杭州世紀中心西天窗索夾抗滑移試驗研究*

朱明亮, 張步寬, 夏 杰, 郭正興

(1 東南大學土木工程學院，南京 211189；2 杭蕭鋼構股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

索夾節點的抗滑移性能影響了結構的承載能力,索夾抗滑力不足將導致索的滑移,改變索結構的受力狀態及結構形態,對結構產生不利影響[1-4]。憑借現有的理論分析方法[5-10]難以準確判斷索夾抗滑力的變化規律,且高強螺栓也存在著復雜的應力松弛現象[11-12],這些都會對索夾的抗滑移能力產生不可預料的影響[13-15]。通過索夾滑移試驗能夠直觀地反映索夾在施工和使用階段的受力情況[16-20]。

杭州世紀中心西天窗為新型聯方網格空間交叉預應力鋼結構,分為上下兩個柱面,在每個柱面內由鋼箱梁和拉索正交組成,上下柱面拉索和鋼箱梁方向互為正交,其間布置矩形截面鋼撐桿,結構平面尺寸63.9m×21.3m,鋼材材質為Q355B,如圖1所示。預應力拉索采用高釩索,鋼絲強度1 670MPa,直徑36mm,拉索截面積為782mm2,最小破斷力為1 150kN,如圖2所示。索夾鑄鋼件材質采用G20Mn5QT,鑄造后對索孔等位置進行二次機械加工打磨,以滿足精度要求。其中,索夾采用8.8級M16摩擦型高強螺栓[8],緊固力為72kN。本試驗根據設計要求,對索夾進行承載能力試驗,由于沿結構縱向同一列位置的索夾角度相同,對比索夾兩側索段的不平衡力選取如圖3所示索夾進行試驗,此列索夾孔道角度A為5°。

圖1 杭州世紀中心西天窗鋼結構

圖2 試驗用拉索詳圖

圖3 索夾放樣圖

1 試驗方案

1.1 試驗內容

本工程結構的特殊性決定了拉索在施工張拉和施工完成后的狀態不同,施工張拉時要求拉索相對于索夾是可滑移的,而施工完成后將拉索和索夾的相對位置鎖定,不允許發生相對滑移。因此,試驗分為三部分內容:

(1)拉索施工張拉過程中,索體相對于索夾發生滑移,測定其摩擦阻力。

(2)安裝索夾上蓋板后,測定高強螺栓緊固力衰減的情況。

(3)拉索張拉到最大索力后,測定索夾的最大抗滑移承載力。

1.2 試驗材料

共進行了兩組試驗,分別為第一組和第二組,材料包含兩個試驗索夾,兩根φ36的試驗索和一個反力架,以及相應的壓力傳感器和位移傳感器。拉索和索夾的具體尺寸、規格與工程實際用索和索夾相同。同時保證每次試驗中索夾和拉索的接觸摩擦面都是完好的原始狀態。

1.3 試驗方法和步驟

為準確模擬索體與索夾之間的相互作用,其相對位置關系非常重要。由于拉索通過索夾時的角度會產生額外的壓力,增加索體與索夾之間的摩擦力,本試驗采用反力架加載,參考實際工程中拉索與索夾的位置關系,將索夾兩側的拉索角度通過鋼墊板找出,在與實際工程相同的夾角狀態下進行拉索張拉和索夾的頂推試驗,盡可能真實還原實際工程中索體與索夾之間的摩擦阻力,如圖4所示。

