基于安全分析的預(yù)應(yīng)力混凝土滾軸式彎起器優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于安全分析的預(yù)應(yīng)力混凝土滾軸式彎起器優(yōu)化設(shè)計(jì)

0新型彎起器的提出在預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中，首先張結(jié)構(gòu)的工藝簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，并且不受錨下張力的集中，因此后張法是無(wú)與倫比的。然而，線性切割方法嚴(yán)重限制了其橫跨能力和應(yīng)用范圍。為此,可在施工時(shí)將預(yù)應(yīng)力筋布置成兩端彎起的折線形式,形成一種“折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁”的新型結(jié)構(gòu);彎起器是這種新型結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵構(gòu)件。目前工程中使用的彎起器主要有滾軸式與拉板式兩種;滾軸式彎起器以園形截面的導(dǎo)向輥實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋的彎折,拉板式則往往直接在板上鉆孔以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的固定。由于受到結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造要求的限制,滾軸式彎起器導(dǎo)向輥半徑往往較小,工程中以R=10mm與R=19.5mm居多;而拉板式由于板厚限制與加工難度的影響,更是無(wú)法對(duì)起彎點(diǎn)進(jìn)行過(guò)多考慮。于是,預(yù)應(yīng)力筋將在起彎點(diǎn)處形成一個(gè)“折點(diǎn)”,產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而影響先張梁的整體力學(xué)性能;同時(shí),其還會(huì)導(dǎo)致鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度的折減、延性的降低以及預(yù)應(yīng)力摩擦損失的增大,在影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí),更嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)在施工與使用中的安全性。本文基于傳統(tǒng)彎起器存在的不足,提出了一種新型彎起器的構(gòu)想;同時(shí)選用不同導(dǎo)向半徑R、不同彎折角度θ,設(shè)計(jì)了詳細(xì)的試驗(yàn)方案,以研究不同參數(shù)的彎起器對(duì)預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)性能的影響,驗(yàn)證新型彎起器的優(yōu)越性,為折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的深入研究提供一定的幫助與參考。1新曲線處理的概念和盒式曲線處理的設(shè)計(jì)1.1導(dǎo)向半徑確定相比拉板式,滾軸式彎起器雖然構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,但其加工難度小,優(yōu)化改良容易。新型彎起器以滾軸式彎起器為基礎(chǔ),綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋布置等構(gòu)造要求,對(duì)其園形截面的導(dǎo)向輥進(jìn)行改良,采用一種具有特定導(dǎo)向半徑R與最大導(dǎo)向角θ的扁平式截面導(dǎo)向構(gòu)件代替原導(dǎo)向輥,以實(shí)現(xiàn)起彎、導(dǎo)向、定位的功能,并減小對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能的影響。導(dǎo)向半徑選用優(yōu)化半徑R=600mm;考慮工程實(shí)際與構(gòu)造要求,最大起彎角選為12°。新型彎起器是對(duì)原滾軸式彎起器的優(yōu)化與改良,其能滿足實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)尺寸與鋼筋布置等構(gòu)造要求,在相同條件下增大了鋼絞線和導(dǎo)向構(gòu)件的接觸面積,將會(huì)大大減輕接觸面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象與折點(diǎn)效應(yīng),從而減小了對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能的影響,削弱了鋼絞線折點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象,是一種科學(xué)合理的新型彎起器。