鋼絞線復(fù)合層加固中

1、鋼絞線復(fù)合層加固中預(yù)應(yīng)力施加實(shí)用控制方法研究林加惠，郭子雄，黃群賢(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021)摘要：鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法具有加固層薄且施工簡便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在加固工程領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用。通過對鋼絞線施加一定的預(yù)應(yīng)力可有效緩解應(yīng)力滯后效應(yīng)，減小正常使用極限狀態(tài)下的裂縫和撓度，提高加固效果。針對該種加固方法，本文提出一種鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加及控制方法，該方法通過采用扭力扳手來旋緊螺栓的螺母，使螺栓產(chǎn)生預(yù)拉力，達(dá)到對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力的效果。預(yù)應(yīng)力可通過螺栓的擰緊力矩計(jì)算公式確定，由試驗(yàn)給出扭矩系數(shù)的取值。研究施工階段鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律，確定有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)。研究成果

2、可為新工法和相關(guān)技術(shù)規(guī)程的編制提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)加固；鋼絞線；預(yù)應(yīng)力施加；有效預(yù)應(yīng)力中圖分類號(hào)：TU4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A韓國率先提出鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法，并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用試驗(yàn)研究1-2。近年來，鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固技術(shù)得到工程界的廣泛關(guān)注，也取得了大量的研究成果3-10。然而，鋼絞線屬于高強(qiáng)度材料，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上，在加固工程應(yīng)用中往往存在以下問題：(1)當(dāng)鋼絞線的應(yīng)力發(fā)揮到一個(gè)較高水平的時(shí)候，構(gòu)件的裂縫寬度和撓度已經(jīng)不能滿足正常使用要求11；(2)加固工程二次受力會(huì)造成明顯的應(yīng)力滯后。因此，對鋼絞線施加一定的預(yù)應(yīng)力，不僅可以有效緩解應(yīng)力滯后效應(yīng)，而且可減少正

3、常使用極限狀態(tài)下的裂縫和撓度，提高鋼絞線的材料利用率和加固的效果。1普通螺栓 2鋼絞線 3鋁扣 4六角螺母 5加長六角螺母 6化學(xué)錨栓 7角鋼 8墊片圖1 加固方法示意 Fig.1 Schematic diagram of strengthening method64537218本文采用文獻(xiàn)12所提的端部錨固方式，該錨固方式是近年來在實(shí)際工程中應(yīng)用較廣的一種新的錨固方式，如圖1所示。具體方法是先在梁底植入化學(xué)錨栓，將角鋼固定在梁底。隨后將鋼絞線穿過螺栓孔后用鋁扣壓緊固定在螺栓上，并將螺栓穿過角鋼孔用螺母擰緊固定在角鋼上。當(dāng)鋼絞線網(wǎng)片兩端都安裝在角鋼上后，一端螺栓旋緊后固定不動(dòng)，另一端采用張拉器

4、進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。該張拉器可實(shí)現(xiàn)一邊張拉，一邊旋緊螺母的效果。該端部錨固方式采用螺栓和螺母對鋼絞線進(jìn)行固定，避免了采用拉環(huán)進(jìn)行固定存在的錨固強(qiáng)度不足和容易脫落等問題，且施工便捷、易于實(shí)際工程采用。該錨固方式在實(shí)際應(yīng)用中可通過特定張拉器對鋼絞線進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，但無法實(shí)現(xiàn)對鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加進(jìn)行定量控制。本文將對該鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加實(shí)用控制方法開展試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究預(yù)應(yīng)力張拉、施工階段預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律及有效預(yù)應(yīng)力的合理確定。研究成果可為該加固工藝在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供依據(jù)。1 螺栓擰緊扭矩與預(yù)拉力關(guān)系的理論推導(dǎo)圖2 擰緊力矩公式推導(dǎo)示意Fig.2 Schematic diagram of th

5、e derivation of tightening torque equation(a)(b)axyPNQ滑塊1Ffmaxdd2三角形螺紋螺栓的幾何特征如圖2(a)所示，a是此卷繞斜面的螺紋升角。取螺栓外表面一點(diǎn)為研究對象，轉(zhuǎn)為力學(xué)模型，如圖2(b)所示。將擰緊螺母視為滑塊1受到水平拉力P作用沿著斜面向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，滑塊1上作用有摩擦力Ffmax，軸向拉力Q，斜面對滑塊的支持力N。軸向拉力Q即為螺栓的預(yù)拉力，P對螺紋中徑處的力矩即為擰緊力矩。由力的平衡條件，可得： (1)P對螺紋軸心線的力矩即為扭緊螺母時(shí)所需要的擰緊扭矩T，故 (2)令 (3)將式(3)代入式(2)可得，螺栓的扭緊力矩計(jì)算公

