肋高對大直徑緩粘結預應力鋼絞線粘結錨固強度的影響

肋高對大直徑緩粘結預應力鋼絞線粘結錨固強度的影響

0膠黏劑對預應力鋼絞線拉伸性能的影響緩沖粘接預制技術來自日本。在引進中國后，中國科學家在材料配置、加工、質量分析等方面進行了研究。圖1所示為緩粘結預應力鋼絞線，由3部分構成，分別是預應力鋼絞線、緩凝膠黏劑和外包PE護套。膠黏劑是緩粘結預應力技術的核心，主要由主體高分子、稀釋劑、固化劑、增韌劑以及填料多種成分混合而成，緩粘結預應力能否達到一定效果完全取決于膠黏劑是否穩(wěn)定發(fā)揮了功效對于混凝土構件來說，鋼筋與混凝土是否能產(chǎn)生足夠的粘結錨固強度一直是需要關注的問題。以往的研究中本次試驗選用的緩粘結預應力鋼絞線在生產(chǎn)時采用壓波工藝，膠黏劑與外包PE護套在經(jīng)機器壓制過后形成肋，可增強與混凝土之間的粘結錨固作用。就大直徑緩粘結預應力筋而言，存在多種規(guī)格的肋高。肋高示意如圖2所示。目前，緩粘結預應力鋼絞線的設計使用年限是100年，但是外包PE護套的使用年限只有30年，也就是說，在緩粘結預應力鋼絞線埋入混凝土構件里的30后，外包PE護套將會逐漸老化，并且強度與其他力學性能開始衰減，肋與混凝土的粘結錨固作用與之前相比存在區(qū)別，因此探究此時不同肋高下的粘結錨固強度，尋求出最優(yōu)肋高十分關鍵。測量粘結錨固性能的試驗方法種類較多，主要有立方體中心拔出試驗、兩端對拉試驗、全梁式試驗、半梁式試驗，GB50152—1992《混凝土結構試驗方法標準》1構件與試塊的制作本次試驗采用大直徑(21.8mm)緩粘結預應力鋼絞線，取不同肋高(1.8,2.0,2.2,2.4,2.6mm)，每種肋高取3根鋼絞線制成構件。本次試驗采用C40混凝土，根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》試驗構件截面邊長取10d(d為鋼絞線直徑)，采用250mm×250mm，有效粘結長度取10d，為避免局部擠壓，需在張拉端預留長度為80mm塑料套筒使鋼絞線與混凝土隔離。因此構件試塊尺寸確定250mm×250mm×300mm。鋼絞線采用中心配置。膠黏劑采用快速固化配方，在膠黏劑固化后將護套剝除，并在膠黏劑表面涂抹一層1mm厚的石膏漿模擬老化之后的外包護套。在構件中加入直徑為6mm的箍筋(間距100mm)以及4根普通鋼筋，保護層厚度取20mm，如圖2所示。在混凝土澆筑時預先留置3組立方體試塊以測量試驗時混凝土強度(見圖3,4)。本次試驗采用萬能試驗機進行加載，如圖5所示，配合鋼架使用，鋼架與試驗機頂端相連，構件放于鋼架上，張拉端鋼絞線朝下并使用夾具固定，試驗加載時，夾具與張拉端鋼絞線保持不動，試驗機帶動鋼架緩慢上升，相當于鋼絞線從構件中拔出。試驗加載速度取為5kN/min。2試驗結果及分析2.1構件破壞形式試驗在混凝土澆筑之后的1個月進行，試驗之前對混凝土試塊強度進行了檢測，平均強度為43MPa。緩凝膠黏劑的平均拉剪強度為12MPa。試件的極限荷載與破壞類型如表2所示。由表2可知，肋高在2.2mm以下的構件破壞形式均為拔出破壞，而當肋高≥2.2mm時，構件破壞均為劈裂破壞，破壞界面均為緩凝膠黏劑-混凝土界面?？梢姳敬卧囼炛袠嫾钠茐男问揭?.2mm的肋高為分界點。打開發(fā)生拔出破壞的試件(肋高<2.2mm)內部，未見裂縫，可見緩凝膠黏劑碎屑與混凝土殘渣，肋在與混凝土作用下被部分剪斷，混凝土所形成的咬合齒上也有明顯摩擦痕跡，如圖6所示。打開發(fā)生劈裂破壞的試件(肋高≥2.2mm)內部，可見順筋裂縫，有些許緩凝膠黏劑殘渣，但肋未被剪斷，咬合齒未有明顯的摩擦痕跡，如圖7所示。2.2混凝土與預應力鋼絞線的粘結根據(jù)表1中的極限承載力，可以按式(1)計算預應力鋼絞線的平均粘結應力。式中:根據(jù)平均極限承載力、平均極限粘結應力如圖8所示。圖7中，曲線上端為粘結應力數(shù)值(MPa)，下端為極限承載力數(shù)值(kN)，由圖可知，肋高在2.2mm以下時，極限承載力隨著肋高的升高產(chǎn)生了較大的變化，當肋高從1.8mm到2.2mm時，極限承載力增大了27kN，平均粘結應力增大了1.8MPa。