肋高對(duì)大直徑緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線粘結(jié)錨固強(qiáng)度的影響

肋高對(duì)大直徑緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線粘結(jié)錨固強(qiáng)度的影響

0膠黏劑對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉伸性能的影響緩沖粘接預(yù)制技術(shù)來(lái)自日本。在引進(jìn)中國(guó)后，中國(guó)科學(xué)家在材料配置、加工、質(zhì)量分析等方面進(jìn)行了研究。圖1所示為緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，由3部分構(gòu)成，分別是預(yù)應(yīng)力鋼絞線、緩凝膠黏劑和外包PE護(hù)套。膠黏劑是緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的核心，主要由主體高分子、稀釋劑、固化劑、增韌劑以及填料多種成分混合而成，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力能否達(dá)到一定效果完全取決于膠黏劑是否穩(wěn)定發(fā)揮了功效對(duì)于混凝土構(gòu)件來(lái)說(shuō)，鋼筋與混凝土是否能產(chǎn)生足夠的粘結(jié)錨固強(qiáng)度一直是需要關(guān)注的問(wèn)題。以往的研究中本次試驗(yàn)選用的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在生產(chǎn)時(shí)采用壓波工藝，膠黏劑與外包PE護(hù)套在經(jīng)機(jī)器壓制過(guò)后形成肋，可增強(qiáng)與混凝土之間的粘結(jié)錨固作用。就大直徑緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋而言，存在多種規(guī)格的肋高。肋高示意如圖2所示。目前，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)計(jì)使用年限是100年，但是外包PE護(hù)套的使用年限只有30年，也就是說(shuō)，在緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線埋入混凝土構(gòu)件里的30后，外包PE護(hù)套將會(huì)逐漸老化，并且強(qiáng)度與其他力學(xué)性能開(kāi)始衰減，肋與混凝土的粘結(jié)錨固作用與之前相比存在區(qū)別，因此探究此時(shí)不同肋高下的粘結(jié)錨固強(qiáng)度，尋求出最優(yōu)肋高十分關(guān)鍵。測(cè)量粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)方法種類(lèi)較多，主要有立方體中心拔出試驗(yàn)、兩端對(duì)拉試驗(yàn)、全梁式試驗(yàn)、半梁式試驗(yàn)，GB50152—1992《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》1構(gòu)件與試塊的制作本次試驗(yàn)采用大直徑(21.8mm)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，取不同肋高(1.8,2.0,2.2,2.4,2.6mm)，每種肋高取3根鋼絞線制成構(gòu)件。本次試驗(yàn)采用C40混凝土，根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》試驗(yàn)構(gòu)件截面邊長(zhǎng)取10d(d為鋼絞線直徑)，采用250mm×250mm，有效粘結(jié)長(zhǎng)度取10d，為避免局部擠壓，需在張拉端預(yù)留長(zhǎng)度為80mm塑料套筒使鋼絞線與混凝土隔離。因此構(gòu)件試塊尺寸確定250mm×250mm×300mm。鋼絞線采用中心配置。膠黏劑采用快速固化配方，在膠黏劑固化后將護(hù)套剝除，并在膠黏劑表面涂抹一層1mm厚的石膏漿模擬老化之后的外包護(hù)套。在構(gòu)件中加入直徑為6mm的箍筋(間距100mm)以及4根普通鋼筋，保護(hù)層厚度取20mm，如圖2所示。在混凝土澆筑時(shí)預(yù)先留置3組立方體試塊以測(cè)量試驗(yàn)時(shí)混凝土強(qiáng)度(見(jiàn)圖3,4)。本次試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，如圖5所示，配合鋼架使用，鋼架與試驗(yàn)機(jī)頂端相連，構(gòu)件放于鋼架上，張拉端鋼絞線朝下并使用夾具固定，試驗(yàn)加載時(shí)，夾具與張拉端鋼絞線保持不動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)帶動(dòng)鋼架緩慢上升，相當(dāng)于鋼絞線從構(gòu)件中拔出。試驗(yàn)加載速度取為5kN/min。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1構(gòu)件破壞形式試驗(yàn)在混凝土澆筑之后的1個(gè)月進(jìn)行，試驗(yàn)之前對(duì)混凝土試塊強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，平均強(qiáng)度為43MPa。緩凝膠黏劑的平均拉剪強(qiáng)度為12MPa。試件的極限荷載與破壞類(lèi)型如表2所示。由表2可知，肋高在2.2mm以下的構(gòu)件破壞形式均為拔出破壞，而當(dāng)肋高≥2.2mm時(shí)，構(gòu)件破壞均為劈裂破壞，破壞界面均為緩凝膠黏劑-混凝土界面?？梢?jiàn)本次試驗(yàn)中構(gòu)件的破壞形式以2.2mm的肋高為分界點(diǎn)。打開(kāi)發(fā)生拔出破壞的試件(肋高<2.2mm)內(nèi)部，未見(jiàn)裂縫，可見(jiàn)緩凝膠黏劑碎屑與混凝土殘?jiān)?，肋在與混凝土作用下被部分剪斷，混凝土所形成的咬合齒上也有明顯摩擦痕跡，如圖6所示。打開(kāi)發(fā)生劈裂破壞的試件(肋高≥2.2mm)內(nèi)部，可見(jiàn)順筋裂縫，有些許緩凝膠黏劑殘?jiān)呶幢患魯?，咬合齒未有明顯的摩擦痕跡，如圖7所示。