螺旋槽预应力钢棒黏结锚固可靠度分析与设计建议.pdf

铁道建筑
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Railway Engineering
May,2011
文章编号:1003-1995(2011)05-0128-03
螺旋槽预应力钢棒黏结锚固可靠度分析与设计建议
解伟',牟晓光2,李树山
(1.华北水利水电学院土木与交通学院,郑州450045;2.中交公路规划设计院,北京100010)
摘要:通过拉拔试验探讨了螺旋槽预应力钢棒黏結锚固特性,并统计回归了黏结锚固强度。在试验研究
的基础上又进行了可靠度分析,提出了螺旋槽预应力铡棒销固长度的设计建议。
关键词:螺旋槽预应力钢棒拉拔试验黏结锚固可靠度分析
中图分类号:TU375文献标识码:B
预应力钢棒强度高,松弛率低,且表面有螺纹状凹
槽,握裹力强,具有与7股钢绞线一样的黏结性,又有
1螺旋槽预应力钢棒的黏结镃固性能
优良的可焊性,非常适应于点焊,可广泛用于水泥管
螺旋槽钢棒具有特殊的表面形状,在制作过程中
柱、电杆、高速铁路轨枕等。本文在拉拔试验的基形成6条(或4条、3条)凸起螺旋状肋条,其表面形状
础上,对螺旋槽预应力钢棒锚固性能进行可靠度分析,如图1所示(2),本文拉拔试验所用的螺旋槽钢棒外形
提出了锚固长度的设计建议。
参数如表1所示。
(a)断面
(6)外形
注:Do为实测内径。
图1螺旋槽预应力钢棒表面形状
表螺旋肋钢丝与异形钢棒的外形参数
钢筋种类公称直径实测外径
螺旋肋
肋宽
凹槽宽度凹槽深度
导程
导程角
d/mm
mm
数量N
B,/
B/mm
D/mm
/mm
7.0
0.4~0.5
76.0
螺旋梄钢棒
16.5
11.0
11.7
6
3.5
0.4~0.5
110.0
17,5
预应力钢棒具有连续螺旋状外形,因而钢棒在纵
图2为螺旋槽预应力钢棒的荷载一滑移曲线
向拉拔力作用下,沿钢棒螺旋槽轮廓面对周围混凝土(PーS曲线),呈现振幅逐渐衰减的波状状态,其黏结
产生挤压作用。此时周围混凝土处于复杂的三向应力破坏过程主要可归纳为三个阶段:
状态,使得螺旋槽钢棒的黏结锚固性能比较复杂,在拔
1)弹性阶段。加载初期,加载端滑移量很小,在
出过程中螺旋槽钢棒会发生明显的转动
自由端未发生滑移,且钢棒未发生转动。黏结界面层
尚无裂缝产生,处于完全黏结状态,界面层剪应力和剪
应变呈完全线弹性关系。因此,该阶段P-S曲线呈
收稿日期:2010-10-21;修回日期:2011-02-05
线性关系,如图2中OA段。
基金项目:国家自然科学基金项目(50779018);河南省创新型科技人
才队伍建设工程支持计划项目。
2)局部开裂阶段。随着拔出荷载不断增大,钢棒
作者简介:解伟(1958—),男,河南开封人,教授,博士。
开始沿顺时针转动,在拔出端附近开始产生界面局部
2011年第5期
螺旋槽预应力钢棒黏结锚固可靠度分析与设计建议
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脱黏,初始脱黏荷载约为极限拔出荷载的1/5,脱黏面锚固条件下,错固力等于屈服力,锚固破坏和钢筋屈服
由加载端滑界面逐渐向纵深发展。当局部发生开裂同时发生,这一状态称为锚固承载力极限状态,此时的
后,黏结力主要由摩擦力和机械咬合力来承担。在此锚固长度称为极限临界锚固长度",有
