大直径钢绞线粘结锚固性能研究综述

栾奕

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040）



大直径钢绞线粘结锚固性能研究综述

栾奕

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：介绍了钢绞线近年来的发展趋势，探讨了钢绞线与混凝土及灌浆料粘结锚固性能的试验方法，总结了不同试验方法的优缺点以及相关学者提出的粘结滑移本构关系，为钢绞线与混凝土及灌浆料的粘结锚固性能试验提供了合理有效的依据和思路。

关键词：钢绞线，混凝土，灌浆料，粘结性能，试验方法

0　引言

预应力混凝土较普通混凝土具有众多优点，其中包括截面小、自重轻、材料省等，随着我国现代化程度不断深入，在建筑行业中预应力混凝土应用的愈发广泛，与此同时，高强度、低松弛、大直径和耐腐蚀等性能成为预应力筋发展的必然方向［1］，在建筑行业高速发展的今天，钢绞线成为我国预应力结构的主要用料之一［2］，不论先张法还是后张法，钢绞线与基体材料的粘结性能对结构的受力性能等方面都有着重要影响，文献［3］指出：钢绞线与混凝土或者灌浆料的粘结性能对混凝土构件的裂缝及承载力均有不可忽视的影响，同时相关文献［4］提出：钢绞线的应力传递很大程度上受到钢绞线与混凝土及灌浆料之间的粘结性能好坏的影响，粘结性能较好时，钢绞线强度可以得到充分的利用，相反若两者间没有良好的粘结，当构件受力较小时两者已经产生了较大的相对滑移，此时钢绞线强度利用率极低。目前，国内外对于钢绞线与混凝土间的粘结滑移方面的试验研究及理论分析都较少见，对大直径钢绞线与混凝土间的粘结锚固性能的研究更未见详细报道，所以对大直径钢绞线与混凝土等基体材料的粘结滑移本构关系的研究具有重要的理论和实践意义。

1　钢绞线的发展趋势

预应力结构中，多用钢绞线作为预应力筋，其直径普遍在9. 53 mm～17. 8 mm之间，由于生产技术和理论研究的限制，更大直径的钢绞线较为少见。钢绞线一般由7根钢丝沿着一定的倾角捻制而成，倾角一般在4°～12°范围内，按照粘结形式，钢绞线又可分为有粘、无粘和缓粘三种，其中无粘结与缓粘结筋都是通过在钢绞线表面涂抹特殊的防腐油脂以及其他的缓粘结材料形成的。目前应用较为普遍的7股，直径为15. 24 mm的低松弛预应力钢绞线在各项工程中逐渐体现出其局限性，大直径和耐腐蚀等性能愈来愈成为预应力筋发展的必然方向，贵州大学的李伟等对现有的钢绞线的性能与原料质量、生产工艺等方面进行了系统的研究，使19股钢丝捻制成的大直径低松弛预应力钢绞线的生产技术得以实现。

2　试验方法及装置

在粘结性能方面，研究人员多采用拔出试验、局部粘结—滑移试验以及梁式试验等等方法进行研究［5］，图1为三种试验方法简图。

2.1拔出试验

拔出试验最突出的优点是试件体积小制作方便，同时试验装置容易获得，通常研究人员对于试验仪器的操作有丰富经验，锚杆拉拔仪、液压千斤顶都可作为试验的加载装置，学者们通过大量的试验总结出这种试验方法对钢筋外形变化较为敏感。

图1　粘结锚固试验装置图

2.2局部粘结—滑移试验

这种试验方法的优点在于其能通过钢筋内部粘贴的应变片测得各个部位的钢筋应变，利用数学方法将钢筋应变转化为粘结应力，进而得到不同位置处的粘结应力随滑移增长的关系曲线，由于试验需要将钢筋开槽，而绞线是由7股钢丝沿一定角度捻制而成的，无法对其开槽内贴应变片，所以钢绞线与混凝土的粘结性能试验并不适用于此方法，有学者曾试图将应变片粘贴于钢绞线外部用于钢绞线应变的测量，但在进行拉拔试验时，由于钢绞线与混凝土产生较大的相对滑移，致使在试验过程中钢绞线应变片与混凝土产生挤压，本应受拉的钢绞线应变片表现为压应变，与实际情况不符。

2.3梁式试验

此实验方法中，梁跨中的上部铰接，下部以钢绞线或钢筋连接，两端浇筑混凝土，形成跨中以两点连接的混凝土梁，其优点在于实验与实际构件受力相符，并且梁各点受力非常明确，常用于确定梁纵筋的延伸长度等构造要求。

3　国内外相关研究

1990年，石河子大学的胡钧涛等学者设计并进行了单股钢绞线与拉水泥浆之间粘结性能的拉拔试验，通过将试验数据进行拟合、回归，得到两者间粘结滑移本构关系［6］：

其中，τ为粘结应力，MPa；s为滑移值，10-3cm，相应的粘结应力—滑移量关系曲线如图2所示。

1997年John R. Salmons等进行了钢绞线粘结强度方面的试验［7］，试验以钢绞线的锚固长度、直径以及混凝土强度为参数，得到了各个参数的变化对粘结强度影响规律。

