钢绞线先张梁新型弯起器弯折摩阻试验研究

钢绞线先张梁新型弯起器弯折摩阻试验研究

0新型弯起器研制的目预弯钢筋预弯曲混凝土的先张力采用适当的张力法，解决了先张梁长度小的问题，同时具有先张法和后张法结构的优点。这是一个具有前张法和后张法结构的新结构。弯曲是它的关键组成部分。钢绞线通过弯起器后将会产生一定的弯折摩阻预应力损失,科学合理的弯起器应该构造简单,安装方便,且摩阻力小。工程中现有弯起器由于起弯点导向半径较小,将使预应力筋在起弯点处形成折点,在导致钢绞线极限抗拉强度折减、延性降低的同时,还会引起预应力摩擦损失的增大,这将严重影响结构的使用性能,并降低结构的安全性。预应力损失是预应力结构固有特性,对其准确估计意义重大。本文基于前期研究成果,在新型弯起器研制的基础之上,设计了相应试验方案,研究了采用不同导向半径R与弯折角度θ时钢绞线弯折摩阻预应力损失情况,深入分析了影响预应力摩阻损失的主要因素、影响规律及其产生机理。并以试验数据为基础,提出了考虑不同导向半径R影响的钢绞线弯折摩阻预应力损失统一计算公式,为折线配筋先张法预应力混凝土先张梁的深入研究与推广应用提供了设计依据与试验数据支持。1结果分析与观察选用R=10、19.5、50、100、600mm共5组半径作为试验用导向构件半径;考虑工程实际的多样性与复杂性,选取θ=4.35°、6.45°、8.65°、10.75°、12.85°、14.95°作为试验折角。在进行钢绞线拉伸试验的同时,选择位于盒状弯起器两端外侧的Ⅰ、Ⅳ截面与位于3块导向构件中间的Ⅱ、Ⅲ截面作为测试截面,每个测试截面对称粘贴2片电阻应变片,如图1、图2所示。在F=20kN的初始荷载下,当特征荷载分别为20%Fm、30%Fm、40%Fm、50%Fm、60%Fm、70%Fm、75%Fm、80%Fm(Fm为钢铰线所能承受的理论最大力)时,持荷1min后采用DH-3816多测点静态应变测试系统,记录各测试截面应变测点的应变值。通过对比两端截面与中间截面实测应变或应变增量之间的差值情况,可以分析得出导向构件所产生的预应力摩阻损失情况。由于试验采用卧位试验的安装加载方案,盒状弯起器水平支于试验机内,所以无需考虑其重力的影响。2起器弯折摩擦阻力损失l1由于弯折角度θ一般较小,参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004),弯起器弯折摩擦阻力损失计算示意图可简化为如图3所示。此时,弯起器弯折摩擦阻力损失σl1可表示为:σl1=σ1-σ2=μσ1sinθ。(1)σl1=σ1−σ2=μσ1sinθ。(1)故而摩擦系数μ:μ=σl1σ1sinθ=σ1-σ2σ1sinθ=ε1-ε2ε1sinθ=Δσ1-Δσ2Δσ1sinθ=Δε1-Δε2Δε1sinθ。(2)μ=σl1σ1sinθ=σ1−σ2σ1sinθ=ε1−ε2ε1sinθ=Δσ1−Δσ2Δσ1sinθ=Δε1−Δε2Δε1sinθ。(2)因测试数据较多,以弯折拉试验R019A2-1为例,其应变测试数据列于表1。2.1试验结果通过观察试验过程中的试验现象,整理与分析试验数据,得到主要的试验现象与结果如下所述。(1)应变片测量的偏轴效应直拉试验时各测点测试应变值随拉力的增大基本呈线性增加,在相同拉力作用下各应变片测试结果基本一致;不过由于应变测量偏轴效应的影响,选取偏轴效应修正系数γ=1.026时实测应变与理论计算应变基本一致。但在弯折拉试验时,虽然各应变片的测试数据随拉力的增大也呈增加的趋势,但测试数据有一定的起伏;特别是拉力相对较小时起伏趋势更加明显,而且R越小θ越大,起伏趋势越显著;更重要的是同一截面或相同测试条件不同测点之间,测试数据相差较大,进而导致实测摩阻系数离散性较大,甚至为负值。(2)弯起器摩阻系数虽然在弯折拉时各测点应变测试数据存在一定的起伏,而且同一截面或相同测试条件不同测点之间测试数据相差较大;但深入分析可知:①弯折拉应变测试数据的起伏趋势随着拉力的增大逐渐变缓;②同一截面或相同测试条件的不同测点之间测试数据相差虽然较大,但在拉力较大时其F-ε试验曲线基本平行,不同特征拉力时的应变增量相差较小。故而可以采用拉力较大时钢绞线各测点应变增量的形式来计算对应试验条件的弯起器摩阻系数;综合分析所有测试数据后,选用特征荷载50%Fm、60%Fm、70%Fm、80%Fm时测点应变增量来进行摩阻系数μ的分析,分析结果列于表2,并绘于图4所示。(3)较大时摩阻系数当R<50mm时,摩阻系数μ随θ的变大呈增大趋势,θ较大时趋势更为明显;当R≥100mm时,摩阻系数μ随θ的变大呈减小趋势,R较大时趋势较缓;R=50mm左右时,θ的变化对摩阻系数μ影响较小。(4)摩阻系数在半对数座标系中,摩阻系数μ随R的增大呈S形曲线下降。当R≤50mm且θ较小时(θ<10.75°),摩阻系数μ随着R的增大变化不大;当R≤50mm且θ较大时(θ≥10.75°),摩阻系数μ随着R的增大逐渐减小;当R≥100mm时,摩阻系数μ随着R的增大减小,但趋势平缓;当50mm<R<100mm时,摩阻系数μ随着R的增大急剧减小,而且θ越大μ的减小趋势越剧烈,曲线在此区间呈现交叉现象。