环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能试验研究

２００３８５年剁增ｌ刊：Ｆｑ

第五届全国预应力结构理论与工程应用学术会议（论文集）

Ｖ０１．３５，增刊

Ｏｃｔ．２００８

环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能试验研究

沈小东

（同济大学预应力研究所，上海２０００９２）

［摘要】

环氧涂层钢绞线是解决钢绞线锈蚀问题的有效方法。环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能对先张法构件尤其重要。介绍国外对环氧涂层钢绞线的粘结锚固问题的研究状况。阐述了粘结性能研究的三种理论模型：弹性一塑性区模型；厚壁圆筒理论；损伤理论。对粘结锚固的试验手段和装置进行对比，为试验装置的改进提供

参考。

［关键词】

先张法；环氧涂层钢绞线；粘结锚固；泊松比

ＢｏＮＤ．ＡＮＣＨｏＲＡＧＥＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳｏＦＥＰｏＸＹ．ＣｏＡＴＥＤ

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［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］Ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；Ｅｐｏｘｙ・ｃｏａｔｅｄｓｔｒａｎｄ；Ｂｏｎｄ；Ｐｏｉｓｓｏｎ’８

１９８１年，美国佛罗里达线缆公司在早期的环氧树脂涂层钢筋技术的基础上，采用热熔固化方式将环氧树脂涂覆到光面钢绞线外侧，形成了最初形态的环氧涂层钢绞线，称之为“环氧涂层涂装型钢绞线”。经过二十几年的发展，在国内有“填充型环氧涂层钢绞线”和“嵌砂型环氧涂层钢绞线”，并投入到实际工程运用。而在我国，迄今环氧涂层钢绞线的应用和研究文献很少，亟待加强。环氧涂层钢绞线粘结锚固性能主要参照国外研究成果，但是各国环氧涂层类型和工艺存在差别，国外公式有待于进一步确认。１理论分析

钢绞线与混凝土之间的粘结作用包括化学胶结力、摩擦力和机械咬合力三部分。化学胶结力是由水泥在钢绞线表面的粘附作用产生的，其值一般很小，仅在受力初期阶段的局部无滑移区域起作用。当钢绞线与混凝土之间发生很小的滑移时，化学胶结力即消失，此时摩擦力开始发挥作用。摩擦力取决于是否存在径向压力和钢绞线表面的粗糙程度，

收稿日期：２００８—０９—１５

对ｐｕｓｈ—ｉｎ试验，Ｈｏｙｅｒ效应中的楔作用对摩擦力的影响较大。在钢绞线受力后期，粘结力主要由机械咬合力承担。由于钢绞线是由钢丝扭结而成，于是在钢绞线表面形成了螺旋状的肋，螺旋肋对其周围混凝土产生与肋垂直的斜向挤压力。斜向挤压力沿钢绞线轴线方向的分力即为机械咬合力，而沿钢绞线径向的分力使钢绞线周围混凝土内部环向受拉。徐有邻…对三股钢绞线的粘结锚固性能研究表明：初受拉拔力作用时，由界面的胶结力及摩阻力承载，与光面钢筋相同但表面较粗糙，故粘结锚固强度稍高。摩阻力因颗粒磨细而由增长转为衰减，故达到局部峰值后下降。滑移稍大时，由于界面与拉拔力之间存在倾角，故混凝土的倾向挤压力阻止钢丝继续滑移，形成咬合作用，承载力又趋上升。后期滑移较大时咬合作用明显，受力状态类似带肋钢筋，锥楔作用引起的张力往往导致纵向劈裂裂缝并形成承载力的第二个峰值。后期承载能力下降，由于混凝土咬合齿是连续螺旋状的，不像带肋钢筋那样易破碎切断。故三股钢绞线后期始终保持较高的粘结锚固强度，锚固延性很好。锚筋不易被拔出而大都顺

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第３５卷沈小东：环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能试验研究

２００８年增刊

咬合齿滑移，形成沿捻制方向的旋转。徐有邻得到的荷载一滑移曲线存在明显的下降后再上升断（图１）。与普通钢筋的不同的是：钢绞线拔出阶段的明显转动现象‘１１‘２１‘３１。