1.2彎起器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了研究不同導(dǎo)向半徑R與彎折角度θ時(shí)彎起器對(duì)鋼絞線力學(xué)性能的影響,首先選用常用半徑與優(yōu)化半徑R=10mm、19.5mm、600mm,另增選R=50mm、100mm共五組半徑作為了試驗(yàn)用導(dǎo)向構(gòu)件半徑;考慮到工程中的復(fù)雜性,選取θ=4.35°、6.45°、8.65°、10.75°、12.85°、14.95°作為試驗(yàn)折角。根據(jù)選取的導(dǎo)向構(gòu)件半徑R與試驗(yàn)折角θ,設(shè)計(jì)了如圖1所示的盒狀彎起器。盒狀彎起器由鋼板與導(dǎo)向構(gòu)件組焊而成,其長(zhǎng)800～860mm,寬210～270mm,高50mm。彎起器外框由10mm厚鋼板組成,下為整體底板,上有3組蓋板(每組1條或2條蓋板),兩側(cè)有邊板;在每組蓋板與底板間各設(shè)置有2～3塊30mm厚導(dǎo)向構(gòu)件,兩端導(dǎo)向構(gòu)件起彎點(diǎn)間距取800mm。導(dǎo)向構(gòu)件與底板、蓋板良好焊接,以承受試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的垂直于軸向的力;3組蓋板下的導(dǎo)向構(gòu)件相互組合,實(shí)現(xiàn)3組不同的試驗(yàn)折角,完成對(duì)鋼絞線彎折拉力學(xué)性能的影響試驗(yàn)。本試驗(yàn)共選用了5種導(dǎo)向構(gòu)件半徑,6種試驗(yàn)角度,共設(shè)計(jì)了10組盒狀彎起器:Box-01～Box-10。2試驗(yàn)計(jì)劃的設(shè)計(jì)2.1鋼絞線極限拉力(1)測(cè)試不同導(dǎo)向半徑R、不同彎折角度θ時(shí),鋼絞線極限拉力Fu與彎折延性性能的變化情況。(2)測(cè)試不同導(dǎo)向半徑R、不同彎折角度θ時(shí),導(dǎo)向構(gòu)件與鋼絞線間摩擦所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失情況。2.2qxl-500試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)采用臥位試驗(yàn)的安裝加載方案,分為直拉試驗(yàn)與彎折拉試驗(yàn)。直拉試驗(yàn)主要用于對(duì)鋼絞線基本極限強(qiáng)度Fm、極限伸長(zhǎng)量Δlm及彈性模量Gp的測(cè)定,并作為彎折拉試驗(yàn)的基礎(chǔ)對(duì)比試驗(yàn)。彎折拉試驗(yàn)則用于受彎起器影響的鋼絞線彎折力學(xué)性能的測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案,共進(jìn)行42組鋼鉸線的拉伸試驗(yàn):直拉試驗(yàn)3組;5種導(dǎo)向半徑6種彎折角度每組一根鋼絞線共30組;另選取R=10mm、19.5mm、600mm三種導(dǎo)向半徑的常用折角θ=4.35°、6.45°與最大折角θ=14.95°的9組進(jìn)行補(bǔ)充校核試驗(yàn)。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)狀況如圖2～3所示,QXL-5000設(shè)置有易于裝卸的主機(jī)安全防護(hù)網(wǎng)與軸端防護(hù)網(wǎng)罩,試驗(yàn)過(guò)程安全可靠;試驗(yàn)具體步驟如下:(1)在同一卷鋼絞線上截取長(zhǎng)度L≮3800mm的鋼鉸線,在距鋼絞線一端800mm處以間距400mm連續(xù)選取4個(gè)截面Ⅰ～Ⅳ作為應(yīng)變測(cè)試截面,每個(gè)測(cè)試截面對(duì)稱(chēng)粘貼2片電阻應(yīng)變片;直拉試驗(yàn)則只需選取1個(gè)測(cè)試截面。(2)打開(kāi)QXL-5000試驗(yàn)機(jī)上端主機(jī)保護(hù)網(wǎng),在試驗(yàn)機(jī)下端兩根承力機(jī)架上放置墊塊,將盒狀彎起器水平支于試驗(yàn)機(jī)內(nèi),鋼絞線通過(guò)盒狀彎起器對(duì)應(yīng)的3塊導(dǎo)向構(gòu)件形成的對(duì)應(yīng)彎折角度后,兩端錨固于QXL-5000試驗(yàn)機(jī)兩端;其中Ⅰ、Ⅳ截面位于盒狀彎起器兩端外側(cè),Ⅱ、Ⅲ截面分別位于盒狀彎起器3塊導(dǎo)向構(gòu)件中間,鋼絞線安裝時(shí)注意不要損傷粘貼好的應(yīng)變片。(3)將應(yīng)變測(cè)試截面上各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)按1/4橋路接入DH-3816多測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)接入溫度補(bǔ)償片;關(guān)上QXL-5000試驗(yàn)機(jī)上端主機(jī)保護(hù)網(wǎng),將軸端防護(hù)網(wǎng)罩就位,初始化DH-3816多測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),開(kāi)啟QXL-5000試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備加載測(cè)試。