粘結劑固化度對緩粘結預應力梁力學性能的影響*

王占飛， 徐卓君， 王子怡， 王　強， 徐　巖

(沈陽建筑大學 a. 交通工程學院， b. 土木工程學院， 沈陽 110168)

緩粘結預應力技術結合了無粘結預應力和有粘結預應力的優點，施工時工藝簡單，在使用時具有有粘結預應力安全可靠的力學性能，工程應用廣泛[1].本文使用的緩凝膠黏劑是環氧樹脂緩粘結劑，在張拉適用期內張拉緩粘結預應力鋼束類似于張拉無粘結預應力鋼束.隨著緩粘結劑逐漸固化，當緩粘結劑的邵氏硬度達到80 D時，達到與有粘結預應力混凝土相同的傳力機制[2].國內外很多學者在緩粘結劑的性質、緩粘結預應力混凝土梁的傳力機制、力學效果等方面均有研究，主要側重于緩粘結預應力混凝土結構裂縫的開展[3-5]，摩阻及相關系數的確定[6-8]，在張拉適用期內緩粘結劑對預應力鋼束張拉的影響，以及緩粘結劑完全固化后該類預應力混凝土的力學性能研究[9-10]等，相關研究也表明緩粘結預應力的應用前景廣泛[11].

目前存在的關鍵問題是施工環境復雜，施工中可能存在超過張拉適用期張拉的情況，而不同時期進行預應力張拉對緩粘結預應力鋼束與混凝土之間的傳力機制，對結構承載力和開裂荷載等力學性能的影響尚不明確.這在一定程度上阻礙了該技術在我國的應用和發展.本文通過在不同時期內對緩粘結預應力梁進行預應力張拉，完全固化后同時進行抗彎性能試驗，觀測并記錄梁從開裂到破壞整個過程的各項力學性能指標，通過試驗數據的分析對比，探明不同固化程度下進行預應力張拉對緩粘結預應力混凝土梁力學性能的影響，為該技術的工程應用提供理論基礎.

1　試驗基本概況

考慮不同固化時期進行預應力張拉(從無粘結到有粘結最后完全固化)對緩粘結預應力梁力學性能的影響，制作了3根緩粘結預應力梁并按緩粘結劑固化度不同分3批次張拉，1號試件在張拉適用期內張拉，2號試件在固化期內張拉，3號試件達到完全固化后進行張拉.完全固化后將3組預應力試件梁同時進行加載試驗，對比分析通過加載試驗得出的數據，探明張拉時緩粘結劑的固化程度對緩粘結預應力混凝土梁力學性能的影響.

1.1　試件的制作

試驗前，制作了3個緩粘結預應力混凝土試件梁，梁長3 300 mm，截面為300 mm×400 mm，混凝土強度等級為C50，在梁內直線布置3根φs15.2的緩粘結預應力鋼絞線，其力學性能符合國家標準《預應力混凝土用鋼筋》.試件梁純彎段的箍筋間距為250 mm，彎剪段間距為80 mm.緩粘結預應力混凝土梁構造如圖1所示(單位：mm).

圖1　試驗試件Fig.1　Experimental specimen

1.2　試驗加載制度

試驗采用三分點兩點同步靜力單調加載方式(純彎段長度為梁高的2.5倍)，加載裝置如圖2所示(單位：mm).加載過程為：1)混凝土開裂前，采用單調遞增的加載方式至混凝土開裂時卸載；2)卸載后，重新連續加載到開裂荷載的1.1倍，持載5 min，繼續加載到開裂荷載的1.2倍，持載，依此類推，直至試驗梁達到最大承載力，卸載，試驗加載結束.

1.3　試驗裝置及監測內容

1.3.1試驗梁應變片布置

在梁側面、底面和頂面布置混凝土應變片監測混凝土的應變，其位置如圖3所示(單位：mm).

1.3.2試驗的監測內容

在梁抗彎性能試驗過程中，主要的監測內容包括梁承載力、豎向變形、純彎段混凝土的應變、梁端預應力鋼筋的應力變化以及混凝土裂縫開裂狀況等內容.張拉及試驗時通過LX-A邵氏硬度計測試同條件養護下的緩粘結劑固化情況，以此了解緩粘結試件梁內部緩粘結劑的固化狀況.梁承載力采用加載千斤頂上的壓力傳感器讀取，通過試件兩端放置的50 t電子式壓力傳感器測得試件梁兩端預應力筋的應力變化.通過位移計測得梁的撓度變化，通過應變片和裂縫綜合測試儀測量混凝土應變和裂縫的發展狀況.

圖2　加載裝置及儀器布置Fig.2　Loading device and equipment arrangement

圖3　應變片測位示意圖Fig.3　Schematic strain gauge measuring position

2　試驗結果及分析

2.1　緩粘結劑的固化情況

在進行預應力張拉和抗彎性能試驗時，同步測得緩粘結劑的固化程度.其中，1號試件梁張拉時處于張拉適用期，承載力試驗時處于固化期，2、3號試件梁在張拉時和抗彎性能試驗時均在固化期.緩粘結劑固化情況如表1所示.

