杭州世纪中心西天窗索夹抗滑移试验研究*

2024-04-19朱明亮张步宽郭正兴

建筑结构 2024年7期

朱明亮, 张步宽, 夏杰, 郭正兴

(1 东南大学土木工程学院，南京 211189；2 杭萧钢构股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

索夹节点的抗滑移性能影响了结构的承载能力,索夹抗滑力不足将导致索的滑移,改变索结构的受力状态及结构形态,对结构产生不利影响[1-4]。凭借现有的理论分析方法[5-10]难以准确判断索夹抗滑力的变化规律,且高强螺栓也存在着复杂的应力松弛现象[11-12],这些都会对索夹的抗滑移能力产生不可预料的影响[13-15]。通过索夹滑移试验能够直观地反映索夹在施工和使用阶段的受力情况[16-20]。

杭州世纪中心西天窗为新型联方网格空间交叉预应力钢结构,分为上下两个柱面,在每个柱面内由钢箱梁和拉索正交组成,上下柱面拉索和钢箱梁方向互为正交,其间布置矩形截面钢撑杆,结构平面尺寸63.9m×21.3m,钢材材质为Q355B,如图1所示。预应力拉索采用高钒索,钢丝强度1 670MPa,直径36mm,拉索截面积为782mm2,最小破断力为1 150kN,如图2所示。索夹铸钢件材质采用G20Mn5QT,铸造后对索孔等位置进行二次机械加工打磨,以满足精度要求。其中,索夹采用8.8级M16摩擦型高强螺栓[8],紧固力为72kN。本试验根据设计要求,对索夹进行承载能力试验,由于沿结构纵向同一列位置的索夹角度相同,对比索夹两侧索段的不平衡力选取如图3所示索夹进行试验,此列索夹孔道角度A为5°。

图1 杭州世纪中心西天窗钢结构

图2 试验用拉索详图

图3 索夹放样图

1 试验方案

1.1 试验内容

本工程结构的特殊性决定了拉索在施工张拉和施工完成后的状态不同,施工张拉时要求拉索相对于索夹是可滑移的,而施工完成后将拉索和索夹的相对位置锁定,不允许发生相对滑移。因此,试验分为三部分内容:

(1)拉索施工张拉过程中,索体相对于索夹发生滑移,测定其摩擦阻力。

(2)安装索夹上盖板后,测定高强螺栓紧固力衰减的情况。

(3)拉索张拉到最大索力后,测定索夹的最大抗滑移承载力。

1.2 试验材料

共进行了两组试验,分别为第一组和第二组,材料包含两个试验索夹,两根φ36的试验索和一个反力架,以及相应的压力传感器和位移传感器。拉索和索夹的具体尺寸、规格与工程实际用索和索夹相同。同时保证每次试验中索夹和拉索的接触摩擦面都是完好的原始状态。

1.3 试验方法和步骤

为准确模拟索体与索夹之间的相互作用,其相对位置关系非常重要。由于拉索通过索夹时的角度会产生额外的压力,增加索体与索夹之间的摩擦力,本试验采用反力架加载,参考实际工程中拉索与索夹的位置关系,将索夹两侧的拉索角度通过钢垫板找出,在与实际工程相同的夹角状态下进行拉索张拉和索夹的顶推试验,尽可能真实还原实际工程中索体与索夹之间的摩擦阻力,如图4所示。

图4 试验装置

1.3.1 第一阶段

第一阶段(拉索施工张拉阶段,如图5所示)主要模拟施工过程中对拉索进行张拉时,测量得到索夹下盖板对索体的摩擦阻力。

图5 第一阶段试验过程

(1)在拉索无预应力条件下,安装拉索索夹下盖板、锌板,并安装采集仪、电脑等,在张拉端一侧安装焊接限位三角板,使得在拉索张拉过程中索夹位置相对固定。

(2)安装千斤顶压力传感器和位移计。

(3)分级张拉拉索至最大张拉力(172.0kN),并持载。

(4)自拉索张拉开始,自动监测加载力值,监测采集时间间隔为1s,直至张拉结束。

在拉索开始张拉并受力后,拉索与索夹下盖板之间必然产生相对位移,并持续增大,当张拉力达到所需张拉力后停止张拉,此时相对位移也随之停止增大。

1.3.2 第二阶段

第二阶段(高强螺栓紧固力衰减阶段,如图6所示)主要为了跟踪测量高强螺栓自初拧开始达到最大紧固力后直至衰减稳定状态。

图6 第二阶段试验过程

(1)在拉索达到施工张拉力条件下,安装拉索索夹、高强螺栓及其紧固压力传感器,并安装采集仪、电脑等。

(2)用扭力扳手对高强螺栓的螺母施拧,即施加紧固力,螺栓在施工张拉力状态下松弛;自施拧高强螺栓开始,自动监测高强螺栓的紧固力,监测采集时间间隔为1s。

在高强螺栓的组装和施拧过程中,螺栓头下的垫圈有倒角的一面应朝向螺栓头;拧紧分为初拧、终拧,初拧扭矩为终拧扭矩的50%左右,终拧时施工扭矩应连续、平稳。

高强螺栓紧固后松弛随之产生,螺栓紧固力呈现先快后慢的下降趋势,当螺栓紧固力曲线趋于平缓,接近直线时即可认为紧固力衰减完成。

1.3.3 第三阶段

第三阶段(索夹顶推阶段,如图7所示)主要为了得到拉索在最大内力条件下(50%破断荷载)索夹的抗滑移能力。

图7 第三阶段试验过程

(1)为考虑拉索预张力对索夹抗滑移承载力的不利影响,待高强螺栓紧固力衰减稳定后(静置12h),分级张拉拉索至50%的标称破断力(0.5×1 150=575kN)并持载,持载时间至高强螺栓紧固力衰减稳定。