圖4 試驗裝置

1.3.1 第一階段

第一階段(拉索施工張拉階段,如圖5所示)主要模擬施工過程中對拉索進行張拉時,測量得到索夾下蓋板對索體的摩擦阻力。

圖5 第一階段試驗過程

(1)在拉索無預應力條件下,安裝拉索索夾下蓋板、鋅板,并安裝采集儀、電腦等,在張拉端一側安裝焊接限位三角板,使得在拉索張拉過程中索夾位置相對固定。

(2)安裝千斤頂壓力傳感器和位移計。

(3)分級張拉拉索至最大張拉力(172.0kN),并持載。

(4)自拉索張拉開始,自動監測加載力值,監測采集時間間隔為1s,直至張拉結束。

在拉索開始張拉并受力后,拉索與索夾下蓋板之間必然產生相對位移,并持續增大,當張拉力達到所需張拉力后停止張拉,此時相對位移也隨之停止增大。

1.3.2 第二階段

第二階段(高強螺栓緊固力衰減階段,如圖6所示)主要為了跟蹤測量高強螺栓自初擰開始達到最大緊固力后直至衰減穩定狀態。

圖6 第二階段試驗過程

(1)在拉索達到施工張拉力條件下,安裝拉索索夾、高強螺栓及其緊固壓力傳感器,并安裝采集儀、電腦等。

(2)用扭力扳手對高強螺栓的螺母施擰,即施加緊固力,螺栓在施工張拉力狀態下松弛;自施擰高強螺栓開始,自動監測高強螺栓的緊固力,監測采集時間間隔為1s。

在高強螺栓的組裝和施擰過程中,螺栓頭下的墊圈有倒角的一面應朝向螺栓頭;擰緊分為初擰、終擰,初擰扭矩為終擰扭矩的50%左右,終擰時施工扭矩應連續、平穩。

高強螺栓緊固后松弛隨之產生,螺栓緊固力呈現先快后慢的下降趨勢,當螺栓緊固力曲線趨于平緩,接近直線時即可認為緊固力衰減完成。

1.3.3 第三階段

第三階段(索夾頂推階段,如圖7所示)主要為了得到拉索在最大內力條件下(50%破斷荷載)索夾的抗滑移能力。

圖7 第三階段試驗過程

(1)為考慮拉索預張力對索夾抗滑移承載力的不利影響,待高強螺栓緊固力衰減穩定后(靜置12h),分級張拉拉索至50%的標稱破斷力(0.5×1 150=575kN)并持載,持載時間至高強螺栓緊固力衰減穩定。

(2)安裝頂推千斤頂、壓力傳感器和位移計。

(3)分級頂推索夾,記錄荷載和滑移值,直至索夾與索體間出現明顯大幅相對滑移。

自頂推索夾開始,自動監測加載力值,監測采集時間間隔為1s,直至頂推加載結束。根據結構特點,此階段頂推索夾下蓋板,當下蓋板和上蓋板均發生與拉索索體之間的相對滑移時,認為索夾失效,停止頂推加載。以此方法再對另一索夾進行試驗。

1.4 加載與測試

1.4.1 索夾滑移頂推加載

采用兩臺小噸位(10t)手動式液壓千斤頂對試驗索夾進行頂推加載,通過分油閥連接。在千斤頂和索夾之間安設量程為20t壓力傳感器,采用壓力傳感器進行加載過程控制,對千斤頂所施加的頂推力進行實時監測。具體索夾抗滑移加載裝置如圖8所示。

圖8 索夾抗滑移加載裝置

(1)安裝索夾頂推千斤頂、位移計與相應儀器。

(2)頂推索夾,直至索夾滑動;索夾頂推過程中通過測試儀器讀取頂推力以及索夾的滑移量。

(3)拆卸裝置,為下一次試驗進行準備。

播種至出苗前一般不澆水，子葉展平，根系沒有露出育苗營養塊前，控制育苗營養塊表面見干見濕，根系露出育苗營養塊表面時，要保證育苗營養塊表面濕潤狀態，防止根系受到損傷。育苗期間應根據育苗營養塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時補足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進行幼苗鍛煉。

1.4.2 索夾位移的測量

在試驗索夾遠加載端端部和拉索之間安設位移計,以測量試驗過程中索夾與拉索的相對位移。安設位移計時,保證其指針滑動方向與Galfan拉索平行,并使用打孔限位板限位其指針接觸點。

位移計與DH3816N靜態應變測試系統相連接,在抗滑移頂推加載過程中,利用計算機實時采集索夾的相對位移,并可以與抗滑移頂推力同步對應。在每次抗滑移頂推分級加載的持荷階段,觀察位移計讀數,可以直觀地判斷索夾的相對位移,同時對加載分級和速度進行適當調整。壓力傳感器、位移計與DH3816N靜態應變測試系統相連接,在試驗過程中,利用計算機實時采集螺栓緊固力和索夾上下蓋板之間的相對位移。

