CN114486537B - 一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，通过制备六种不同钢绞线埋置长度的小试件，采用简单的分级加载拔出试验，测绘拔出力‑自由端滑移曲线，基于各试件最大拔出力与失效模式估算预应力混凝土构件的传递长度及对应于该传递长度的有效预应力，实现了在预应力结构的设计阶段以典型的失效模式和拔出力值的大小确定传递长度的终点以及该截面处有效预应力的大小的功能。本发明基于简单的少量不同埋置长度的小构件的拔出试验，提前预估传递长度，并建立传递长度与有效预应力的对应关系，为设计所需的传递长度值提供参考，使设计更加安全、可靠、经济。
Description
技术领域
本发明属于建筑和力学技术领域，具体涉及一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法。
背景技术
传递长度Lt指从混凝土端部到先张梁内一特定点的距离。当预应力释放时，在这个特定点处预应力筋的应力将不再沿梁长变化而达到一恒值fse，即达到考虑预应力损失后的有效预应力。传递长度Lt是反映混凝土粘结性能的重要指标，在预应力筋释放时应验算该截面的应力状态是否符合要求。预应力混凝土构件的传递长度Lt的终点是计算先张梁承载力的关键截面位置，不准确的计算会导致先张梁的设计不合理，使混凝土被压碎、劈裂和锚固失效，降低设计结构的安全性；相对准确地估算传递长度Lt则能准确计算关键截面承载力、避免锚固区混凝土的开裂与预应力筋的锚固失效。
影响传递长度的因素众多，包括钢绞线直径、混凝土强度、预应力水平、预应力的释放方式(瞬间或缓慢释放)、钢绞线表面状况(光滑或锈蚀)、截面尺寸以及钢绞线的位置等等，因此精确预测传递长度十分困难。国内外各规范中分别给出了钢绞线传递长度的计算公式，而应用这些公式计算出来的传递长度又与实测传递长度存在差异。且各国规范在计算传递长度方面基本只考虑少数几个主要影响因素，甚至是仅考虑其中的一个因素，如钢绞线直径、混凝土强度、有效预应力等。
美国的ACI 318-19规范考虑了有效预应力和钢绞线直径的影响，传递长度的计算公式为
fse为预应力筋的有效预应力，认为传递长度与有效预应力和预应力筋直径成正比；AASHTO LRFD 2020规范只考虑预应力筋的直径影响，传递长度lt＝60db；欧洲CEB-FIP 2010规范给出的传递长度计算公式比较复杂，考虑了放张时预应力大小、预应力放张形式以及粘结情况等较多因素的影响，计算公式为
国内的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中传递长度的计算公式为
式中考虑了预应力筋的形状、直径、放张时预应力筋的有效预应力以及混凝土抗拉强度等因素的影响。各规范虽然给出了常规直径钢绞线的传递长度公式，但计算出来的结果并不一致，且与实际测量的结果均相差较大，通常偏保守。
在预应力构件中，混凝土与预应力筋的粘结决定了构件的力学性能。预应力在构件中的传递和发展都取决于预应力释放后混凝土与预应力筋的粘结强度。预应力钢绞线的初始预应力通常为钢绞线抗拉强度fpk的75％，而预应力在释放时及之后在时间、荷载、环境等综合因素作用下会不可避免地出现预应力损失，导致钢绞线的有效预应力fse低于0.75fpk。
在现有的工程实践中主要采用95％平均最大应变法(AMS法)来确定传递长度。该方法采用若干可拆卸式机械(DEMEC)应变计测点沿钢绞线长度粘贴在梁端区域的混凝土表面，位置与钢绞线重心齐平，通过测量预应力释放前后相邻两个测点之间的距离变化，再除以这两个测点的原始标距即得出应变值。为使测试结果更加准确，将相邻的三个应变再取一次平均值，如图1所示。最后，将这些平均值连成光滑曲线，该曲线即为平均应变曲线，取其最大应变值的95％作为参考线，该参考线与平均应变曲线的交点距梁端部的距离即为该预应力先张构件的传递长度Lt，如图2所示。