(2)安装顶推千斤顶、压力传感器和位移计。

(3)分级顶推索夹,记录荷载和滑移值,直至索夹与索体间出现明显大幅相对滑移。

自顶推索夹开始,自动监测加载力值,监测采集时间间隔为1s,直至顶推加载结束。根据结构特点,此阶段顶推索夹下盖板,当下盖板和上盖板均发生与拉索索体之间的相对滑移时,认为索夹失效,停止顶推加载。以此方法再对另一索夹进行试验。

1.4 加载与测试

1.4.1 索夹滑移顶推加载

采用两台小吨位(10t)手动式液压千斤顶对试验索夹进行顶推加载,通过分油阀连接。在千斤顶和索夹之间安设量程为20t压力传感器,采用压力传感器进行加载过程控制,对千斤顶所施加的顶推力进行实时监测。具体索夹抗滑移加载装置如图8所示。

图8 索夹抗滑移加载装置

(1)安装索夹顶推千斤顶、位移计与相应仪器。

(2)顶推索夹,直至索夹滑动;索夹顶推过程中通过测试仪器读取顶推力以及索夹的滑移量。

(3)拆卸装置,为下一次试验进行准备。

播种至出苗前一般不浇水，子叶展平，根系没有露出育苗营养块前，控制育苗营养块表面见干见湿，根系露出育苗营养块表面时，要保证育苗营养块表面湿润状态，防止根系受到损伤。育苗期间应根据育苗营养块体和幼苗叶片的缺水情况，适时补足水分，避免缺水烧苗，浇水从块间隙注入，注水要在晴天上午进行，随着温度回升，甜瓜秧苗的生长，注水量可逐渐增加，定植前1～2天停止供水，进行幼苗锻炼。

1.4.2 索夹位移的测量

在试验索夹远加载端端部和拉索之间安设位移计,以测量试验过程中索夹与拉索的相对位移。安设位移计时,保证其指针滑动方向与Galfan拉索平行,并使用打孔限位板限位其指针接触点。

位移计与DH3816N静态应变测试系统相连接,在抗滑移顶推加载过程中,利用计算机实时采集索夹的相对位移,并可以与抗滑移顶推力同步对应。在每次抗滑移顶推分级加载的持荷阶段,观察位移计读数,可以直观地判断索夹的相对位移,同时对加载分级和速度进行适当调整。压力传感器、位移计与DH3816N静态应变测试系统相连接,在试验过程中,利用计算机实时采集螺栓紧固力和索夹上下盖板之间的相对位移。

2 试验结果分析

2.1 第一阶段

第一阶段测量数据主要包括张拉端压力传感器和固定端压力传感器的力值。安装在张拉端和锚固端的传感器分别记录了施工张拉过程中索夹两侧索段的内力变化,见图9、10。

图9 第一组时程曲线

图10 第二组时程曲线

由图9、10可知,随着张拉力的增大,固定端索段内力同步增大,其变化规律一致;张拉端索段内力和固定端索段内力之间始终保持一定的不平衡力,这个不平衡力即为索夹对索体的摩擦力,两组试验不平衡力分别为8.26kN和8.34kN。

2.2 第二阶段

第二阶段测量数据主要为高强螺栓紧固力随时间的变化曲线。在拉索达到施工张拉力后安装索夹上盖板并拧紧高强螺栓,然后通过压力传感器持续监测高强螺栓紧固力,待高强螺栓紧固力稳定后进行拉索张拉。此过程持续监测高强螺栓紧固力,直至稳定。

由表1、2和图11可知:高强螺栓在终拧后迅速进入衰减,随着时间的推移,衰减速度逐渐减缓;第一组和第二组高强螺栓紧固力的平均衰减率分别为11.87%和13.35%,且均在12～13h后能够趋于稳定。

表1 第一组高强螺栓紧固力变化

表2 第二组高强螺栓紧固力变化

图11 高强螺栓紧固力松弛曲线

2.3 第三阶段

第三阶段测量数据主要为顶推千斤顶对索夹进行顶推直至出现明显滑移时的最大顶推力。试验中根据实际条件采用顶推索夹下盖板的加载方式对索夹进行加载,根据空间预应力结构的索夹受力特点,当上、下盖板均发生明显位移即认为索夹滑移失效,如图12所示。

由图12可知,顶推初段,索夹上、下盖板的滑移量均很小;由于索夹下盖板直接承受千斤顶的顶推力,下盖板一般先于上盖板发生明显滑移;随着顶推力增加,下盖板发生一定滑移后通过高强螺栓带动上盖板发生滑移,此后,尽管顶推力增加量少,但滑移量迅速增加;第一组和第二组索夹极限抗滑移承载力分别为112.29kN和125.34kN。