摘 要:缓粘结预应力技术综合了有粘结与无粘结的优点,不管在施工工艺方面还是在结构性能方面,都发挥了它最大的经济效益与实用性.本文从其研究背景出发,总结了缓粘结预应力技术的发展优势以及研究现状,简单介绍了缓粘结预应力技术在国内的应用情况,并针对研究现状阐述了几点展望.
关键词:预应力技术; 缓粘结; 研究现状; 应用;
作者简介: 马柯佳(1994-),女,硕士研究生,研究方向:防灾减灾.E-mail:1520480690@qq.com;
Summary of research and application of retard-bonded prestressed technology
Abstract:Retard-bonded prestressed technique combines the advantages of bonded and unbonded, and it has the greatest economic benefits and practicability in both construction technology and structural performance. Starting from its research background, this paper summarizes the development advantages and research status of the retard-bonded prestressed, the application of retard-bonded prestressed technology was briefly introduced in China, and the future prospect was discussed in terms of the research status.
Keyword:prestressed technology; retard-bonded; research status; application;
0 引 言
近年来,我国大力推行基础设施建设,京沪高速铁路、港珠澳大桥、北京大兴国际机场、洋山深水港等一系列大规模的基建建设和超级工程拔地而起,震撼世界.这些大型项目的成功建造,说明了我国目前建造技术已达到世界先进水平.而在这些基础设施建设中,预应力混凝土结构所占比例较大,预应力混凝土不仅可以减小截面尺寸,减轻自重,降低造价,还可以减少构件裂缝过早出现,提高构件刚度,增加构件抗腐蚀能力,增强构件耐久性,受到业内的广泛关注.缓粘结预应力混凝土(Retard-bonded Prestressed Concrete,简称RPC)技术作为传统预应力构件的一次重大技术革新,是伴随建筑业飞速发展应运而生的产物,秉承了无粘结预应力混凝土(Unbonded Prestressed Concrete,简称UPC)前期施工无需预留孔道和灌浆简单而方便的优点,缓粘剂完全固化后又可以达到与有粘结预应力混凝土(Bonded Prestressed Concrete,简称BPC)相似的力学强度,以其优越的性能引领着预应力混凝土向前发展,拥有广阔的应用前景,已经成为21世纪预应力混凝土领域研究的热点.
1 缓粘结预应力技术的发展优势
近年来,应用缓粘结预应力技术的典型案例中,很多都采用了下部大跨度RPC框架结构,上部大跨度钢结构的形式.缓粘结预应力技术在现代大型建筑工程中,具有以下发展优势:
1)截面尺寸减小,不仅可以减轻自重、节省材料,而且承载能力还不会减弱.对于需要较大空间的建筑结构,可以使建筑下部空间布置更加灵活,具有良好的经济效益和社会效益.
2)结构的整体性和抗震性能更好,有利于减小张拉摩阻力,提高结构强度的利用率.
3)可以提高跨中结构的抗裂性,减小裂缝宽度,缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间的粘结强度使结构延性更好,刚度更大,设计强度更强,承载力更高,从而提高结构的安全性.
4)采用单孔锚具,无需穿波纹管,无需灌浆,有效解决了有粘结的波纹管布置及钢绞线群锚相对困难的问题.在梁宽范围内布置预应力筋更加方便,施工也更加方便快捷.
5)适用于施工作业面、施工场地有限的工程.
2 缓粘结预应力技术发展及研究现状
缓粘结预应力技术的研究开始于20世纪末,主要在日本,继传统的预应力构件BPC和UPC后,有日本学者提出"如果能研发出与UPC技术同样施工方便、又具有BPC技术良好粘结性能和结构性能的预应力技术,必将会大大推动预应力结构的发展".RPC技术应运而生.在20世纪80年代,日本神钢钢线工业株式会社开发了ECF(epoxy coated & filled)钢绞线,也就是我们所说的缓粘结预应力钢绞线[1].