阶段,P-S曲线呈非线性状态,如图2中AB段,滑移
锚固力
R=P。=Td"r。
量迅速增加,转角不断増大。极限拔出荷载大小和对
屈服力S=F。=A,fn=(md'/4)
应的滑移量也与界面抗剪强度和界面摩擦力之间的大
根据平衡条件,令R-S=0得锚固承载力极限状
小比例有关
态方程
3)内部拥塞阶段。随着钢棒脱黏段的不断发展,
-(4"/d)r。=
界面上的化学黏着作用完全丧失,进入内部拥塞阶段。式中,P。为极限铺固力;F.为极限屈服力;A,为公称
在脱黏段发展到自由端之后,界面黏结力由摩擦力和面积;,为预应力钢筋的抗拉强度设计值。
机械咬合力共同承担。达到极限拔出荷载后,转角也
达到了最大值,钢棒开始回转。此时槽间混凝土咬合3统计参数
齿破碎达到一定程度,承载力开始下降,并且滑移发展
1)预应力钢棒的屈服强度。预应力钢棒的抗拉
更快,形成曲线的下降段。随着凹槽中的破碎物不断强度为与《混凝土结构设计规范》协调一致,取规范
聚集,当拔出荷载降低到P一S曲线的波谷处,钢棒不规定的预应力钢筋抗拉强度设计值∫m,并根据大量试
再回转,且未能回转到初始位置,如图2中BC段。随验资料所统计的变异系数8=6,=0.0641(6n为预应
着滑移量进一步增大,由于钢棒的滑移并伴随着转动,力钢筋抗拉强度变异系数),按95%强度保证率的取
凹槽内堆积的破碎混凝土被挤紧,在一定程度上増大
值原则,用如下公式反演求得预应力钢筋条件屈服强
了对钢棒凹槽側壁的抗力,拔出荷载不仅不再衰减反度的平均值ル。为
而开始增加。达到第一个波谷后,黏结力有上升的趋
势,继而出现第二个波峰,使得曲线的下降段呈波状,
5
在此过程中钢筋有微小的往复转动。
以1570级预应力钢棒为例,该等级钢棒的抗拉强
度标准值为1570MPa,对应的钢筋抗拉强度设计值
25
=1110MPa。由公式(5),可得钢棒条件用服强度的平
均值从。=1241MPa
2)混凝土的抗拉强度。基于《混凝土结构设计规
10
范》条文说明中给出了混凝土立方体强度的变异系
C
数。在假定混凝土抗拉强度与棱柱体抗压强度变异系
数相等的前提下,根据混凝士棱柱体抗压强度变异系
数的计算方法及混凝土抗拉强度的计算公式f
位移S/mm
0.2672(a为混凝土立方体的抗压强度),得到混凝
图2螺旋槽预应力钢棒的荷载一滑移曲线
土抗拉强度f的统计参数如表2所示
表2混凝土抗拉强度的统计參数
考虑影响黏结强度的主要因素:混凝士强度、保护
项目
混凝土强度等级
层厚度、错固长度及箍筋配置,并进行适当简化,对螺
C30
C50
旋槽预应力钢棒的黏结锚固极限强度。统计回归得
平均值从,/MPa
2.58
3.12
3.63
r.=(0.6+2d/la)(3.8+0.3c/d+37pp),(1)
变异系数6n
0.172
0.156
0.149
式中,d为钢棒公称直径;l。为有效锚固长度;c为混凝土
3)儿几何尺寸。构件几何尺寸的统计参数见表3。
保护层厚度;p。为箍筋参数值;f为混凝土抗拉强度。
表3构件几何尺寸统计参数
2预应力钢棒黏结锚固极限状恋方程
项目有效锚固保护层厚度钢筋公称箍筋间距
长度/
直径d/d4S!/Sa
锚固于混凝土中的钢筋在拉拔力的作用下,可能平均值1.025
0.900
1.000
1.000
因钢筋应力R.=,(,为钢筋抗拉强度)而屈服失效,变异系数80.077
0.300
0.018
0