緩黏結預應力技術研究與應用

吳轉琴

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

1 緩黏結預應力技術發展概況

緩黏結預應力技術是一種新的預應力技術[1]，與無黏結預應力技術相比，由于預應力筋與混凝土之間的黏結作用，緩黏結預應力混凝土結構具有更好的延性、抗震性、抗裂性、耐疲勞性能;與有黏結預應力技術相比，不需要預埋波紋管和灌漿，施工工藝更加簡單，單孔錨固避免了群錨的復雜構造，因此，緩黏結預應力技術具有比無黏結預應力和有黏結預應力更廣泛的適用性和應用前景。

日本在1987年開始研制緩黏結預應力筋[2]，并于1996年開始應用于橋梁的橫向預應力部位，2001年應用在橋梁的縱向預應力部位。我國鐵路橋梁也在20世紀90年代中期開始研究采用緩凝砂漿作為膠黏劑[2-4]的緩黏結預應力技術，并應用在預應力混凝土橋梁中。2002年中冶建筑研究總院有限公司[5-9]和天津市建筑科學研究院[10]開始用環氧樹脂作為膠黏劑研制緩黏結預應力筋。2006年緩黏結預應力鋼絞線生產線研制成功[8]并在工程中應用，2008年緩黏結預應力技術的相關行業標準立項并開始編制。

2 緩黏結預應力技術特點

緩黏結預應力筋構造見圖1，在預應力筋的外側、外包護套內部包裹一定厚度的特殊膠凝材料，其前期相當于無黏結的防腐油脂，具有一定流動性及對鋼材良好的附著性;經擠壓涂包工藝將預應力鋼絞線及外包護套內的空隙填充并緊密封裹，緩黏結黏合劑隨著時間逐漸固化，與預應力筋、外包護套之間產生黏結力。外包高強度護套表面通過機械壓出具有一定高度的橫肋，當膠凝材料完全固化后，通過緩黏結黏合劑與護套的橫肋與周圍混凝土咬合，預應力鋼絞線不能在混凝土中自由滑動，緩黏結預應力鋼絞線與混凝土便產生了黏結錨固作用。

圖1 緩黏結預應力筋示意圖

緩黏結預應力鋼絞線是單根鋼絞線通過涂敷黏合劑和涂包護套形成的，與無黏結預應力鋼絞線的構造相似，因此，它具有無黏結預應力技術施工方便的優點，可以單根鋼絞線布置，更適合于布置在板內，特別是橋面板內;克服了有黏結預應力波紋管、群錨、螺旋筋在鋼筋密集處布置困難的問題。從緩黏結預應力混凝土的咬合錨固原理可以看出，緩黏結預應力技術的關鍵有兩點:首先是可以控制固化時間的緩黏結黏合劑，使預應力鋼絞線前期像無黏結筋一樣可以自由滑動和張拉;其次是緩黏結鋼絞線外包護套的橫肋，通過橫肋可以使鋼絞線與混凝土緊密咬合，產生可靠黏結，達到有黏結預應力的黏結效果和力學性能。另外，緩黏結黏合劑具有一定的防腐作用，黏合劑與鋼絞線緊密結合，可以提高鋼絞線的耐腐蝕性能。

3 緩黏結預應力技術研究

3.1 鋼絞線摩擦系數

不同廠家生產的緩凝結預應力鋼絞線初始黏度不同，外包護套橫肋形狀不同，張拉時間不同，因此，摩擦系數也有所不同，從目前發表的試驗數據看摩擦系數相差較大。

文獻[6]測試了橫肋較小、早期張拉的緩黏結預應力鋼絞線，得到偏差摩擦系數κ=0.003 8，摩擦系數μ=0.074;

文獻[13]測試15 d齡期緩黏結鋼絞線，κ值在前期穩步增長，從0.003 4～0.012 0，存在一個迅速增長時間，很快增長到0.114 8，μ值與黏合劑黏度差別不大，基本為0.20。

測試的張拉適用期2個月的緩黏結鋼絞線，40 d進行張拉時，局部偏差摩擦系數κ約為0.007 7;當達到張拉適用期的臨界期限60 d時張拉，局部偏差摩擦系數κ約為0.010 2，可見，局部偏差系數與鋼絞線生產后的齡期有關，隨著齡期增大，系數增大，摩擦損失增大，因此應該控制在張拉適用期內張拉;當達到張拉適用期的臨界期限時張拉，摩擦系數μ值在0.089 0～0.120 9之間，平均為0.102 6，與無黏結預應力鋼絞線的摩擦系數相差不大。