鉴于缓粘结预应力技术的优点,国内外预应力方向的专家学者也纷纷对RPC结构展开了研究,包括对缓粘结材料、粘结性能、配筋率、预应力线形、预应力度、抗弯性能、耐久性、抗腐蚀性的研究等.
2.1 缓粘结预应力钢绞线
缓粘结预应力钢绞线由三部分组成:钢绞线、缓凝粘合剂、外包护套[2].
缓粘结材料是实现缓粘结预应力技术的基础,常见的缓粘结材料有缓凝砂浆和环氧树脂两种类型[3],环氧树脂无论在大批量生产上还是在性能稳定上均优于缓凝砂浆,在所查阅的文献资料中,针对缓粘结材料的研究和综述已有很多,本文不再赘述.
外保护套通常选用耐腐蚀的材料,而肋高是影响缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间粘结锚固性能的重要指标,吴转琴等[4]对8个试件进行了拉拔试验,得到了钢绞线拉力与滑移量之间的关系曲线,对比分析表明钢绞线与粘合剂两者粘合得很好,表现了良好的整体性, 滑移发生在其与护套之间;横肋对其粘结锚固强度起到了至关重要的作用,有助于提高其粘结锚固强度.于本田[5]的研究也表明肋高增大,其锚固失效强度显著增大;肋高相同条件下,肋宽越大,其锚固失效强度也越高.
缓粘结预应力筋不同于一般的预应力筋,其摩擦阻力会随着缓粘结材料的固化程度而改变.王占飞等[6]在对缓粘结预应力钢束进行拉拔试验后得出固化度(邵氏硬度值)越高,钢束的滑移量越小,缓粘结剂对钢束的粘结性能越好.2009年起,我国相继编制、发布、实施了《缓粘结预应力钢绞线》(JG/T 369-2012)、《缓粘结预应力钢绞线专用粘合剂》(JG/T 370-2012)、《预应力混凝土结构设计规范》(JGJ 369-2016)、《缓粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T 387-2017)等标准规范[7,8,9,10],由于缓粘结预应力钢绞线的摩擦系数κ和μ值的大小受到各种复杂不确定因素的影响,规范中并未明确规定其取值.吴转琴等[11]通过张拉试验得出缓粘结预应力钢绞线κ与μ的取值范围,发现μ具有一定的离散性,并对比规范中规定的无粘结与有粘结的κ与μ的取值,给出缓粘结预应力钢绞线的κ与μ的值可参考无粘结规范中规定的κ=0.004,μ=0.09.为了顺应采用大直径缓粘结预应力钢绞线的发展趋势,吴转琴[12]又对15.2 mm、17.8 mm、21.8 mm三种不同规格的缓粘结钢绞线进行了张拉试验研究,得出暂不考虑钢绞线直径的变化对摩擦系数的影响,其局部偏差系数κ和曲率系数μ符合预应力规范的取值,即κ=0.006,μ=0.12.
2.2 缓粘结预应力结构抗弯性能研究
关于RPC梁的力学性能的研究近十年来较多,在试验研究方面,熊学玉等[13]对3根RPC梁做了静载试验,与1根BPC梁进行对比,得到了对于所有的试验梁,其破坏模式均为非预应力钢筋屈服后混凝土压坏的适筋破坏模式,在卸载后都展现出良好的变形恢复性能.RPC梁的抗裂性能和极限承载能力与BPC梁相近,甚至略优于后者,具有良好的使用性能.
还有学者研究了缓粘结剂的固化程度对RPC梁力学性能的影响,隋伟宁等[14]得到了张拉时缓粘结剂固化程度对梁的开裂荷载影响较小,对极限荷载影响较大,若在缓粘结剂未固化时,RPC梁提前受荷,其承载能力降低.曹少朋[15]也得出了RPC结构的摩擦系数大小、受力机理与缓粘结剂固化时间、张拉力的大小关系较大,且缓粘结剂的固化程度越高,RPC梁的最大承载力越大,当缓粘结剂的邵氏硬度达到80D(完全固化)时,缓粘结预应力钢筋与混凝土具有良好的共同工作状态.
