分别为 5 0 mm或 1 0 0 i n l n不等的 3个应变片， 以测量筋材在加载过程中的受力及滑移情况。 ( 3 ) 在预放张的试验梁跨中布置位移计 ， 以观测放张引起 试验梁反拱情况。 由于试验梁在张拉完毕后即进行加载试验， 故预应力损失 主要发生在张拉及放张阶段。根据内嵌预应力螺旋肋钢丝加固 的特点， 螺旋肋钢丝的应力损失主要有以下 3个方面： 2 1 锚 具 变形 和预 应 力筋 内缩 引起 的预 应力损 失 首先， 通过力传感器读出对钢丝施加的预应力 ， 然后通 过静态应变仪测出螺旋肋钢丝中段的应变 ， 计算出 。则 = N - _ N ( 1 ) 式中： 。对钢丝施加的预应力； 螺旋肋钢丝中段的预应力； 一 螺旋肋钢丝横截面积。 2 2 螺旋肋钢丝应力松弛引起预应力损失 O - t 由应力松弛引起的预应力损失主要是在张拉完成之后， 将 梁试件静置， 并每隔 5 mi n读取测力计及应变仪的读数， 直至应 变仪读数基本稳定为止， 比较最后一次读数与张拉结束时的读 数， 即可进行该筋材预应力损失的分析。即 O t2 - O I一 0 2 ( 2 ) 式中： 张拉结束时静态应变仪的读数； 厂应变仪读数基本稳定时的最后一次读数。 2 3 放 张 引起 的预应 力损 失 为了测量此预应力损失， 用静态应变仪测量螺旋肋钢丝的 应变。张拉、 注胶、 抹平后， 在室温下养护 3 5 d 后放张， 放张时 用 T S 3 8 6 1 静态应变仪测量放张前后粱端及跨中的应变损失。 放张引起的预应力损失由放张前的预应力损失与放张后的预 应力损失之差 。即 ， 0 3 = 0 - 放 张 前 一 放 张 后 ( 2 ) 综上所述 ， 由试验测得的数据及以上计算可得表 l 。 表 1 预应 力损失 3结论 预应力螺旋肋钢丝加固技术是一种加固效果明显、 前景广 阔的技术， 本文针对预应力损失及锚固方式两个关键问题作了 相应的研究， 有利于此项技术在土木工程中的应用。本文通过 对 9根不同加固量及预应力水平的预应力螺旋肋钢丝加固梁 进行张拉试验， 对测得的不同张拉应力对应的预应力损失以及 试验过程分析得到以下结论： ( 1 ) 研发了应用于预应力螺旋肋钢丝张拉锚固体系。本试 验设计的手动张拉系统基本上能满足试验要求， 达到预期的预 应力水平 。 ( 2 ) 由分析实测的预应力损失值可得， 预应力损失随螺旋 肋钢丝加固量及初始预应力水平的增加而增加， 其中锚具变形 和预应力筋内缩引起的预应力损失很小， 不超过 5 ， 应力松弛 下转第 1 3 8页 1 29 型等的影响。 试验按照表 5的基准配合比， 按 AS T MC1 2 0 2和R C M法， 对超早强混凝土和普通混凝土的抗氯离子渗透性能进行了试 验， 检验结果见表 l 0 。 表 1 0 混凝土的抗氯离子渗透性能 由表 1 O ， 超早强混凝土抗氯离子渗透性能良好。 3 3 3 抗硫酸盐侵蚀性能 由于硫铝酸盐水泥本来即是抗硫酸盐腐蚀的胶凝材料， 鉴 于我国目前尚无混凝土抗硫酸盐腐蚀的标准试验方法， 试验按 照表 5的基准配合比， 采用如下简单的方法进行对比试验： 即将 标准养护 2 8 d的混凝土试样( 1 0 0 mmx l 0 0 m mx 4 0 0 mm， 各三 条) 分别浸泡于 3 Na 2 S O 和自来水中， 在相同试验条件下， 测 量浸泡 6 0d后的抗折强度比， 试验结果见表 1 1 。 表 1 1 混凝的抗硫酸盐侵蚀性能 混凝土类型 6 0 d 抗折强度损失率 超早强混凝土 普通混凝土 5 6 25 4 由表 1 1 可知， 与普通混凝土相比， 超早强混凝土具有更优 良的抗硫酸盐侵蚀性能 ， 因为其使用的就是快硬硫铝酸盐水泥 就是抗硫酸盐类型的水泥， 所以其抵抗硫酸盐侵蚀的性能更加 优秀。 3 3 4 抗磨性能 试验按照表 5的基准配合比， 采用 J T G E 3 0 - - 2 0 0 5 ( 公路工 程水泥及水泥混凝土试验规程 的方法 ， 对超早强混凝土的抗 磨性能进行了试验 ， 并与普通混凝土进行了对比， 试验结果见 表 l 2 。 由表 l 2可知 ，超早强混凝土的抗磨性能与普通混凝土相 当。超早强混凝土的磨损率远小于规程要求的3 6 k g r n 。 上接第 1 2 9页 引起的预应力损失相对较大， 在 5 1 0 之间， 放张引起的预 应力损失大小介于上述两种损失之间， 一般不超过 1 0 ， 且加 固量及初始预应力水平对该项损失的影响较显著。 参考文献 ： 【 1 N OR D I N H F i b e r r e i n f o r c e d p dy me r i n c i v i l E n g i n e e r i n g P h D T h e s i s C T De p a r t me n t o f C i v i l a n d Mi n i n g En g i n e e rin g Di v i s i o n of S t r u c t u r a l En g i n e e rin g， 2 0 0 3： 9 0 -1 4 3 【 2 】D E L O RE N Z I S L A， N A NN I A， T E G O L A L S t r e n g t h e n i n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e s w i t h n e a r s u r f a c e mo u n t e d F R P r o d s J J n t e r n a t i o n al Me e t i n g o n Co mp o s i t e Ma t e rials ， I t a l y， 2 0 00 【 3 】3 D E L OR E N Z I S L ， N A NN I A B o n d b e t w e e n N S M fi b e r - r e i n f o r c e d p o l y - m e r r o d s a n d c o n c r e t e i n s t ruc t u r al s t r e n gth e n i n S f A C I S t r u c t u r a l j o u r - h al， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 1 2 3 1 3 2 【 4 】D E