6、式表達(dá)式為： (4)式中，a為螺紋升角；為螺紋摩擦角；d2為螺紋中距；d為螺栓螺紋外直徑；k為扭矩系數(shù)。由于扭矩系數(shù)k以及螺栓直徑d均為常數(shù)，由公式(4)可知，擰緊扭矩T與預(yù)拉力Q之間存在線性關(guān)系。因此，螺栓的直徑d已知，通過試驗(yàn)測定相應(yīng)的扭矩T和預(yù)拉力Q之間的關(guān)系，即可得出扭矩系數(shù)k的取值。2 預(yù)應(yīng)力施加試驗(yàn)研究2.1 試驗(yàn)概況根據(jù)鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法的施工工藝，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了與加固法對應(yīng)的試驗(yàn)裝置，如圖3所示。試驗(yàn)共加載12根試件，每根試件所采用鋼絞線直徑和螺栓型號(hào)均一致。試件由鋼絞線與兩端的螺栓連接構(gòu)成，實(shí)為軸心受拉的構(gòu)件，因此螺栓受到的預(yù)拉力Q即為鋼絞線的預(yù)拉力。試驗(yàn)采用6

7、5;7+IWS型鍍鋅鋼絞線，公稱直徑為3.6mm，橫截面面積為6.16mm2，破斷力為10.61kN。所用部件均為鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法配套部件。其中，螺栓的型號(hào)規(guī)格為8×97（直徑×長度）5.6級(jí)，其抗拉強(qiáng)度為519MPa。角鋼為L50×6等邊角鋼，角鋼上鉆有圓孔，孔徑為8.5mm。鋼絞線與螺栓之間的連接錨固采用配套的鋁扣，將鋼絞線穿過螺栓孔之后用液壓鉗將鋁扣和鋼絞線壓緊，試件詳見圖3所示。2.2 試驗(yàn)的加載與量測通過扭力扳手旋緊螺栓對鋼絞線進(jìn)行張拉，鋼絞線與兩端螺栓連接構(gòu)成一個(gè)軸心受拉構(gòu)件。由于傳感器高度較小以及試件長度的需要，使用穿心的鐵塊進(jìn)行墊高。將

8、試件穿過穿孔式壓力傳感器、穿心鐵塊以及上下兩端的角鋼后，下端用螺栓旋緊后不動(dòng)，上端用表盤式扭力扳手（型號(hào)為歐田ACD0-30N·m）旋緊螺母來進(jìn)行擰緊力矩的施加。試驗(yàn)加載至鋼絞線預(yù)拉力為0.45 Fb（Fb為鋼絞線破斷力），即預(yù)應(yīng)力度為0.45，即停止加載。每級(jí)扭矩下，分別旋緊螺母，逐漸增大扭矩直至螺栓達(dá)到預(yù)定的張拉值時(shí)停止加載。圖4. 擰緊力矩-預(yù)拉力曲線Fig.4 Torque-pretension curve 圖3. 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test setup角鋼傳感器穿心鐵塊 試件21254321Q/kN046810T /(N·m) 表盤式扭力扳手 角鋼試驗(yàn)數(shù)據(jù)量測有

9、：(1) 通過表盤式扭力扳手旋緊螺母來施加預(yù)應(yīng)力，扭矩值從扭力扳手所帶表盤中讀出；(2) 通過穿孔式壓力傳感器以及DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對鋼絞線的預(yù)拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。試驗(yàn)時(shí)，記錄相應(yīng)的預(yù)拉力與扭矩的數(shù)值。2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析圖4給出了12個(gè)試件擰緊力矩與預(yù)拉力關(guān)系曲線，由圖4的擰緊力矩-預(yù)拉力關(guān)系曲線可以看出，擰緊力矩與預(yù)拉力基本呈線性關(guān)系，因此螺栓的扭緊力矩與預(yù)拉力可用公式(9)來表達(dá)。各試件的扭矩系數(shù)k由擰緊力矩-預(yù)拉力曲線的斜率（T/Q）除以螺栓的直徑d得到。通過線性回歸統(tǒng)計(jì)得到，扭矩系數(shù)k范圍在0.2220.276，平均值為0.251，標(biāo)準(zhǔn)差為0.017。在實(shí)際工程運(yùn)用中，只要