3.2 黏合劑固化后的的力學性能

緩黏結黏合劑在固化后具有很高的強度，能夠保證黏合劑與鋼絞線有足夠的黏結力，緩黏結黏合劑的強度是保證緩黏結鋼絞線與混凝土之間黏結強度的基礎。為此，對固化后黏合劑進行了強度測試，試件尺寸為160 mm ×40 mm ×40 mm。根據試驗研究[9]，圖 2為試件立著受壓的應力—應變曲線，緩黏結黏合劑固化后強度和彈性模量:抗拉強度≥25 MPa，抗壓強度≥50 MPa，拉剪強度≥10 MPa(金屬—金屬間)，彈性模量≥2.17×103MPa。

3.3 緩黏結鋼絞線黏結錨固性能

圖2 黏合劑固化后受壓應力—應變關系曲線

緩黏結預應力鋼絞線與混凝土之間的錨固性能是保證緩黏結預應力混凝土力學性能優于無黏結預應力混凝土結構的基礎，只有保證緩黏結預應力鋼絞線與混凝土之間可靠的黏結錨固性能，緩黏結鋼絞線在混凝土內滑移需要吸收能量，才可以保證混凝土結構的延性，保證預應力混凝土結構的抗震延性、更好的抗裂性能和更高的承載能力。

按圖3制作試件，試件尺寸采用150 mm的立方體，混凝土強度等級C40，兩端部設置 PVC套管，使緩黏結預應力鋼絞線與混凝土分開，套管直徑30 mm，長度各37 mm;φ6 mm箍筋4個，緩黏結預應力鋼絞線與混凝土之間的黏結錨固長度取5倍鋼絞線直徑，為76 mm。緩黏結黏合劑固化且混凝土達到設計強度后通過千斤頂對鋼絞線施加拉力，檢測鋼絞線非張拉端的滑移量，測量滑移量及相應的拉力值。

圖3 試件主要尺寸(單位:mm)

圖4為拉拔試驗測得的黏結剪切應力—滑移之間的關系，可以看出:緩黏結鋼絞線的黏結產生的剪切強度非常高，可以達到4 MPa;滑移量在0.5 mm時，強度就達到2.5 MPa;滑移量大，但是沒有發生黏結破壞，這可以提高鋼絞線與混凝土之間滑動所吸收的能量，也就是提高結構的延性，提高吸收地震能量的能力，提高預應力混凝土結構抗震性能。

圖4 緩黏結鋼絞線荷載—滑移曲線

3.4 框架節點滯回曲線

滯回曲線試驗是研究結構地震荷載作用下延性和吸收地震能量能力的基本試驗。圖5是緩黏結預應力混凝土框架梁柱節點低周反復荷載下試驗試件，將柱子上端壓住并左右固定，在梁的右端施加上、下低周反復荷載，得到圖6所示的荷載—位移滯回曲線。

圖5 緩黏結預應力混凝土節點抗震試驗(單位:mm)

圖6 緩黏結梁柱節點荷載—位移滯回曲線

從滯回曲線可以看出，緩黏結預應力混凝土框架結構節點荷載—位移滯回曲線開始呈梭形，后逐步轉換為弓形;滯回環出現一定程度的捏縮現象，且捏攏程度隨加載過程逐次加大，表明鋼筋滑移的影響隨著變形的加大而增大。因為非對稱配筋、P—Δ效應和材料離散性的影響，滯回曲線均表現出拉、壓不對稱性。僅配置普通鋼筋一側具有明顯的屈服點，配置預應力筋一側屈服點不明顯，僅配置普通筋一側的承載力率先進入退化階段后，配置預應力筋一側的承載力仍然可以繼續增大。

位移延性系數μΔ是構件破壞變形與屈服變形的比值，它反映了結構或者構件在屈服后塑性變形的能力，較大的變形能力就能吸收和耗散較大的能量。梁端位移延性系數μΔ采用極限荷載時梁端豎向位移與節點屈服時梁端豎向位移進行計算，試驗測得 μΔ=3.86，滿足抗震性能及延性系數μΔ≥3的要求。

3.5 梁的受彎性能

緩黏結預應力混凝土梁受彎時表現出與有黏結預應力混凝土梁相近的力學性能[10]:緩黏結預應力混凝土試驗梁在開裂前基本處于線彈性工作階段，撓度與荷載基本成線性關系;開裂彎矩和極限彎矩與按有黏結預應力理論所得的計算值較為接近;緩黏結預應力試驗梁破壞時裂縫均勻分布在純彎段，表明緩黏結預應力筋和混凝土之間具有足夠的黏結力;緩黏結預應力試驗梁的撓度在開裂前與按有黏結理論得到的計算值相近，表明按照有黏結理論來計算緩黏結預應力混凝土的撓度是可行的。