国外传递长度的确定一般基于运用DEMEC应变计测量混凝土表面应变沿梁长的变化规律。但是测量结果受人为因素影响较大，且粘贴于混凝土表面的DEMEC应变测点极容易脱落。另外，三点平滑法需要3段相邻应变才能取得一个平均应变值，而通常两个应变测点的距离为200mm，得到一个平均应变值所需的长度就为600mm。因此，当传递长度较短时，传递区内得出的平均应变值过少。零星的应变值难以勾绘出完整且准确的混凝土应变曲线，不能明确体现出应变曲线中典型的上升段和平台段，从而在确定95％平均最大应变参考线与应变曲线交点位置时会出现较大的误差，造成传递长度测试结果的不准确与不可靠。
预应力先张梁在设计时通常采用规范公式计算得出传递长度，但这一值往往与实际不符。即规范设计值与先张梁采用AMS方法测得的实际值存在偏差。这一偏差会导致在传递长度终点这一关键截面位置上的应力计算与应力控制跟实际不符。实际上AMS方法并未直接测钢绞线的应力或内力，而是假定混凝土表面的应变为该截面上的平均压应变，由内力平衡与应变协调反推出钢绞线的平均应力或内力值。并且混凝土应变的测量为一段区域内的平均应变，而不是传递长度这个截面上的真实应变。若能在预应力先张梁设计阶段就能相对准确地预测传递长度值Lt和该截面上的有效预应力值fse，则将减小设计与实际值的偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，用于在预应力结构的设计阶段相对准确地预测传递长度和该截面处有效预应力的大小。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，包括以下步骤：
S1：搭建顶部开口的一端含圆锥形内模的盒状钢模板，采用与设计使用的材料参数一致的钢绞线和混凝土在钢模板中浇筑混凝土试件，将钢绞线按长度方向埋置于混凝土试件截面的中心；设对混凝土试件施加拔出力的一端为张拉端，混凝土试件的另一端为自由端，混凝土试件的张拉端的钢绞线长度超出混凝土试件的端面；
S2：混凝土试件脱模后，将第一钢垫板、穿心式液压千斤顶、第二钢垫板、力传感器依次穿过混凝土试件的张拉端的钢绞线，与混凝土试件一起横置于平整的地面上；采用夹片式锚具锚固混凝土试件的张拉端的钢绞线，采用位移传感器测量钢绞线在自由端的滑移；使钢绞线的重心、穿心式液压千斤顶的中心以及力传感器在同一水平线上；使混凝土试件及穿心式液压千斤顶与地面平行、与第一钢垫板和第二钢垫板垂直；
S3：用穿心式液压千斤顶对钢绞线进行预加载，加载力按预加载值持荷1分钟；钢绞线直径或埋置长度较小时采用低预加载值，直径或埋置长度较大时采用高预加载值；同时检测各仪器仪表的工作情况，然后卸载；
S4：对钢绞线进行单调静力分级加载试验；
预加载完成1分钟后进行分级加载，每次加载1分钟，然后持荷1分钟；
设钢绞线的抗拉强度为fpk，钢绞线的公称截面面积为Sn，钢绞线最大力为Fm＝fpkSn，整个试验的最大加载值低于钢绞线最大力Fm的75％；
按混凝土试件的长度设置分级加载值；
通过力传感器测量拔出力的大小，通过位移传感器监测钢绞线在自由端的位移；
当混凝土试件的拔出试验出现以下任何一种情况时，停止拉拔，结束混凝土试件的拔出试验，记录和整理各项数据及其失效模式：拔出力达到0.75Fm、自由端的钢绞线滑移值达到10mm、试件的混凝土开裂、自由端的钢绞线滑移失效或张拉端的钢绞线断裂；
S5：拆卸混凝土试件并清理试验场地，更换为下一个混凝土试件，依次重复步骤S3和S4，直至完成全部试件的拔出试验；