2004年R. Gustavson考虑钢绞线外形形状、混凝土强度及混凝土密度三项因素并进行了钢绞线粘结强度的试验研究［8］。

2014年，中南大学的吴雪峰通过分析8个中心拉拔试件，得到了锈蚀对钢绞线粘结性能的影响，在此基础上通过多试验数据的回归，提出了如图3所示的锈蚀钢绞线粘结滑移本构关系模型［9］，本构方程表示为分为四段，即：

微滑移OA段：

强化段AB段：

下降段BC段：

直线段CD段：

其中，ft为混凝土的抗拉强度；τu为极限粘结强度；s1，s2，s3由试验数据结果取值；系数α由大量的试验数据拟合，最终取为0.3。

图2　粘结应力—滑移量关系曲线

图3　混凝土与钢绞线的粘结应力—滑移曲线

2014年，中原工学院建筑工程学院的李晓芬等学者对3根梁式锚固试件进行了疲劳试验［10］。通过疲劳后静载试验时钢绞线的应力—应变和粘结应力，分析了钢绞线的粘结锚固机理，并将各国规范中钢绞线锚长建议值列于表1中进行对比，从表1中不难看出，中国规范中钢绞线的锚固长度在安全性方面留有更大的储备空间，而美国规范和欧洲规范中钢绞线的建议的锚固长度在具备一定安全性的前提下更具有一定的经济性。

表1　中国规范［11，12］、美国规范［13］、欧洲规范［14］钢绞线锚固长度比较

4　结论和期望

在建筑行业中预应力混凝土应用的愈发广泛，高强度、低松弛、大直径和耐腐蚀等性能已然成为预应力筋的发展方向，为了拓宽大直径钢绞线的理论研究与工程实际应用，先张法构件中钢绞线与混凝土的粘结性能、后张法中钢绞线与灌浆料的粘结性能的研究成为了不可忽视的问题。目前，在钢绞线粘结锚固性能研究的试验方法中仍是以拉拔试验和梁式试验为主，方法过于传统和单一，缺乏一定的创新性，试验装置及方法仍有待进一步完善：

1）大直径高强预应力钢绞线锚具设计制造不成熟，放张后锚具处钢绞线回缩大，预应力损失大。

2）由于构造的特殊性，钢绞线无法开槽进行内贴片，使得试验过程中钢绞线沿锚固长度的应变无法测量。

3）钢绞线在实际工程中都经过张拉，存在预加应力，但现有的试验方法中钢绞线多未经张拉，试验得到的数据与实际尚有偏差，有必要设计大型先张及后张预应力构件进行试验研究，弥补这一试验空缺。

参考文献：

［1］璩亚旭.钢绞线与混凝土的粘结腐蚀疲劳损伤行为［D］.徐州：中国矿业大学，2015.

［2］李伟锋.多丝大直径低松弛PC钢绞线的应用［J］.铁道建筑技术，2014（7）：101-103，112.

［3］杜毛毛，苏小卒，赵勇.带肋钢筋和钢绞线黏结性能试验研究［J］.建筑材料学报，2010，13（2）：175-181.

［4］李晨光，薛伟辰，邓思华.预应力混凝土结构设计及工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［5］杜锋，肖建庄，高向玲.钢筋与混凝土间粘结试验方法研究［J］.结构工程师，2006（2）：93-97.

［6］胡钧涛，王太恒，龚玮，等.钢绞线与水泥浆体粘结—滑移性能试验研究［J］.石河子农学院学报，1990（3）：1-9.

［7］John R. Salmons，Timothy E. Mc Crate. Bond Characteristics of Untensioned Prestressing Strand［J］. PCI JOURNAL，1977 （19）：56-65.

［8］R. Gustavson. Experimental Studies of The Bond Response of Three-wire Strands and Some Influencing Parameters［J］. Materials and Structures，2004（37）：96-106.

［9］吴雪峰.锈蚀钢绞线力学性能和粘结性能研究［D］.长沙：中南大学，2014.

［10］李晓芬，刘立新，张慧鹏.先张法预应力钢绞线锚固长度试验研究［J］.建筑结构，2015（15）：102-105，192.

［11］JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［12］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［13］ACI 318-08，Building code requirements for structuralconcrete ［S］.

［14］Eurocode 2，Design of concretes tructures part 1-1：general rules for buildings［S］.

On large-diameter steel strand bonding anchorage performance

Luan Yi
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：The paper introduces the development of the steel strands in recent years，explores the test methods for the grouting bonding anchorage performance of the steel strands and concrete，and sums up the advantages and disadvantages of various test methods and points out the bond-slip constitutive law from related experts，so as to provide some reasonable and effective reference for the bonding anchorage performance of steel strands，concrete and grouting.

Key words：steel strand，concrete，grouting，bonding performance，test method

中图分类号：TU502

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0050-02

收稿日期：2016-01-11

作者简介：栾奕（1989-），男，在读硕士