表1　緩粘結劑的固化程度Tab.1　Curing degree of retard-bonded agent

2.2　荷載撓度曲線

圖4　荷載撓度曲線Fig.4　Load-deflection curves

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁規范》，按照有粘結預應力的計算公式得出試件梁的開裂荷載和最大荷載理論值，并與實測值作比較.結果表明，張拉時緩粘結劑處于張拉適用期的1號試件梁開裂荷載實測值與理論值相當，超出張拉適用期的2號試件梁開裂荷載小于理論值，其中張拉時緩粘結劑固化程度越低，開裂荷載和最大荷載越高，殘余變形越小，試件梁延性增強.其中，1、2、3號試件梁最大荷載分別增加23.9%、11.4%、9.4%.試件梁的開裂荷載、最大荷載以及殘余變形統計如表2所示.

表2　開裂荷載、最大荷載及殘余變形Tab.2　　　　Cracking load，maximum load and residual deformation

2.3　梁端預應力鋼筋的應力變化

圖5為梁在荷載試驗過程中，預應力梁兩端測得的預應力鋼筋隨豎向荷載的變化情況.由圖5可知，張拉時緩粘結劑固化度為0的1號梁在加載初期鋼絞線端部應力基本不增長，當荷載達到試件梁開裂荷載240 kN時，鋼絞線應力仍然增長緩慢，繼續加大荷載至480 kN時，鋼絞線應力開始快速增長，裂縫進入快速開展階段，繼續加大荷載至試件梁達到極限承載力時，曲線再次出現拐點，在達到最大承載力596 kN的過程中，鋼絞線的應力增長很小只有167.5 MPa，隨后進入卸載階段，在卸載到160 kN之前鋼絞線應力幾乎不變化，這是因為緩粘結劑形成了較好的粘結力，隨著荷載降低到0，鋼絞線應力開始快速回落.與1號梁相似，2號梁在豎向荷載達到300 kN時，鋼絞線應力開始快速增長，在達到最大承載力536 kN過程中，鋼絞線最大應力增量為350 MPa，卸載至250 kN附近時鋼絞線應力開始快速下降.3號梁在荷載達到270 kN附近時，鋼絞線應力開始快速增長，在達到最大承載力526 kN過程中，鋼絞線最大應力增量為457.5 MPa，卸載至220 kN附近時鋼絞線應力開始快速下降.通過三者的數據對比可知，張拉時緩粘結劑固化程度較低的試件梁、鋼筋和緩粘結劑三者的結合程度較好，具有更好的傳力機制，加載中鋼絞線的最大應力增量較小，其開裂荷載和極限承載力較大，梁的力學性能較好.

2.4　裂縫分布

試驗過程中，三根梁裂縫開展及分布情況如表3所示.由表3可以看出，緩粘結預應力梁加載過程中裂縫發展較為均勻，純彎段中主裂縫數量分別為5、4、4條.其中張拉時緩粘結劑固化程度低的1號試件梁純彎段裂縫較多為5條，其裂縫分布相對較密，主裂縫周圍衍生的細小裂縫更多，同級荷載下最大裂縫寬度和最大裂縫間距也較小，表現出更加接近有粘結預應力梁的特性.在390 kN荷載等級下，1、2、3號梁最大裂縫寬度分別為0.21、0.52和1.04 mm.試驗結束后裂縫情況如圖6所示.其中，1、2、3號梁主裂縫平均間距分別為240、266、250 mm.

圖5　緩粘結預應力鋼筋端部應力變化Fig.5　　　　Stress change on end of retard-bonded pre-stressed tendons

表3　裂縫開展狀況Tab.3　Development situation of cracks

圖6　裂縫示意圖Fig.6　Schematic cracks

2.5　混凝土應變沿梁高分布

試驗測得的混凝土應變隨梁高的變化如圖7所示.由圖7可以看出，在試驗過程中各混凝土梁應變分布規律大體一致.梁底混凝土開裂前，隨著荷載的增加，截面應變不斷增大；距離中性軸越遠，應變也越大，截面各點應變基本上符合平截面假定.

3　結　論

本文通過分析得出以下結論：

1) 張拉時緩粘結劑的固化程度對緩粘結預應力混凝土梁的開裂荷載影響較小，對承載力的影響較大，張拉時緩粘結劑固化程度越高的梁，開裂荷載與承載力越低.

圖7　預應力梁跨中截面混凝土應變分布Fig.7　　　　Strain distribution in concrete on mid-span section of pre-stressed beams

2) 張拉時緩粘結劑固化程度低的緩粘結預應力混凝土梁具有較好的力學性能，梁純彎段部分裂縫開展較均勻，數量較多，梁的延性增大，與有粘結預應力混凝土梁更加類似.

3) 試驗表明，緩粘結預應力混凝土結構宜在張拉適用期內完成預應力筋的張拉，超過緩粘結劑張拉適用期，張拉預應力筋對結構的力學性能及工程的施工質量影響較大.