折線配筋先張梁彎起器的研制與試驗研究

0新型折線配筋設(shè)計預彎鋼筋預彎曲混凝土的先張力采用適當?shù)膹埩Ψǎ鉀Q了先張梁長度小的問題，同時具有先張法和后張法結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。這是一個具有前張法和后張法結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)。彎曲是它的關(guān)鍵組成部分。目前工程中使用的彎起器主要有滾軸式與拉板式2種,滾軸式以圓形截面的導向輥實現(xiàn)預應力筋的彎折,拉板式則往往直接在板上鉆孔以實現(xiàn)對預應力筋的固定。由于受結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造要求限制,滾軸式彎起器導向輥半徑往往較小,工程中以R=10mm與R=19.5mm居多;而拉板式由于板厚限制且加工困難,更是無法對起彎點進行過多考慮。于是,預應力鋼絞線將在起彎點處形成“折點”,導致鋼絞線極限抗拉強度的折減、延性的降低以及預應力摩擦損失的增加,還會在先張梁中產(chǎn)生嚴重的應力集中現(xiàn)象;這在影響結(jié)構(gòu)力學性能的同時,更嚴重降低了結(jié)構(gòu)在施工與使用中的安全性。本文基于前期研究成果,選用優(yōu)選半徑R=600mm為導向半徑,綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋布置等構(gòu)造要求,設(shè)計出了構(gòu)造簡潔、拼裝靈活的新型折線配筋先張梁彎起器。同時設(shè)計了相應試驗方案,研究了采用不同導向半徑R與彎折角度θ時彎起器對鋼絞線力學性能的具體影響,驗證了新型彎起器的優(yōu)越性,為折線配筋先張法預應力混凝土先張梁的深入研究與推廣應用提供了設(shè)計依據(jù)與試驗數(shù)據(jù)支持。1新型彎起器相比拉板式,滾軸式彎起器雖然構(gòu)造相對復雜,但其加工難度小,優(yōu)化改良容易。新型彎起器以滾軸式彎起器為基礎(chǔ),綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋布置等構(gòu)造要求,對其圓形截面的導向輥進行改良,起彎部件采用導向構(gòu)件與支撐心軸的組合結(jié)構(gòu)替代原導向輥,如圖1所示。導向構(gòu)件采用具有特定導向半徑R與最大導向角θ的扁平式截面,以實現(xiàn)起彎、導向、定位的功能,并減小對預應力鋼絞線力學性能的影響;導向半徑選用優(yōu)化半徑R=600mm;考慮工程實際與構(gòu)造要求,最大起彎角選為12°。新型彎起器在相同條件下增大了鋼絞線和導向構(gòu)件的接觸面積,大大減輕了接觸面處的應力集中與折點效應;具有輕便小巧、構(gòu)造簡潔、安裝簡單、拼裝靈活的特點。對于不同跨度、不同結(jié)構(gòu)尺寸、不同鋼絞線根數(shù)的情況,只需變換側(cè)板規(guī)格與心軸長度就能按需要拼裝成所需要的構(gòu)造形式,是一種科學合理的新型彎起器。以跨徑l=30m的T形截面梁而言,其起彎點處彎起器的安裝構(gòu)造可如圖2所示。2試驗方案與加載為了研究采用不同導向半徑R與彎折角度θ時,彎起器對鋼絞線力學性能的影響,選用R=10、19.5、50、100、600mm作為試驗用導向構(gòu)件半徑;考慮到工程實際中的多樣性與復雜性,選取θ=4.35°、6.45°、8.65°、10.75°、12.85°、14.95°作為試驗折角,設(shè)計了10組如圖3所示的盒狀彎起器。