S6：记录混凝土试件在试验过程中的最大拔出力，整理试验数据和试件的失效模式，并绘制拔出力-自由端滑移曲线；
S7：根据混凝土试件的失效模式与最大拔出力估算传递长度Lt及对应的有效预应力fse。
按上述方案，所述的步骤S1中，混凝土试件的截面尺寸为150mm×150mm；设钢绞线的直径为db，设计钢绞线的埋置长度在多个混凝土试件中分别为20db、30db、40db、50db、60db和70db；钢模板的厚度大于等于3mm，在钢模板的靠张拉端的内侧设有圆锥形内模，在圆锥形内模的范围内钢绞线与混凝土无粘结；圆锥形内模的高为50mm，倾角为30°；混凝土试件的长度比钢绞线的埋置长度多50mm无粘结区域；在钢模板的靠自由端的侧壁为活动式侧壁，用于调节混凝土试件的长度。
按上述方案，所述的步骤S1中，还包括以下步骤：混凝土试件的养护环境宜模拟现场真实情况，采用湿麻袋和不透水的塑料薄膜覆盖混凝土试件养护保湿；混凝土试件浇筑1天后脱模，混凝土试件在进行拔出试验时的龄期与设计预应力先张梁放张时的龄期相同。
按上述方案，所述的步骤S2中，还包括以下步骤：在混凝土试件下方垫光滑的圆形钢棒，用于使混凝土试件处于水平位置，并模拟只提供竖向力的活动铰支座；在穿心式液压千斤顶下方采用垫块加以约束，使钢绞线的重心、穿心式液压千斤顶的中心以及力传感器在同一水平线上；在混凝土试件的自由端用限位装置限制混凝土试件的竖向和侧向位移；在张拉端加盖网罩构成防护装置，在网罩后方设置挡块用于缓冲阻挡冲击。
按上述方案，所述的步骤S3中，加载力的预加载值为5kN～10kN。
进一步的，所述的步骤S4中，设置分级加载值的具体步骤为：对于钢绞线埋置长度为20db和30db的混凝土试件，设第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的5％；对于钢绞线埋置长度为40db、50db、60db和70db的试件，设第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的10％。
按上述方案，所述的步骤S7中，具体步骤为：当最大拔出力F小于0.75Fm，且混凝土试件的失效模式为自由端的钢绞线滑移失效时，判断混凝土试件的钢绞线埋置长度为传递长度Lt，与最大拔出力F对应的钢绞线应力值σ＝F/Sn即为对应于该传递长度Lt的有效预应力fse；当最大拔出力达到0.75Fm时未失效，判断混凝土试件的钢绞线埋置长度大于传递长度Lt；若在最大拔出力加载至0.75Fm前出现混凝土试件劈裂或钢绞线拉断的现象，则将混凝土试件结果作废，重做混凝土试件，若结果一致，则不参与评价。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，通过制备六种不同钢绞线埋置长度的小试件，采用简单的分级加载拔出试验，测绘拔出力-自由端滑移曲线，基于各试件最大拔出力与失效模式估算预应力混凝土构件的传递长度及对应于该传递长度的有效预应力，实现了在预应力结构的设计阶段以典型的失效模式和拔出力值的大小确定传递长度的终点以及该截面处有效预应力的大小的功能。本发明简单可行，费用低廉，而且能提供传递长度及有效预应力两个重要指标，以确保设计的可靠与施工的安全。
2.本发明基于简单的少量不同埋置长度的小构件的拔出试验，提前预估传递长度，为设计所需的传递长度值提供参考，以确保结构不会因为低估传递长度而导致该区段内承载能力不足，或是过度配筋导致设计的不经济。
3.本发明提出了一种简单的试验方法来预测传递长度，不仅在设计阶段对传递长度进行预测，且为设计提供所需的有效预应力值，使设计更加安全、可靠、经济；还用于在运营维护阶段检测和评估梁端状态。
附图说明
图1是现有技术的三点平滑法取平均应变值示意图。
图2是现有技术的AMS方法测量传递长度示意图。