10、鋼絞線的目標(biāo)預(yù)應(yīng)力大小確定，使用扭力扳手，通過對擰緊力矩?cái)?shù)值大小的控制，即可達(dá)到對鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加大小的控制。3 施工階段鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失量測3.1 試驗(yàn)概況在施工階段，鋼絞線會(huì)出現(xiàn)一定的預(yù)應(yīng)力損失，為了測定鋼絞線最終的有效預(yù)應(yīng)力值，進(jìn)而確定有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)的大小，對預(yù)應(yīng)力施加完成后的試件進(jìn)行48小時(shí)連續(xù)的鋼絞線預(yù)拉力的數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)10提出鋼絞線張拉控制最大允許值為0.65 Fb（Fb為鋼絞線破斷力），故本試驗(yàn)對0.65，0.45，0.25三種預(yù)應(yīng)力度的有效預(yù)應(yīng)力測量，并計(jì)算確定了不同預(yù)應(yīng)力度下有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)的大小。試件數(shù)量為12根，其中試件EP1EP4預(yù)應(yīng)力度為0.65， EP 5 EP 8

11、預(yù)應(yīng)力度為0.45， EP 9 EP12預(yù)應(yīng)力度為0.25。試驗(yàn)裝置不變，通過穿孔式壓力傳感器以及DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對鋼絞線的預(yù)拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析圖5給出了48h內(nèi)鋼絞線預(yù)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，應(yīng)力在05h時(shí)間段，預(yù)應(yīng)力損失較快。在512h時(shí)間段，仍然有預(yù)應(yīng)力損失，但損失趨勢變緩。在1248h，應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。在施工階段引起預(yù)應(yīng)力損失的因素主要有：(1) 錨具變形和接縫壓縮等引起的應(yīng)力損失。當(dāng)鋼絞線張拉完成后，錨固裝置會(huì)受到很大集中力的作用，導(dǎo)致螺栓和角鋼之間的空隙被壓密，且錨具本身也會(huì)發(fā)生變形。(2) 鋼絞線松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失。初拉應(yīng)力越高

12、，鋼絞線應(yīng)力松弛越明顯。張拉后的鋼絞線松弛與時(shí)間有關(guān)，初期發(fā)展快，1h內(nèi)松弛量最大，以后逐漸趨于穩(wěn)定。采用超張拉可使鋼絞線松弛引起的應(yīng)力損失減小。(3) 混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。鋼絞線一般為逐根張拉。在這種情況下，后張拉鋼絞線對混凝土梁產(chǎn)生的彈性壓縮變形將使先張拉并錨固的鋼絞線產(chǎn)生應(yīng)力損失。在實(shí)際工程中，可通過適當(dāng)超張拉或重復(fù)張拉，減小或消除該項(xiàng)損失。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，預(yù)應(yīng)力度為0.25時(shí)，預(yù)應(yīng)力損失量為33 MPa，預(yù)應(yīng)力度為0.45時(shí)，預(yù)應(yīng)力損失量為65 MPa，預(yù)應(yīng)力度為0.65時(shí)，預(yù)應(yīng)力損失量為97 MPa?？梢姡S著鋼絞線所施加的預(yù)應(yīng)力度的增大，預(yù)應(yīng)力損失量增大。這主要是由于鋼

13、絞線的初拉應(yīng)力越大，應(yīng)力松弛量越大。預(yù)應(yīng)力度分別為0.25，045，0.65時(shí)，由計(jì)算得到有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)分別為0.922，0.919，0916。其中，有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)為鋼絞線最終預(yù)應(yīng)力值與預(yù)應(yīng)力初始值o的比值。由此可見，隨著所施加預(yù)應(yīng)力度的增大，有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)成線性減小。圖6給出了有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)與所施加預(yù)應(yīng)力度之間的關(guān)系曲線，由圖6可以看出，有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)與所施加預(yù)應(yīng)力度基本呈線性關(guān)系，可由下式表達(dá)：=-0.015+0.926 (5)應(yīng)力 /MPa1200圖5. 應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.5 Stress-time curve300時(shí)間/h010203040501020840660480EP5EP8