2.2混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼絞線的粘結(jié)根據(jù)表1中的極限承載力，可以按式(1)計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼絞線的平均粘結(jié)應(yīng)力。式中:根據(jù)平均極限承載力、平均極限粘結(jié)應(yīng)力如圖8所示。圖7中，曲線上端為粘結(jié)應(yīng)力數(shù)值(MPa)，下端為極限承載力數(shù)值(kN)，由圖可知，肋高在2.2mm以下時(shí)，極限承載力隨著肋高的升高產(chǎn)生了較大的變化，當(dāng)肋高從1.8mm到2.2mm時(shí)，極限承載力增大了27kN，平均粘結(jié)應(yīng)力增大了1.8MPa。而當(dāng)肋高增大到2.2mm及以上時(shí)，極限承載力穩(wěn)定在210kN附近，未產(chǎn)生明顯的變化。表明在在本次試驗(yàn)中2.2mm的肋高為最優(yōu)肋高。本文引入純肋高的概念，指緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線表面肋在混凝土實(shí)際工作的高度，為原先肋高減去本次試驗(yàn)所涂覆石膏漿高(1mm)所得，如圖9所示。粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)作用主要由3部分組成，化學(xué)膠著力、摩擦力以及咬合力在發(fā)生拔出破壞的試件中，肋高較小，在去除1mm之后的最大純肋高為1mm，肋與混凝土的粘結(jié)較小，加載至極限荷載附近時(shí)，肋容易在純肋根部?jī)?nèi)沿著圖10中破壞截面被剪斷，與此同時(shí)，肋與混凝土不斷增大擠壓力使混凝土出現(xiàn)摩擦痕跡，因此混凝土的咬合齒出現(xiàn)少許破壞并掉落殘?jiān)A(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土出現(xiàn)較大滑動(dòng)。在發(fā)生劈裂破壞的試件中，肋高較大，去除外涂石灰漿的厚度之后最小純肋高為1.2mm，能與混凝土產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)力，在加載時(shí)肋不易受到剪切破壞，隨著拉拔力的不斷增大，肋與混凝土之間產(chǎn)生的擠壓力越來(lái)越大，到達(dá)極限荷載附近時(shí)，張拉端處鋼絞線附近的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫逐漸不斷發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)自由端時(shí)，構(gòu)件發(fā)生劈裂破壞。3數(shù)值優(yōu)化方法通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)此類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行模擬，構(gòu)件中鋼絞線通過(guò)膠黏劑進(jìn)行替代，肋表面無(wú)附加材料，膠黏劑的彈性模量與泊松比選用文獻(xiàn)ANSYS軟件提供了零階優(yōu)化和一階優(yōu)化兩種優(yōu)化方法，這兩種分析方法屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的規(guī)劃法，可處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。在優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)和變量的值，這些函數(shù)值稱為零階值。目標(biāo)函數(shù)對(duì)變量的一次微分，稱為一階值。同理，二次微分則稱為二階值。一次優(yōu)化過(guò)程如果只用到零階值則稱為零階方法，用到零階和一階值，則稱為一階方法。一階方法為間接法，基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度的方法。同零階方法一樣，一階方法通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)來(lái)求解。一階方法使用因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，在每次迭代中，計(jì)算梯度確定了搜索方向。由于該方法在每次迭代中要產(chǎn)生一系列的自迭代，所以占用的時(shí)間和空間比較多，但是其計(jì)算精度高，適用于精確的優(yōu)化分析。最優(yōu)化機(jī)構(gòu)方案可以包括很多方面:結(jié)構(gòu)幾何形狀、尺寸、總體積最小或者其他構(gòu)件等。在大棚研究中，幾何形狀即為圓柱形，可以改變直徑和厚度，使結(jié)構(gòu)總重量最輕，從而達(dá)到最佳的性價(jià)比。本文的載荷均為在筋上施加一個(gè)3mm位移，目標(biāo)函數(shù)為肋高最大，在ANSYS中修改為肋高的倒數(shù)，即變?yōu)樽钚』瘑?wèn)題。其狀態(tài)變量為肋方向剪應(yīng)力小于4MPa，即為混凝土抗拉極限。通過(guò)7次迭代，得到最優(yōu)肋高為1.28mm。具體迭代序列如表3所示。由圖16～22所示，模型在經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，整體模型位移未發(fā)生變化，但是預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)值均減小。模型中的肋高即為上文中所提純肋高，在加上1mm的外包護(hù)套或者外涂石灰漿的厚度之后，即為2.28mm，與試驗(yàn)結(jié)果相似。4試驗(yàn)中的肋高1)緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線肋高<2.2mm時(shí)，拉拔試驗(yàn)的極限承載力隨著肋高的升高有明顯的上升趨勢(shì)，且在加載之后構(gòu)件均為拔出破壞。肋高為2.2mm時(shí)，極限承載力達(dá)到最大，當(dāng)肋高繼續(xù)上升時(shí)，極限承載力未有明顯變化，且此時(shí)構(gòu)件均發(fā)生劈裂破壞。因此可推斷在本次試驗(yàn)中，表面涂覆肋高為2.2mm緩凝膠黏劑最合適，此肋高為最優(yōu)肋高。2)肋高<2.2mm時(shí)，肋在試驗(yàn)