图3是本发明实施例的俯视图。
图4是本发明实施例的主视图。
图5是本发明实施例的钢模板的俯视图。
图6是本发明实施例的钢模板的侧视图。
图7是本发明实施例的拔出力-自由端滑移曲线图。
图中：1.力传感器；2.夹片式锚具；3.位移传感器；4.挡块；5.防护装置；6.垫块；7.穿心式液压千斤顶；8.钢垫板；9.混凝土试件；10.钢绞线；11.钢棒；12.限位装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在设计预应力混凝土先张梁的时候，必须验算在预应力筋释放的阶段传递长度的截面上混凝土强度是否符合要求，因此传递长度在先张梁的设计阶段是一个比较重要的指标。对比国内外规范和研究成果，不同于传统的“95％AMS方法”，本发明以几个简单的拔出试验测定传递长度并确定预应力筋有效预应力值，为承载力的计算提供关键截面信息。
1.试验设计
本发明共浇筑6个混凝土试件进行试验，试件采用的钢绞线以及混凝土均与设计使用的材料参数一致。为确保足够的保护层厚度，混凝土试件截面设计为150mm×150mm，钢绞线布置于试件截面的中心。将混凝土试件施加拔出力的一端称为张拉端，另一端称为自由端。由于美国AASHTO LRFD 2020规范中给出的传递长度为Lt＝60db，db为钢绞线的直径，而规范的设计值往往比实际值偏大，故设计钢绞线的埋置长度分别为20db、30db、40db、50db、60db和70db。为弱化拔出试验在张拉端的边界效应，在模具的张拉端内侧增设一个高50mm，倾角为30°的圆锥形内模，在该段范围钢绞线与混凝土无粘结。即各试件长度较之钢绞线埋置长度均增加50mm无粘结区域，以弱化边界效应对拔出试验的影响。
2.试验装置
进行拔出试验的试验装置如图3、图4所示。
将钢垫板8和穿心式液压千斤顶7穿过钢绞线10，与混凝土试件9一起横置于平整的地面上，穿心式液压千斤顶7与力传感器1之间同样采用钢垫板8增大接触面积，防止局部应力过大而产生局部变形。混凝土试件9的张拉端的钢绞线10通过夹片式锚具2锚固。在混凝土试件9下方垫一根钢棒11，用于确保混凝土试件9在拔出过程中处于水平位置，且模拟只提供竖向力的活动铰支座。同时在穿心式液压千斤顶7下面采用垫块6加以约束，使钢绞线10的重心与穿心式液压千斤顶7的中心以及力传感器1在同一水平线上。并确保混凝土试件9及穿心式液压千斤顶7与地面平行，与钢垫板8垂直，否则会导致混凝土试件9的摆动，增大误差。在混凝土试件9的自由端用限位装置12限制混凝土试件9的竖向和侧向位移。采用位移传感器3测量钢绞线10在自由端的滑移。为了防止张拉端的钢绞线10在张拉过程中突然断裂弹开击伤试验人员，在张拉端加盖一层防护网罩构成防护装置5，在网罩后方放置两个挡块4用于缓冲阻挡。
3.试验步骤
本发明实施例的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，包括以下步骤：
步骤一：首先进行6个试件的制备。如图5、图6所示，搭建钢模板，钢模板厚度不宜小于3mm，右端钢模板可活动，用来调节试件长度。钢绞线穿过带锥模的钢板并固定，浇筑混凝土。养护环境宜模拟现场真实情况，试件养护可采用湿麻袋和不透水的塑料薄膜覆盖。浇筑混凝土1天后脱模。混凝土试件在进行拔出试验时的龄期宜与设计预应力先张梁放张时的龄期相同。
步骤二：预加载。在试验开始前，先对试验装置进行预加载，即用穿心千斤顶对钢绞线加载1分钟，加载力为5-10kN(钢绞线直径或埋置长度较小时采用低预加载值，直径或埋置长度较大时采用高预加载值)，持荷1分钟，同时检测各仪器仪表的工作情况，然后卸载。预加载的目的是为了检验装置是否完好，以及使各部件之间的连接贴合更紧密。