2.2机械分析(1)应变测试数据直拉试验时钢绞线被紧紧锚固于试验机两端锚固构件内,组成钢绞线的各根钢丝受力状态基本相同,所以各测点应变测试数据基本一致。而弯折拉试验时,折点处钢绞线各根钢丝由于弯折曲率半径不同而变形不一致,将发生较为复杂的相对位移,产生较大的附加内力与变形,导致相同测试条件不同测点间应变测试数据相差较大,进而导致实测摩阻系数离散性较大,甚至为负值。(2)拉力与拉格朗日“折点”的存在使钢绞线各根钢丝间发生较为复杂的相对位移,产生较大的附加内力与变形,导致相同测试条件不同测点间应变测试数据相差较大;但随着拉力的增大,折点所附加的内力与变形将会逐渐趋于稳定;所以拉力较小时应变测试数据存在一定的起伏,但这种起伏趋势随着拉力的增大逐渐变缓消失。至于同一截面或相同测试条件的不同测点之间测试数据相差较大,是由于折点附加内力与变形的影响,使各测点初始测试条件发生不同变化,导致各测点初始测试条件不同而引起,分析其应变增量可知其相差较小。(3)越大“折点”效应当R<50mm时,“折点”效应明显,这将大大增加钢绞线与导向构件间的摩擦阻力;钢绞线破断后形成的折点与压痕证实,θ越大“折点”效应就起显著,所以摩阻系数μ随θ的变大呈增大趋势,θ较大时趋势更为明显。当R≥100mm时,“折点”效应基本消失,此时起主导作用的是接触面积;θ越大接触面积就越大,其主导作用也越明显,接触面处应力状态也越平缓,所以摩阻系数μ随θ的变大呈减小趋势。R=50mm左右时,“折点”效应与接触面积的作用相当,故而θ对摩阻系数μ影响较小。(4)接触面积对摩阻系数的影响当R≤50mm且θ<10.75°时,各导向半径产生的“折点”效应相当,摩阻系数μ随着R的增大变化不大;当R≤50mm且θ≥10.75°时,R越小其“折点”效应越显著,所以摩阻系数μ随着R的增大变化逐渐减小;而当50mm<R<100mm时,由于接触面积的增大折点处应力集中现象急剧减小,而接触面积逐渐占据主导地位,所以摩阻系数μ随着R的增大急剧减小;但当R≥100mm后,接触面积已占据主导地位,故而摩阻系数μ随着R的增大呈减小趋势;同样,由于R较大时接触面的增大带来应力状态的改善效应越来越弱,故而其减小趋势平缓。3弯起器弯折摩擦阻力损失l1由上分析可知:虽然θ的变化会对摩阻系数μ产生一定影响,但影响程度远小于R;故而,在建立弯起器弯折摩阻预应力损失计算公式时,可以考虑一定保证率后忽略θ对摩阻系数μ的影响,但不能忽略R对摩阻系数μ所产生的影响。同时,基于摩阻系数μ随R变化呈现S形曲线的影响规律可知:R的变化将摩阻系数μ分成明显的3段。故而在建立钢绞线弯折摩阻预应力损失的计算公式时,可以考虑采用统一的计算公式,但弯折摩阻系数μ根据实际导向半径R的大小来分段选取。由弯起器弯折摩擦阻力损失计算简图(图3),弯起器弯折摩擦阻力损失σl1可初步表达为:σl1=μσconsinθ。(3)σl1=μσconsinθ。(3)通过对所有实测试验数据的分析,对于弯起器弯折摩阻系数μ的取值可分3种情况来考虑:(1)当R≤50mm时,对摩阻系数μ的59个实测试验样本统计分析可知其符合μn=0.261、σn=0.0186的正态分布规律,试验样本的变异系数CV=0.071,说明数据较为集中,摩阻系数可取其均值μ=0.261;考虑试验结果的离散性以及实际工程的安全性,取95%的保证率时μ=0.29。(2)当R≥100mm时,对摩阻系数μ的45个实测试验样本统计分析可知,其符合μn=0.188、σn=0.0169的正态分布规律,试验样本的变异系数CV=0.090,取95%的保证率时μ=0.22。(3)当50mm<R<100mm时:μ=0.29～0.22,按线性内差。以50%Fm为基准荷载,将弯起器摩阻损失计算结果与试验实测数据点绘于图5,可以看出实测数据与计算值符合较好,且大部分试验数据点接近或位于计算结果下方,计算公式有一定的保证率。参考相关资料,θ较大时,为了增加弯起器弯折摩擦阻力损失σl1计算公式逻辑上的合理性,也为了使σl1计算公式与《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)中相应公式形式相统一,弯起器弯折摩擦阻力损失σl1可进一步表达为:σl1=σcon(1-e-μθ)‚(4)式中,σl1为弯起器弯折摩擦阻力损失;σcon为预应力钢筋锚下张拉控制应力;θ为钢绞线弯起角度;μ为弯起器的摩擦系数,根据实际导向半径R大小来选取;R≤50mm时,μ=0.29;R≥100mm时,μ=0.22;50mm<R<100mm时,μ=0.29～0.22,按线性内差。4弯起器弯折摩阻系数本文在新型弯起器研制的基础之上,采用试验方法研究了采用不同导向半径R与弯折角度θ时钢绞线弯折摩阻预应力损失情况。(1)当R≤50mm或R≥