試驗采用臥位試驗的安裝加載方案(圖4),分為直拉試驗與彎折拉試驗。直拉試驗用于鋼絞線基本參數(shù)的測定,并作為彎折拉試驗的基礎(chǔ)對比試驗;彎折拉試驗用于鋼絞線彎折極限強度與延性,以及鋼絞線彎折預應力摩阻損失的測定。選取位于盒狀彎起器兩端外側(cè)的Ⅰ、Ⅳ截面與位于盒狀彎起器3塊導向構(gòu)件中間的Ⅱ、Ⅲ截面作為應變測試截面;選取F=20kN作為初始荷載,20%Fm、30%Fm、40%Fm、50%Fm、60%Fm、70%Fm、75%Fm、80%Fm作為特征荷載,其中Fm為鋼鉸線所能承受的理論最大力。試驗時在初始荷載F=20kN處開始由QXL-5000試驗系統(tǒng)記錄F-Δl拉伸試驗曲線,同時記錄其極限拉力與相應伸長量,以分析鋼絞線彎折極限強度與延性變化情況;在初始荷載與特征荷載時持荷1min后采用DH-3816多測點靜態(tài)應變測試系統(tǒng)記錄各應變測點的應變值,以分析鋼絞線彎折預應力摩阻損失情況。3基本校核試驗根據(jù)試驗目的與試驗方案,共進行了42組鋼鉸線的拉伸試驗:直拉試驗3組;5種導向半徑6種彎折角度每組一根鋼絞線共30組;另選取3種導向半徑(R=10、19.5、600mm)的常用折角θ=4.35°、6.45°與最大折角θ=14.95°的9組進行了補充校核試驗。以鋼絞線強度折減系數(shù)η來表征鋼絞線極限強度變化規(guī)律;以鋼絞線拉力達到屈服荷載后的屈服伸長率Ayt來表示鋼絞線延性性能,其中鋼絞線的屈服荷載取Fy=85%Fm=220kN。鋼絞線彎折拉強度折減系數(shù)η、屈服伸長率Ayt隨導向半徑R、彎折角度θ的變化情況繪于圖5、圖6。部分鋼絞線破壞狀態(tài)如圖7所示。3.1試驗結(jié)果(1)鋼絞線有根或較小的情況下,各有節(jié)直拉試驗與R較大(R=600mm)的彎折拉試驗時,鋼絞線一般在試件錨固端部(1根或多根)或應變片粘貼處(1根)破斷。而R較小(R≤50mm)的彎折拉試驗時鋼絞線多在中間折點破斷;且θ較小時多為多根破斷,θ較大時多為與中間折點緊密接觸的1根鋼絲破斷,同時破斷點處鋼筋壓痕明顯,并形成明顯“折點”。但R=100mm時其破壞特征比較復雜。(2)彎折拉試驗結(jié)果對比具有相同試驗條件的直拉試驗及具有校核試驗的18組彎折拉試驗,除R較小θ較大時其極限拉力差別約5%左右外,其余試驗結(jié)果相差都在2%以下;說明試驗具有可重復性,試驗可信度較高。(3)m時對鋼絞線極限強度的影響鋼絞線彎折強度折減系數(shù)ηs隨著θ的增大呈拋物線趨勢增大,同時R越小拋物線曲率越大;當R≥100mm時,除θ較大時ηs有一定增長外,ηs變化曲線基本趨于平緩。說明R較小時,其將對鋼絞線極限強度產(chǎn)生較大折減,而且這種效應將隨θ的增大迅速增大;而當R較大時,其對鋼絞線極限強度影響較小,受θ變化的影響也較小。故而彎起器的導向半徑R在構(gòu)造要求容許時應盡量取大值,受限時R也應不小于100mm。(4)s與鋼絞線極限抗氧化fpu的變化彎折拉鋼絞線極限強度折減率ηs隨著R的增大在半對數(shù)坐標系中呈下降趨勢;且θ較小時呈現(xiàn)線性下降,θ較大時呈拋物線下降;也就是說,ηs隨著R增大呈現(xiàn)出對數(shù)曲線下降的趨勢,且下降趨勢隨θ的增大顯著增強。所以,當R<100mm,鋼絞線極限抗拉強度fpu隨著R的減小迅速減小,且這種趨勢隨著θ的增大而加劇;而當R≥100mm時,R的增大對鋼絞線極限抗拉強度fpu的影響較小。這也說明彎起器導向半徑R不宜太小,尺寸受限時R也應不小于100mm。(5)根據(jù)機械拉力作用,對于主要選擇折減的情況,其折減可能引起相應的折減隨著θ的增大,Ayt基本上呈線性下降;隨著R的增大,Ayt在半對數(shù)坐標系中呈現(xiàn)出拋物線上升的趨勢,其規(guī)律與fpu基本相似;說明較小的R與較大的θ同樣會大大降低鋼絞線的延性性能。