(4)選取F=20kN作為初始荷載,并選取20%Fm、30%Fm、40%Fm、50%Fm、60%Fm、70%Fm、75%Fm、80%Fm作為特征荷載;試驗(yàn)時(shí)在初始荷載F=20kN處開(kāi)始記錄F-Δl拉伸試驗(yàn)曲線,在初始荷載與特征荷載時(shí)持荷1min后采用DH-3816多測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)記錄各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值;試驗(yàn)過(guò)程中鋼絞線承受的拉力Fi與對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量Δli由QXL-5000試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)記錄。(5)荷載達(dá)到80%Fm持荷并完成應(yīng)變記錄后,拆除DH-3816多測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng);加載直至鋼絞線破壞(至少有一根鋼絲被拉斷),鋼絞線極限承載力Fu及其對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量Δlu也由QXL-5000試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)記錄。3試驗(yàn)處理3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析每組試驗(yàn)結(jié)束時(shí),應(yīng)仔細(xì)觀測(cè)鋼絞線試驗(yàn)破斷情況以及各轉(zhuǎn)向構(gòu)件處鋼絞線狀態(tài),并照相記錄;在所有試驗(yàn)結(jié)束后,提取QXL-5000試驗(yàn)系統(tǒng)中各組試驗(yàn)的Fu、Δlu以及F-Δl數(shù)據(jù)。(1)觀察不同試驗(yàn)條件下鋼絞線破斷狀態(tài)與F-Δl拉伸試驗(yàn)曲線,分析不同條件時(shí)鋼絞線試驗(yàn)現(xiàn)象與破斷狀態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理。(2)統(tǒng)計(jì)不同試驗(yàn)條件下鋼絞線試件極限拉力Fu的變化情況,繪制相應(yīng)圖表與曲線,以分析不同導(dǎo)向半徑R與不同彎折角度θ對(duì)鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。(3)統(tǒng)計(jì)不同試驗(yàn)條件下鋼絞線試件最大伸長(zhǎng)量Δlu的變化情況,計(jì)算鋼絞線的最大力總伸長(zhǎng)率Agt、屈服伸長(zhǎng)率Ayt,繪制相應(yīng)圖表與曲線,以分析不同導(dǎo)向半徑R與不同彎折角度θ對(duì)鋼絞線延性性能的影響規(guī)律。3.2彎起器根據(jù)回收率的確定在試驗(yàn)結(jié)束后,提取DH-3816測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù):(1)分析Ⅰ、Ⅳ截面與Ⅱ、Ⅲ截面各測(cè)點(diǎn)間應(yīng)變或應(yīng)變?cè)隽繙y(cè)試數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,分析彎起器引起的鋼絞線彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失隨導(dǎo)向半徑R與彎折角度θ的變化規(guī)律。(2)試驗(yàn)采用臥位試驗(yàn),盒狀彎起器水平支于試驗(yàn)機(jī)內(nèi),無(wú)需考慮重力的影響。μ=ε1ˉˉˉ?ε2ˉˉˉε1ˉˉˉ×sinθ=Δε1ˉˉˉˉˉˉ?Δε2ˉˉˉˉˉˉΔε1ˉˉˉˉˉˉ×sinθμ=ε1ˉ-ε2ˉε1ˉ×sinθ=Δε1ˉ-Δε2ˉΔε1ˉ×sinθ(1)以公式(1)計(jì)算不同導(dǎo)向半徑R與不同彎折角度θ時(shí)彎起器所產(chǎn)生的摩阻系數(shù)μ;繪制相應(yīng)圖表與曲線,以分析不同導(dǎo)向半徑R與不同彎折角度θ對(duì)摩阻系數(shù)μ的影響規(guī)律。(3)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),考慮摩阻系數(shù)μ隨導(dǎo)向半徑R與彎折角度θ的變化規(guī)律,總結(jié)出不同條件時(shí)彎起器彎折摩阻預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式。4下增大導(dǎo)向半徑r的影響本文基于現(xiàn)有彎起器存在的不足,提出了采用扁平導(dǎo)向構(gòu)件代替園形截面導(dǎo)向輥的構(gòu)想;新型彎起器是對(duì)傳統(tǒng)彎起器進(jìn)行優(yōu)化與改良得來(lái),在相同條件下增大導(dǎo)向半徑R無(wú)疑將會(huì)增大彎起處鋼絞線