缓粘结预应力筋肋高对粘结锚固性能、传递长度及梁受弯性能影响的研究

缓粘结预应力技术综合了有粘结结构性能优异、符合抗震要求和无粘结施工方便、质量易于控制的优点，规避了有粘结布筋复杂和后期需要灌浆、质量难以控制和无粘结结构性能较差、不符抗震要求的缺点，自上世纪80年代日本学者提出该理念后，近年来我国缓粘结预应力技术发展迅速，累计在四百多项工程项目中得到应用，应用的工程项目越来越多。

缓粘结预应力技术研究主要包括缓粘结预应力混凝土结构设计计算及施工技术的研究、缓粘结胶黏剂的研究和缓粘结预应力筋生产工艺设备的研究；缓粘结预应力技术的核心原理是通过凝固后的缓粘结胶黏剂形成的有效肋高与混凝土之间形成的锯齿状产生机械咬合力，达到共同有效工作；其中高密度聚乙烯PE弹性模量为0.84-0.95GPa，同时高密度聚乙烯PE 30年后由于自身材料特性会出现性能衰退现象，故在计算时不考虑高密度聚乙烯PE参与结构受力，这就凸显出缓粘结胶黏剂有效肋高的重大作用。缓粘结预应力筋构造图和有效肋高。

缓粘结预应力筋图

本文将对三种不用肋高情况下筋与混凝土的粘结锚固性能、预应力传递长度和构件的静力受弯性能进行试验研究，并配合有限元分析得出固定直径下的最优肋高。

粘结锚固性能试验

钢绞线为1860Mpa高强低松弛绞线，直径为15.24mm。混凝土强度等级C40，试件尺寸为200mm×200mm×50mm。锚固长度取10d。试验设备采用万能试验机，得到自由端荷载－滑移（F－S）曲线。试验取其平均值进行记录并分析。

试件性能参数及粘结锚固试件制作

利用万能试验机进行力控制加载。试验中拉拔力F和滑移S均连续量测，直接得到荷载－滑移（F-S）曲线。

实验装置图

根据试验得到极限拉拔力F，构件平均粘结应力计算：

式中：τ—平均粘结应力（MPa）； F—极限拉应力（kN）； d—钢绞线直径（mm）； l_a—有效粘结长度（mm）。

H1：缓粘结筋缓慢拔出有声响。剖开试块孔道内壁出现摩擦痕迹，且缓粘结筋护套被压扁、破裂，有摩擦迹象，有轻微滑动。护套内部胶黏剂被压碎，说明滑移发生在胶黏剂与PE之间。

H2：混凝土出现顺筋裂纹。剖开试块观察，孔道内壁出现摩擦痕迹，且缓粘结筋护套被压扁、破裂，有摩擦迹象，未发生明显滑动。护套内部胶黏剂被压碎，护套底部被拉断，护套破坏较H1严重。

 H3：破坏形态与H2基本相同，劈裂破坏，剖开试块观察，护套内部胶黏剂完整，PE护套外有混凝土粉末。

将试件数据结果汇总，形成三种肋高构件F—S特征曲线。

小结

缓粘结预应力筋极限荷载和粘结强度随肋高的增加而增加，这说明缓粘结预应力筋肋高的不同影响其锚固性能，肋高越大，其锚固性能越好。

传递长度试验

设计3个直线布筋的预应力混凝土梁，混凝土C40；预应力钢绞线的抗拉强度标准值，张拉控制应力。在混凝土梁两端1.8m范围内的顶面及侧面各粘贴12片应变片，间距30mm。当缓凝粘合剂完全固化后切断梁两端锚具，分别量测锚具切断在1小时，12小时，24小时的混凝土应变，直到应变值基本稳定。

测点布置图                                                                           数据采集与锚具切割

每个试件各个时间段的混凝土应变结果：

当应力变化趋于稳定时，各构件的传递长度：

小结

 1、通过对缓粘结预应力钢绞线的传递长度的测试，得出缓粘结预应力传递距离为0.6~0.7m，即39.5~46d，明显优于有粘结58~85d。

2、通过分析可得出：相同直径的缓粘结预应力钢绞线其有效肋高越大传递长度越小。

3、缓粘结预应力钢绞线和混凝土之间有较好的机械咬合力，增加了因改变结构使用功能而进行改造或由于不可预知的意外原因造成预应力钢绞线局部断开时的结构安全性。

梁受弯性能试验

混凝土梁截面尺寸b×h=300mm×400mm，长度为4000mm。混凝土强度为C40，钢绞线采用强度级别为1860MPa，采用直线布筋形式，每根预应力混凝土梁布置两根缓粘结预应力钢绞线。采用三分点加载，加载用千斤顶及分配梁，由计算机进行数控加载。

各试验梁荷载—挠度曲线图：

各试验梁裂缝分布图：

各级荷载下梁裂缝宽度：在相同荷载级别下，筋肋的高度和裂缝的宽度成反比。

小结

 试验结果表明：HL-3肋高2mm缓粘结预应力筋对混凝土构件抗弯性能存在有利影响。

1、缓粘结预应力筋外包护套肋高的加大可以延迟构件受弯段混凝土裂缝的出现，且可以抑制裂缝的开展，提高混凝土构件的开裂弯矩。

2、同等荷载工况下，缓粘结预应力筋有效肋高高对混凝土构件的裂缝开展有一定影响，肋高增加，裂缝宽度降低。

3、肋高的变化影响构件挠度发展速度，肋高加大，挠度发展速度降低。

有限元优化分析

为计算出缓粘结预应力筋最优肋高，对缓粘结预应力筋拉拔试验进行有限元模拟并进行最优化设计6。模型采用实体单元（SOLID65），接触单元采用CONT174。混凝土采用损伤塑性模型，对筋采用理想弹塑性模型。ANSYS提供多种优化方法和工具，本文采用曲线拟合的方法来建立目标函数和设计变量的关系，对缓粘结预应力筋的有效肋高进行优化计算。本文的载荷均为在筋上施加一个3mm位移，目标函数为肋高最大，在ANSYS中修改为肋高的倒数，即变为最小化问题。其状态变量为肋高垂直方向临界强度值为4MPa。通过7次迭代，得到最优肋高为2.28mm。

拉拔试件模型

优化流程设计

迭代序列进程

结论

1、缓粘结预应力筋与混凝土的粘结锚固性能优于有粘结。

2、缓粘结预应力筋与混凝土的粘结锚固性能与肋高正相关，肋高越大，锚固性能越好。

3、缓粘结预应力筋肋高的增加对结构构件的受弯性能呈有利影响。

4、通过有限元优化计算分析，缓粘结预应力筋最优有效肋高为2.28mm。