步骤三：试验采用单调静力分级加载方案。预加载完成1分钟后即可开始进行分级加载，每次加载1分钟，然后持荷1分钟。采用力传感器测量拔出力的大小，位移传感器监测钢绞线在自由端的位移。由于预应力钢绞线的初始预应力通常为钢绞线抗拉强度fpk的75％，因此本试验的极限荷载取钢绞线最大力Fm的75％，Fm＝fpkSn，fpk为钢绞线的抗拉强度，Sn为钢绞线的公称截面面积。分级加载值与试件长度相关：对于钢绞线埋置长度为20db和30db的试件，其第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的5％；对于钢绞线埋置长度为40db、50db、60db、和70db的试件，其第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的10％。当某混凝土试件的拔出试验出现以下任何一种情况时，停止拉拔，结束该试件的拔出试验，记录和整理各项数据及其失效模式：拔出力达到0.75Fm、自由端的钢绞线滑移值达到10mm、试件的混凝土开裂、自由端钢绞线滑移失效或张拉端钢绞线断裂时。
步骤四：拆卸该试件并清理试验场地，更换为其他试件，重复步骤二、步骤三，直至完成全部试件的拔出试验。
4.结果分析
记录各试件在试验过程中最大的拔出力，将试验数据和试件的失效模式整理填写至下表，并绘制拔出力-自由端滑移曲线。
表1试验结果记录表
本发明所述试验中，当钢绞线埋置长度过长时，直至加载结束，钢绞线自由端滑移量都很小甚至不产生滑移；而当钢绞线埋置长度接近传递长度时，失效模式为自由端钢绞线滑移失效，其拔出力与自由端钢绞线滑移曲线呈现典型的上升段及滑移平台两部分，如图7所示。另外，拔出试验中可能出现：在较大荷载时，张拉端夹片式锚具附近钢绞线因应力集中导致被拉断的现象；也可能在试件长径比较大时出现混凝土劈裂的现象。
因此本专利提出一种基于小构件的简单拔出试验，根据试件的失效模式来估算传递长度Lt及对应的有效预应力fse。当最大拔出力小于0.75Fm，且失效模式为自由端钢绞线滑移失效时，则判定该试件的钢绞线埋置长度为传递长度Lt，与最大拔出力对应的钢绞线应力值σ即为对应于该传递长度的有效预应力fse。σ＝F/Sn，F为最大拔出力。当最大拔出力达到了0.75Fm时，则视为该试件的钢绞线埋置长度大于传递长度；当在加载至0.75Fm前出现混凝土劈裂或钢绞线拉断，则该试件结果作废，重做该试件，若结果与前一致，则不参与评价。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：搭建顶部开口的一端含圆锥形内模的盒状钢模板，采用与设计使用的材料参数一致的钢绞线和混凝土在钢模板中浇筑混凝土试件，将钢绞线按长度方向埋置于混凝土试件截面的中心；设对混凝土试件施加拔出力的一端为张拉端，混凝土试件的另一端为自由端，混凝土试件的张拉端的钢绞线长度超出混凝土试件的端面；
混凝土试件的截面尺寸为150mm×150mm；设钢绞线的直径为db，设计钢绞线的埋置长度在多个混凝土试件中分别为20db、30db、40db、50db、60db和70db；钢模板的厚度大于等于3mm，在钢模板的靠张拉端的内侧设有圆锥形内模，在圆锥形内模的范围内钢绞线与混凝土无粘结；圆锥形内模的高为50mm，倾角为30°；混凝土试件的长度比钢绞线的埋置长度多50mm无粘结区域；
在钢模板的靠自由端的侧壁为活动式侧壁，用于调节混凝土试件的长度；
S2：混凝土试件脱模后，将第一钢垫板、穿心式液压千斤顶、第二钢垫板、力传感器依次穿过混凝土试件的张拉端的钢绞线，与混凝土试件一起横置于平整的地面上；采用夹片式锚具锚固混凝土试件的张拉端的钢绞线，采用位移传感器测量钢绞线在自由端的滑移；使钢绞线的重心、穿心式液压千斤顶的中心以及力传感器在同一水平线上；使混凝土试件及穿心式液压千斤顶与地面平行、与第一钢垫板和第二钢垫板垂直；