在理论计算方面,陈太林等[16]在对比RPC梁试验结果后,运用应变协调分析的方法,建立方程求解,并根据美国ACI 318-02建议的近似式
提出了建议极限弯矩的计算公式:
经验证其结果偏于安全.
在有限元模拟方面,马�[17]运用ABAQUS软件建模,混凝土和缓粘结材料采用C3D8R 实体单元,钢筋骨架和预应力筋采用 T3D2 桁架单元,探究了固化期间RPC梁力学性能的发展规律.结果表明:固化度对梁的初期刚度和开裂荷载影响不大,试件梁加载前期,试验结果与有限元分析结果梁的初期刚度基本相同,对RPC梁最大承载力的影响较大,最大承载力随着固化度的增大而增大.
冯新等[18]对BPC T梁、UPC T梁、RPC T梁进行了对比试验研究,并用有限元软件 ABAQUS 对RPC T梁进行了非线性有限元数值模拟.结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好.
2.3 缓粘结预应力结构疲劳性能研究
在缓粘结预应力技术的应用中,桥梁、港口、海洋平台占比很大,而这些构件经常承受重复荷载,考虑到结构的安全性,需要对梁的疲劳问题进行深入研究.
罗小勇等[19]通过对UPC梁的疲劳试验,研究了疲劳破坏形态、钢筋应变、混凝土应变随重复荷载变化的规律,试验表明UPC梁的疲劳破坏主要是由受拉区普通钢筋的疲劳断裂引起的,还给出了UPC梁疲劳寿命的计算方法,并与试验值吻合.
张建玲等[20]对RPC梁进行了静载和等幅疲劳荷载作用下的试验,试验结果表明重复荷载循环次数越多,钢筋与混凝土的应变、裂缝宽度和挠度增长越快,较UPC梁,疲劳寿命较高.
2.4 缓粘结预应力结构抗侵蚀性能研究
结构失效的原因,除了结构耐久性不足外,还有结构内部钢筋腐蚀的原因,特别是临海地区的建筑结构,因此,结构的抗侵蚀能力可以防止结构发生早期损坏,对于提高结构的耐久性能有很重要的作用.蚁原野[21]通过对RPC梁在荷载和氯盐干湿循环共同作用下的试验研究,探究了氯离子侵蚀与钢筋锈蚀的规律,结果表明缓粘结预应力能够通过减小裂缝宽度,从而减缓氯离子的渗透速度,增强构件的抗氯盐腐蚀能力,并提出了将裂缝宽度与保护层厚度比值作为横向裂缝对氯离子的渗透速度和钢筋锈蚀的影响程度指标更合适,建议该指标限值为0.005.
任心波[22]对无荷载作用时氯离子在混凝土内的传输机理进行了理论分析,又对轴压荷载作用下的氯离子的扩散性和微裂缝的发展规律做了试验研究,提出了探究混凝土损伤和微裂缝影响的新方法,建立了氯离子扩散的数学模型,并通过实例验证了模型的实用性.
3 国内对缓粘结预应力技术的应用
这种新型预应力技术突破了传统的预应力理念,该体系在建筑工程的应用,使那些造型新颖、结构复杂的大型高层/超高层现代化建筑、道路桥梁、海洋港口成为可能,受到业内关注,在未来具有极其广阔的应用前景.
1)在大跨度框架梁中的应用.
海口美兰国际机场 T2 航站楼总建筑面积 29.6万m2,平面尺寸为750 m×405 m.其中心区的大跨度框架梁均采用缓粘结预应力技术[23].鄂尔多斯机场停车库,该工程为鄂尔多斯机场改扩建工程,属于机场改扩建的配套设施项目,总建筑面积约3.3万m2,采用平均预压应力估算预应力筋,平均预压应力控制在3.0~7.0 N/mm2,预应力梁裂缝控制等级为三级,主梁内预应力强度比控制为 0.5,次梁内预应力强度比控制为0.6[24].