而當肋高增大到2.2mm及以上時，極限承載力穩(wěn)定在210kN附近，未產(chǎn)生明顯的變化。表明在在本次試驗中2.2mm的肋高為最優(yōu)肋高。本文引入純肋高的概念，指緩粘結預應力鋼絞線表面肋在混凝土實際工作的高度，為原先肋高減去本次試驗所涂覆石膏漿高(1mm)所得，如圖9所示。粘結預應力鋼絞線與混凝土之間的粘結作用主要由3部分組成，化學膠著力、摩擦力以及咬合力在發(fā)生拔出破壞的試件中，肋高較小，在去除1mm之后的最大純肋高為1mm，肋與混凝土的粘結較小，加載至極限荷載附近時，肋容易在純肋根部內沿著圖10中破壞截面被剪斷，與此同時，肋與混凝土不斷增大擠壓力使混凝土出現(xiàn)摩擦痕跡，因此混凝土的咬合齒出現(xiàn)少許破壞并掉落殘渣，預應力鋼絞線與混凝土出現(xiàn)較大滑動。在發(fā)生劈裂破壞的試件中，肋高較大，去除外涂石灰漿的厚度之后最小純肋高為1.2mm，能與混凝土產(chǎn)生較強的粘結力，在加載時肋不易受到剪切破壞，隨著拉拔力的不斷增大，肋與混凝土之間產(chǎn)生的擠壓力越來越大，到達極限荷載附近時，張拉端處鋼絞線附近的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫逐漸不斷發(fā)展，當?shù)竭_自由端時，構件發(fā)生劈裂破壞。3數(shù)值優(yōu)化方法通過ANSYS有限元軟件對此類構件進行模擬，構件中鋼絞線通過膠黏劑進行替代，肋表面無附加材料，膠黏劑的彈性模量與泊松比選用文獻ANSYS軟件提供了零階優(yōu)化和一階優(yōu)化兩種優(yōu)化方法，這兩種分析方法屬于結構優(yōu)化設計中的規(guī)劃法，可處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。在優(yōu)化設計計算中，計算目標函數(shù)和變量的值，這些函數(shù)值稱為零階值。目標函數(shù)對變量的一次微分，稱為一階值。同理，二次微分則稱為二階值。一次優(yōu)化過程如果只用到零階值則稱為零階方法，用到零階和一階值，則稱為一階方法。一階方法為間接法，基于目標函數(shù)對設計變量的敏感程度的方法。同零階方法一樣，一階方法通過對目標函數(shù)添加罰函數(shù)來求解。一階方法使用因變量對設計變量的偏導數(shù)，在每次迭代中，計算梯度確定了搜索方向。由于該方法在每次迭代中要產(chǎn)生一系列的自迭代，所以占用的時間和空間比較多，但是其計算精度高，適用于精確的優(yōu)化分析。最優(yōu)化機構方案可以包括很多方面:結構幾何形狀、尺寸、總體積最小或者其他構件等。在大棚研究中，幾何形狀即為圓柱形，可以改變直徑和厚度，使結構總重量最輕，從而達到最佳的性價比。本文的載荷均為在筋上施加一個3mm位移，目標函數(shù)為肋高最大，在ANSYS中修改為肋高的倒數(shù)，即變?yōu)樽钚』瘑栴}。其狀態(tài)變量為肋方向剪應力小于4MPa，即為混凝土抗拉極限。通過7次迭代，得到最優(yōu)肋高為1.28mm。具體迭代序列如表3所示。由圖16～22所示，模型在經(jīng)過優(yōu)化之后，整體模型位移未發(fā)生變化，但是預應力筋的應力與應變數(shù)值均減小。模型中的肋高即為上文中所提純肋高，在加上1mm的外包護套或者外涂石灰漿的厚度之后，即為2.28mm，與試驗結果相似。4試驗中的肋高1)緩粘結預應力鋼絞線肋高<2.2mm時，拉拔試驗的極限承載力隨著肋高的升高有明顯的上升趨勢，且在加載之后構件均為拔出破壞。肋高為2.2mm時，極限承載力達到最大，當肋高繼續(xù)上升時，極限承載力未有明顯變化，且此時構件均發(fā)生劈裂破壞。因此可推斷在本次試驗中，表面涂覆肋高為2.2mm緩凝膠黏劑最合適，此肋高為最優(yōu)肋高。2)肋高<2.2mm時，肋在試驗