L O RO N Z I S L A n c h o r a g e l e n gth of n e a r - - s u r f a c e mo u n t e d f i b e r - r e i n - f o r c e d p o l y me r rod s f o r c o n c r e t e s t r e n g t h e n i n g - An a l y t i c a l mo d e l i n g 叫 AC I S t r u c t u r a l u mal， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 3 ) ： 3 7 5 3 8 6 【 5 】5 C ruz J o s e S e n a ， B a r r o s J o a q u i mMede l i n g o f ben d b e t w e e n n e a r - s u rf a c e mo u n t e d C F R P l a mi n a t e s t ri p s a n d c o n c r e t e J C o mp u t e r s a n d S t r u c - 1 3 8 表 1 2 混凝土的抗磨性能 4结论 ( 1 ) 通过大量室内试验， 采用 4 2 5 级硫铝酸盐水泥、 0 2 8 O 3 2 的水胶比优选有机酸类缓凝剂和锂盐类早强剂，配制出了坍 落度大于 1 8 0 h i m， 缓凝 2 h以上， 按初凝计 1 2 h抗压强度大于 3 5 MP a的超早强混凝土。 ( 2 ) 所配制出的超早强混凝土 l 8 0 d干缩小于 3 0 0 8 ， 而 且主要来 自于自收缩， 因此需要对早期开裂进行严格控制， 注意 及时养护。 ( 3 ) 配制出的超早强混凝土具有优良的抗渗、 抗碳化、 抗硫 酸盐腐蚀和抗磨等长期性能。 参考文献 ： 【 1 】陈拴发 超快速硬修补材料及其作用机理研究【 D 】 西安公路交通大 学， 硕士学位论文， 2 0 0 0 【 2 肖文， 等 超早强混凝土研究与应用f J 公 路， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 1 3 3 1 3 5 【 3 】王元， 等 超早强混凝土的配制技术 J 】 -施工技术， 1 9 9 5 ( 5 ) ： 8 - 1 0 【 4 蒲心诚， 严吴南， 等 1 0 0 - 1 5 0 M P a 超高强高性能混凝土的配制技棚 混凝土与水泥制品， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 3 - 7 【 5 方坤河 ， 等 路用超早强混凝土配制新技术及其优化设计的试验研 究 J 】 混凝土， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 3 7 3 9 6 R a P i d h a r d e n i n g C e me n t s a n d P a t c h i n g Ma t e ri a1 R E MR T E C HN I C A L N0TEC S MR一 7 3 1 9 9 2 7 7 K M E H T A P 混凝土微观结构、 性能与材料 M 】 章维祖， 等译 C 京： 中 国电力出版社， 2 0 0 8 作者简介： 张国志( 1 9 6 9 一 ) ， 男， 博士， 教授级高工， 长期从事混凝土及 耐久性研究。 单位地址 ： 武汉市武昌民主路 5 5 3 号 武汉港湾工程设计研究院 ( 4 3 0 0 7 1 ) 联 系电话 ： 0 2 7 8 7 8 9 3 2 8 5 t u r e s ， 2 0 0 4 ， 8 5 ( 1 7 1 9 ) ： 1 5 1 3 1 5 2 1 6 】H A S S A N T ， R I Z K AL L A S F l e x u r a l s t r e n gt h e n i n g of p r e - s t r e s s e d b ri d g e s l a b s w i t h F R P s y s t e m s J A C I J o u r n al， 2 0 0 2 ( 4 7 ) ： 7 6 9 3 【 7 丁亚红， 王兴国， 曾宪桃 ， 等 持续荷载作用下外贴F R P 片材加固混 凝土梁承载力影响因素分析 J 】 _ 工程力学， 2 0 0 7 ， 2 4 ( I ) ： 1 5 4 1 5 8 8 1 岳清瑞， 李庆伟， 杨勇新 纤维增强复合材料嵌入式加固技术 工业 建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 - 4 【 9 】 曾宪桃， 段敬民， 丁亚红内嵌预应力碳纤维增强塑料筋混凝土梁正 截面承载力计算f J 1 工程力学, 2 0 0 6 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 1 2 1 1 6 【 1 0 H a k a n N o r d i n ， B j O 1 3 1 T al j s t e n ， C o n c r e t e b e am s s t r e n g t h e n e d w i t h p r e s t r e s s e d n e a r s u rf a c e m o u n t e d C F P R 【 J J o u r n a l o f C o mp o s i t e s f o r C o n - s t ru e t i o n ， 2 0 0 6 ， l 0 ( 1 ) ： 6 0 6 8 1 1 G 8 5 0 0 1 o - 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范f s 】 E 京： 中国建筑工业出版 社 。 2 0 0 2 ( 3 ) 作者简介： 单位地址 ： 联系电话： 丁亚红( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 副教授， 博士生， 主要从事建筑加固与 力学分析方面的研究工作。 河南焦作市 河南理工大学土木工程学院( 4 5 4 0 0 3 ) 0 3 91 3 9 8 7 2 3 4