同時,當R=600mm,θ由8.7°變化到29.9°時,相對于直拉試驗,fpu折減了6.05%,而Ayt折減了47.12%;θ=8.7°,R由600mm變化到10mm時,fpu折減了5.63%,而Ayt折減了75.64%;說明θ的增大與R的減小對鋼絞線延性性能的折減遠遠大于對極限強度的影響;特別是當R=100mm時,在常用折角范圍內(nèi)強度折減已基本在5%以內(nèi),但其延性的折減卻仍在50%左右。從延性性能來看,彎起器導向半徑R應取得更大一些。3.2機械分析(1)中間折點效應的影響錨固因素將會使鋼絞線端部受力復雜,而應變片粘貼時鋼絲的打磨將會對鋼絞線造成一定損傷,所以在直拉或R較大的彎折拉時鋼絞線一般會在端部錨固區(qū)或應變片粘貼處斷裂。而R較小時,鋼絞線將在中間折點處產(chǎn)生最為顯著的彎折,從而發(fā)生相應塑性變形并產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,這種復雜的應力狀態(tài)將嚴重影響鋼鉸線的強度、塑性與韌性,形成一種“折點”效應;R越小θ越大,“折點”效應越顯著,所以會使與中間折點緊密接觸的一根鋼絲首先破斷,并形成明顯的壓痕與“折點”;而R較小θ也較小時,“折點”效應的存在對折點處各根鋼絲影響相當,故而會使折點處多根鋼絲破斷。R=100mm時處于一種過渡狀態(tài),各種因素影響相當,哪種因素占主導要看實際情況,故其破壞特征比較復雜。(2)力集中現(xiàn)象的影響R較小θ較大時試驗離散程度相對較大的原因同樣在于折點處應力集中現(xiàn)象的影響。此時折點處與導向構(gòu)件緊密接觸的鋼絲應力狀態(tài)非常復雜,嚴重影響該根鋼絲的力學性能,微小的差異可能帶來較大的應力狀態(tài)的變化,故而其試驗結(jié)果離散程度相對較大。(3)影響鋼絞線延性的因素由于折點處應力集中現(xiàn)象隨著R的減小θ的增大而加劇,所以鋼絞線的強度與延性會隨著R的減小θ的增大而逐漸變小。當R較小時,θ的增大使得“折點”效應顯著加強,導致了強度與延性的折減隨θ的增大呈拋物線趨勢增大。而隨著R的增大,鋼絞線與導向構(gòu)件間相互作用面增大,折點處應力集中現(xiàn)象將會迅速減小;所以隨著R的增大鋼絞線強度與延性呈現(xiàn)出對數(shù)曲線變化的趨勢。當然,這種效應對于鋼絞線的強度與延性的影響程度是不同的,因為鋼絞線在軸向拉力作用下只有進入塑性后才能表現(xiàn)出延性;在各種因素影響下一旦對鋼絞線強度產(chǎn)生折減則將大大降低鋼絞線的塑性,從而嚴重影響鋼絞線的延性性能;所以,θ的增大與R的減小對鋼絞線延性性能的折減遠遠大于對極限強度的影響。4彎起器設(shè)計及優(yōu)化本文基于現(xiàn)有彎起器存在的不足,設(shè)計出新型折線配筋先張梁彎起器;并設(shè)計了相應試驗方案,研究了采用不同導向半徑R與彎折角度θ時彎起器對鋼絞線力學性能的具體影響。(1)基于現(xiàn)有彎起器由于導向半徑較小使鋼絞線在起彎點形成“折點”的不足,選用優(yōu)化半徑R=600mm為導向半徑,綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋布置等構(gòu)造要求,以現(xiàn)有滾軸式彎起器為基礎(chǔ)進行改良,以導向構(gòu)件與支撐心軸的組合構(gòu)件代替原導向輥,設(shè)計出構(gòu)造簡潔、拼裝靈活的新型折線配筋先張梁彎起器。(2)鋼絞線極限抗拉強度折減率ηs隨θ的增大呈拋物線趨勢增大,