2 試驗結果分析

2.1 第一階段

第一階段測量數據主要包括張拉端壓力傳感器和固定端壓力傳感器的力值。安裝在張拉端和錨固端的傳感器分別記錄了施工張拉過程中索夾兩側索段的內力變化,見圖9、10。

圖9 第一組時程曲線

圖10 第二組時程曲線

由圖9、10可知,隨著張拉力的增大,固定端索段內力同步增大,其變化規律一致;張拉端索段內力和固定端索段內力之間始終保持一定的不平衡力,這個不平衡力即為索夾對索體的摩擦力,兩組試驗不平衡力分別為8.26kN和8.34kN。

2.2 第二階段

第二階段測量數據主要為高強螺栓緊固力隨時間的變化曲線。在拉索達到施工張拉力后安裝索夾上蓋板并擰緊高強螺栓,然后通過壓力傳感器持續監測高強螺栓緊固力,待高強螺栓緊固力穩定后進行拉索張拉。此過程持續監測高強螺栓緊固力,直至穩定。

由表1、2和圖11可知:高強螺栓在終擰后迅速進入衰減,隨著時間的推移,衰減速度逐漸減緩;第一組和第二組高強螺栓緊固力的平均衰減率分別為11.87%和13.35%,且均在12～13h后能夠趨于穩定。

表1 第一組高強螺栓緊固力變化

表2 第二組高強螺栓緊固力變化

圖11 高強螺栓緊固力松弛曲線

2.3 第三階段

第三階段測量數據主要為頂推千斤頂對索夾進行頂推直至出現明顯滑移時的最大頂推力。試驗中根據實際條件采用頂推索夾下蓋板的加載方式對索夾進行加載,根據空間預應力結構的索夾受力特點,當上、下蓋板均發生明顯位移即認為索夾滑移失效,如圖12所示。

由圖12可知,頂推初段,索夾上、下蓋板的滑移量均很小;由于索夾下蓋板直接承受千斤頂的頂推力,下蓋板一般先于上蓋板發生明顯滑移;隨著頂推力增加,下蓋板發生一定滑移后通過高強螺栓帶動上蓋板發生滑移,此后,盡管頂推力增加量少,但滑移量迅速增加;第一組和第二組索夾極限抗滑移承載力分別為112.29kN和125.34kN。

(1)

表3 索夾綜合摩擦系數

3 試驗現象

每組試驗加載完成后,解開索夾,對索體鋼絲外觀、索夾蓋板內表面外觀進行觀測,拍照記錄索體鋼絲劃痕。

3.1 施工張拉后

由圖13、14可見,施工張拉過程中索夾與索體之間的鋅板壓痕較少且淺,鋅板在孔道內有明顯的位移,這說明鋅板能起到滑移的作用,并保護索體。

圖13 第一組施工張拉后試件

圖14 第二組施工張拉后試件

3.2 頂推完成后

頂推完成后取下蓋板,由圖15、16可見,索體出現明顯的劃痕,索夾與索體之間的鋅板壓痕明顯且深,鋅板在孔道內有明顯的位移甚至卷曲變形,說明索夾與索體之間發生滑移破壞,孔道表面整體受力,摩擦效應明顯。

圖15 第一組試驗后試件

圖16 第二組試驗后試件

4 結論

(1)拉索索夾高強螺栓緊固力存在明顯的衰減,衰減率均小于15%,且均在約12～13h后趨于穩定,為補償高強螺栓緊固力損失,在張拉完成后應對高強螺栓進行復擰。

(2)鋅板在第一階段張拉過程中壓痕較淺,說明鋅板能起到輔助滑移的作用,而在第三階段鋅板產生明顯壓痕,此時鋅板已無滑移作用。

(3)由于本工程張拉力不大,而張拉過程預應力損失不容忽視,建議預應力張拉過程中可適當超張拉10%。