14、預(yù)應(yīng)力度為0.45EP9EP12預(yù)應(yīng)力度為0.25有效預(yù)應(yīng)力值系數(shù)預(yù)應(yīng)力度0.150.9140.9160.9180.9200.9220.250.350.450.550.650.750.924圖6. 有效預(yù)應(yīng)力值系數(shù)-預(yù)應(yīng)力度關(guān)系曲線Fig.6 Virtual prestress coefficient-prestress degree EP1EP4預(yù)應(yīng)力度為0.65因此，使用該預(yù)應(yīng)力施加及控制方法，通過對擰緊力矩?cái)?shù)值的控制即可達(dá)到對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力大小的控制。再根據(jù)有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)，最終確定鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力值。4結(jié)論及建議針對鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法，提出了一種鋼絞線預(yù)應(yīng)力施加及控制的方法

15、，具體得到以下結(jié)論： (1) 擰緊力矩T與預(yù)拉力Q滿足線性關(guān)系，可用公式表達(dá)，k為扭矩系數(shù)，d為螺栓直徑，由試驗(yàn)得到扭矩系數(shù)k可取0.251；(2) 施工階段鋼絞線存在預(yù)應(yīng)力損失，鋼絞線的預(yù)應(yīng)力值在前12小時(shí)損失較快，之后基本趨于穩(wěn)定，鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力值可采用12小時(shí)后的預(yù)應(yīng)力值確定。此時(shí)，可通過補(bǔ)張拉來減小預(yù)應(yīng)力損失；(3) 鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失量隨初始預(yù)應(yīng)力度的增大而增大，有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)減小，由試驗(yàn)得到有效預(yù)應(yīng)力系數(shù)與所施加預(yù)應(yīng)力度滿足線性關(guān)系，可用公式=-0.015+0.926確定。參考文獻(xiàn)：1 金成勛, 金成秀, 劉成權(quán), 等. 滲透性聚合砂漿(RC-A0401)的性能分析R. 韓國漢城產(chǎn)

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17、國華, 等. 高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)-滲透性聚合砂漿加固的T型梁橋試驗(yàn)J. 中國公路學(xué)報(bào), 2007, 20(4): 83-90.7 黃華, 劉伯權(quán), 劉衛(wèi)鐸. 高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿抗剪加固梁二次受力試驗(yàn)研究J. 工業(yè)建筑, 2009, 39(2): 123-127.8 劉鳴, 劉伯權(quán), 邢國華. 鋼絞線網(wǎng)-復(fù)合砂漿加固鋼筋混凝土梁的受彎性能J. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2011, 11(4): 10-15.9 SUNG-HOON K，DAE-KON K. Seismic retrofit of rectangular RC bridge columns using wire mesh wrap c

18、asing J. KSCE Journal of Civil Engineering, 2011, 15(7): 27-3610 聶建國, 陶巍, 張?zhí)焐? 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)-高性能砂漿抗彎加固試驗(yàn)研究J. 土木工程學(xué)報(bào), 2007, 40(8): 1-7.11 American Concrete Institute. ACI Committee 318: Building code requirements for structural concrete(ACI 318-05) and commentary (ACI 318R-05)S. 2005.12 阮愛兵. 鋼絲繩（鋼絞線）網(wǎng)片

19、-聚合物砂漿外加層加固工法應(yīng)用現(xiàn)狀J. 福州大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 41(4): 463-470. Study on the practical and control method of exerting prestress on the stranded wire in the composite layer strengtheningLIN Jia-hui, GUO Zi-xiong, HUANG Qun-xian(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China)Abstract: Stra

20、nded wire mesh and polymer mortar is a structural strengthening method with the advantages of the thin reinforcing layer and ease installation, which has been extensively apllied in the field of strengthening engineering. Applying prestress to stranded wire can alleviate the hysteresis effect, reduc

21、e the amount of crack and decrease the deflection in the serviceability limit state, also improve the reinforcement effect. Based on the strengthening method, this paper proposes a prestressing and control method of the stranded wire , which used the torque wrench to tight the nut of bolts, thus cau

22、sed the pretension in the nut and finally reached the effect of exerting prestress to the stranded wire. Prestress can be calculated by the formula of the tightening torque with torque coefficient given by test. The law of prestress loss at construction stage and the virtual prestress coefficient had been