文獻[12]對緩黏結預應力混凝土 T梁裂縫寬度進行了試驗研究，得出了裂縫寬度計算公式(1)，并與《橋規》(JTG D62)進行了對比。

式中 σss—受拉鋼筋應力;

Es—鋼筋彈性模量;

ρ—配筋率。

3.6 緩黏結預應力混凝土梁疲勞性能

緩黏結預應力技術用在橋梁結構中首要的問題是緩黏結預應力混凝土結構的疲勞性能，通過對12根緩黏結部分預應力混凝土梁疲勞性能的試驗研究得出了如下結論[14-15]:緩黏結預應力混凝土梁與同條件的灌漿有黏結預應力混凝土梁相比，疲勞壽命稍高;給出了部分預應力混凝土梁疲勞演算的建議公式，計算公式與試驗吻合較好;給出了考慮疲勞荷載的裂縫寬度計算公式。

4 工程應用

我國2000年前后在橋梁中采用手敷緩凝砂漿的預應力筋進行試點，2004年天津力神電池擴建項目中采用了緩黏結預應力技術[11]，2006年研制出自動成肋的緩黏結預應力鋼絞線生產線[9]，緩黏結預應力鋼絞線逐漸標準化，目前已經完成40余項工程項目，項目遍及北京、天津、河南、河北、內蒙等地，工程包括機場候機樓、體育場館、展覽中心、禮堂、圖書館、火車站等，主要作用包括控制溫度收縮裂縫、滿足大跨度梁承載力及抗裂、提高框架梁抗震延性等。

1)鄂爾多斯機場候機樓

建筑主體面積6.8萬 m2，建筑物地上兩層，地下一層，主體結構采用鋼筋混凝土結構，混凝土梁采用緩黏結預應力技術，有效降低梁截面尺寸、減小構件的裂縫和撓度;對于混凝土板，緩黏結預應力技術主要控制超長結構的溫度應力。預應力主梁截面高度大部分為1 000 mm，最大跨度約18.0 m，預應力井字梁截面高度大部分為800 mm。部分柱子為鋼骨柱，主梁內預應力筋一部分從鋼骨中穿過，其余部分從梁柱節點加腋區繞過，采用有黏結波紋管是很難穿過的。

2)準格爾旗大路新區體育場

該工程東西寬240 m，南北長260 m，頂部罩棚采用管桁架鋼結構，看臺采用混凝土結構。

體育場周長800 m，分成8個獨立區域，每個獨立區域長約100 m，超過規范規定混凝土結構連續長度，故溫度和混凝土收縮應力需要采取措施解決。體育場頂部罩棚的管桁架鋼結構，管桁架支撐于兩根混凝土柱上，風荷載下柱子受到拉力作用，為防止鋼桁架下混凝土柱在風荷載產生的拉力作用下開裂，在混凝土柱內配置緩黏結預應力鋼絞線。

3)中國人民大學圖書館工程

工程為五層混凝土框架結構，中間部分為跨度16.8 m的混凝土框架梁和次梁，采用緩黏結預應力技術有效地解決了大跨度梁的開裂問題，同時解決了框架梁的端部錨具構造和布置問題。

4)承德城市規劃展覽館工程

工程為32.4 m×33.2 m跨井字梁結構，采用緩黏結預應力技術可以在500 mm寬梁內布置預應力筋，比有黏結預應力布置波紋管更加方便，同時，端部張拉端柱子配筋較密，有黏結預應力的群錨幾乎是不能布置的，而采用緩黏結預應力的單孔夾片錨很容易實現錨具布置和預應力張拉。

5)錦州南站、保康站、雙遼站

目前許多火車站擴建也都采用了大跨度混凝土結構，如錦州南站跨度為18.0 m，保康站跨度為23.7 m，雙遼站跨度為24.3 m，均采用了緩黏結預應力技術控制大跨度混凝土梁的開裂。

5 結論

預應力混凝土結構充分發揮了混凝土抗壓強度和高強鋼材的抗拉強度，是我國建筑業推廣的10項新技術之一，而緩黏結預應力技術是傳統有黏結預應力技術和無黏結預應力技術的發展和改進。試驗研究表明，緩黏結預應力混凝土結構鋼絞線黏結錨固性能、梁彎曲性能、節點抗震延性、梁疲勞性能等都可以達到有黏結預應力混凝土的效果，工程實踐也顯示出其簡單的施工工藝。

兩部產品標準已經在報批中，設計和施工技術規程也將很快完成，三部標準將指導緩黏結預應力鋼絞線的生產、緩黏結預應力混凝土結構的設計、施工及驗收，進一步規范和促進緩黏結預應力技術的推廣應用。

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