S3：用穿心式液压千斤顶对钢绞线进行预加载，加载力按预加载值持荷1分钟；钢绞线直径或埋置长度较小时采用低预加载值，直径或埋置长度较大时采用高预加载值；同时检测各仪器仪表的工作情况，然后卸载；
S4：对钢绞线进行单调静力分级加载试验；
预加载完成1分钟后进行分级加载，每次加载1分钟，然后持荷1分钟；
设钢绞线的抗拉强度为fpk，钢绞线的公称截面面积为Sn，钢绞线最大力为Fm＝fpkSn，整个试验的最大加载值低于钢绞线最大力Fm的75％；
按混凝土试件的长度设置分级加载值；
通过力传感器测量拔出力的大小，通过位移传感器监测钢绞线在自由端的位移；
当混凝土试件的拔出试验出现以下任何一种情况时，停止拉拔，结束混凝土试件的拔出试验，记录和整理各项数据及其失效模式：拔出力达到0.75Fm、自由端的钢绞线滑移值达到10mm、试件的混凝土开裂、自由端的钢绞线滑移失效或张拉端的钢绞线断裂；
S5：拆卸混凝土试件并清理试验场地，更换为下一个混凝土试件，依次重复步骤S3和S4，直至完成全部试件的拔出试验；
S6：记录混凝土试件在试验过程中的最大拔出力，整理试验数据和试件的失效模式，并绘制拔出力-自由端滑移曲线；
S7：根据最大拔出力与混凝土试件的失效模式估算传递长度Lt及对应的有效预应力fse；具体步骤为：
当最大拔出力F小于0.75Fm，且混凝土试件的失效模式为自由端的钢绞线滑移失效时，判断混凝土试件的钢绞线埋置长度为传递长度Lt，与最大拔出力F对应的钢绞线应力值σ＝F/Sn即为对应于该传递长度Lt的有效预应力fse；
当最大拔出力达到0.75Fm时未失效，判断混凝土试件的钢绞线埋置长度大于传递长度Lt；
若在最大拔出力加载至0.75Fm前出现混凝土试件劈裂或钢绞线拉断的现象，则将混凝土试件结果作废，重做混凝土试件，若结果一致，则不参与评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，其特征在于：所述的步骤S1中，还包括以下步骤：
混凝土试件的养护环境宜模拟现场真实情况，采用湿麻袋和不透水的塑料薄膜覆盖混凝土试件养护保湿；
混凝土试件浇筑1天后脱模，混凝土试件在进行拔出试验时的龄期与设计预应力先张梁放张时的龄期相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，其特征在于：所述的步骤S2中，还包括以下步骤：
在混凝土试件下方垫光滑的圆形钢棒，用于使混凝土试件处于水平位置，并模拟只提供竖向力的活动铰支座；
在穿心式液压千斤顶下方采用垫块加以约束，使钢绞线的重心、穿心式液压千斤顶的中心以及力传感器在同一水平线上；
在混凝土试件的自由端用限位装置限制混凝土试件的竖向和侧向位移；
在张拉端加盖网罩构成防护装置，在网罩后方设置挡块用于缓冲阻挡冲击。
4.根据权利要求1所述的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，其特征在于：所述的步骤S3中，加载力的预加载值为5kN～10kN。
5.根据权利要求1所述的一种基于小构件简单拔出试验的传递长度估算方法，其特征在于：所述的步骤S4中，设置分级加载值的具体步骤为：
对于钢绞线埋置长度为20db和30db的混凝土试件，设第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的5％；
对于钢绞线埋置长度为40db、50db、60db和70db的试件，设第一级加载值与随后的分级加载值为0.75Fm的10％。
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