2)在大跨度混凝土井字梁中的应用.
承德城市规划展览馆地上共5层,平面尺寸为60 m×50 m,5 层屋面为大跨度、周边形状不规则的井字梁结构,井字梁截面为500 mm×1 500 mm.此结构采用了缓粘结预应力技术,在宽度500 mm的梁内布筋方便,通过理论与PKPM计算,可以有效控制裂缝宽度,承载力更大[25].鄂尔多斯机场的新航站楼造型为一只展翅的雄鹰,建筑面积为10万m2,建筑总高度51.7 m,框架主梁和主要的次梁同样采用了缓粘结预应力技术,主梁高采用 1 000~1 300 mm,大跨度区间采用井字次梁,井字次梁高700~900 mm,楼板厚取120 mm[26].
3)在异形结构中的应用.
北京市新少年宫总占地面积 104 500 m2,整个建筑由 5 个单元和中部大厅组成, 采用了花瓣式布局,外墙采用枝状曲线造型的异形剪力墙,该工程中 1 号楼属板柱剪力墙结构,为抗震不利体系,1号楼楼板中部分采用了缓粘结预应力筋来提高结构的抗震性能[27].
4)在高层建筑中的应用.
北京日报报业集团新闻采编中心,建筑面积为 53 000 m2,地下4层,地上11层,建筑高度45 m.在地上主体结构的16 m跨度框架梁及次梁中应用了缓粘结预应力技术,施工中对钢绞线的张拉伸长进行了测量,与理论值吻合较好,缓粘结预应力技术的采用,减少了结构的截面尺寸,提高了工程质量,施工过程更便捷,节省大量的人工和锚具,抗腐蚀、抗疲劳能力强,节省了后期维修加固的费用[28].
5)在特种结构中的应用.
在海洋馆地上圆弧形表演池结构设计中采用缓粘结预应力技术,经试验,结果表明可有效提高海洋馆地上圆弧形表演池防腐及抗裂缝能力,为缓粘结预应力工程施工提供了重要参考价值[29].
缓粘结预应力技术因在上述已建建筑结构中所展现的优良性能,得到了工程技术专家及学者的青睐,其应用范围也日益扩大.
4 展 望
在国家政策的激励和建筑业迅速发展的推动下,缓粘结预应力技术得到了长足的发展,但缓粘结预应力技术仍需要不断改善、更新和创新以满足现代工程的需要.结合现有文献研究,还需要在以下几个方向进行研究:
1)目前对RPC梁的试验研究中梁的形式大都是简支梁、连续梁,在实际工程中常以有侧向约束的框架梁形式存在,而简支梁的受力机理与实际结构中常见的框架梁之间存在一定的差异,还未见有关于RPC框架梁的试验研究及有限元分析.
2)目前对于RPC梁的试验研究大都是对经过缩尺后RPC梁的研究,其使用的混凝土等级、普通钢筋等级、缓粘结预应力钢绞线等级很低以及预应力钢绞线直径很小,市面上缓粘结预应力钢绞线直径普遍在9.53~17.8 mm,应用较为普遍的是7股,直径为15.2 mm的低松弛预应力钢绞线,试验与实际工程有一定差距.随大跨度、重载建筑结构的兴起,该直径的钢绞线逐渐体现出其局限性,而大直径、高强度已成为我国发展缓粘结预应力技术的必然趋势,因此亟需在足尺条件下对配置有大直径缓粘结预应力钢绞线的RPC梁的力学性能进行进一步研究.
3)针对RPC梁,对其进行有限元模拟较为少见,其原因在于缓粘剂在完全固化前,预应力筋与混凝土之间会发生相对滑移,与UPC梁相似,完全固化后,预应力筋与混凝土之间无相对滑移,与BPC梁相似,大大增加了分析的难度.因此,针对RPC梁的有限元分析还需要进一步探究.
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