图１钢绞线典型荷载一滑移曲线

对于先张法预应力构件，其性能取决于力筋和混凝土的粘结锚固性能。关于预应力筋的粘结锚固，ＡＣｌ３１８—０８【４１定义了三个长度：传递长度

（Ｔｒａｎｓｆｅｒｌｅｎｇｔｈ）即受荷之前端部至力筋达到有效预

应力值的长度；弯曲粘结长度（Ｆｌｅｘｕｒａｌｂｏｎｄｌｅｎｇｔｈ）

即受荷之后力筋应力从有效预应力增加到抗拉强度设计值所需的额外粘结长度；锚固长度

（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌｅｎｇｔｈ）即传递长度与弯曲粘结长度

之和。

影响预应力筋粘结锚固性能的主要因素”１有：预应力筋的直径，力筋的表面形状，涂层，力筋放松方式，混凝土强度。对于环氧涂层钢绞线，温度也是一个重要的影响因素。ＬｅＣｌａｉｒｅ等人的研究冲３表明：混凝土内部温度影响环氧涂层钢绞线的粘结强度，温度高于３８℃时，粘结强度开始降低，温度达到５２。Ｃ时，粘结强度显著降低，温度达到７１℃时，粘结强度降低３３％，温度达到９３℃时，粘结强度的损失超过８５％。

Ｃｏｕｓｉｎｓ【７１提出塑性一弹性区模型（图２）用于环氧涂层钢绞线传递长度和弯曲粘结长度的分析和计算。基本假定有：１）任意截面处粘结应力是力筋应

力变化率乘以一个常数，即ｎ（ｚ）＝（老）（当）；２）在

弹性区内，粘结应力线性降低至０，即力筋应力变化

，，

率是线性的，且弹性区长度￡。。＝吾；３）在塑性区内，

粘结应力是一个常数，即力筋应力线性增加，力筋应力的变化率为常数；４）在塑性区和弹性区的交界处，力筋应力等于有效预应力Ｚ。减去弹性区内粘结应力与坐标轴的三角形面积，即丘。＝凡一０．５

（警）（署）；５）同时考虑左端平衡得Ｆ，。＝‘。Ａｓ＝Ｌｔ，

仃ｄｕ。，则可得Ｌ叩２

ｉ最一ｏ・５詈，那么传递长度￡ｔ

＝ｏ．５警＋箍。图３表示构件受荷后力筋的应力

增加，当应力增加曲线延伸至传递长度之内时，会发生粘结锚固失效。弯曲粘结长度计算的基本假定：１）弯曲粘结长度也分为塑性区和弹性区；２）取最外侧的力筋应力增加曲线进行计算，试验数据表明弹性区长短很短，所以假定塑性区长度就是弯曲粘结

长度；３）由平衡条件可得‘．一工。Ａ．＝（Ｕａ）仃ｄ（Ｌ阳），

得弯曲粘结长度ｋ＝（‘．一Ｌ）（生斧）；４）锚固长

度等于传递长度与弯曲粘结长度之和，即Ｌ。＝０．５

警＋丽ｆ，ｅＡｉ：＋（‘。一厶）（生斧）；５）试验表明粘结应

力与混凝土强度的平方根成正比，所以定义Ｕ。＝Ｕ。’

㈤ｆ＇ｅＡ捣＂ｉ／地。刊（期。

厢心＝“．６）厶－０．５（华）＋弹性区，ｋ卢

・Ｒ

倒力筋应，

，

厶

～——。

粘结应力

／

“

／／

Ｏ

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≮

一Ｂ＝斜率

距离张拉端长度

图２塑性一弹性区模型

茕倒辗Ｒ丘

力筋应力增加正

距离张拉端长度

图３弯曲粘结长度计算模型

４１７

２００８年增刊沈小东：环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能试验研究第３５卷

对Ｃｏｕｓｉｎｓ弹性一塑性区模型的几点思考：１）考虑到泊松比的影响，和有本质区别，在图２上显示为两直线段的斜率不同；２）计算弯曲粘结长度时，在荷载作用点处，力筋应力是否存在一直线段。

基于厚壁圆筒理论和拉应变一裂缝宽度关系，

Ｂｙｕｎｇ

Ｈｗａｎ

Ｏｈ和Ｅｕｉ

Ｓｕｎｇ

Ｋｉｍ¨１提出直接计算预应

力钢绞线传递长度的理论公式。其基本假定是：钢绞线为实心圆柱体（直径ｄ），钢绞线周围一定的混凝土

为厚壁圆筒（壁厚ｃ）；粘结应力下＝即，其中为综合考

虑摩擦粘结和机械咬合粘结的常数，Ｐ为界面环向压力。从端部至构件内部传递长度分为三部分：完全开裂区；部分开裂区；基本完好区。该方法的关键是ＥＯ确定，在开裂区ＥＯ下降导致混凝土的各向异性，ＥＯ

由假定的裂缝形式确定：ＥＯ＝型＝＝鬲‰，其中

８

盯可／凸ｃ十＂／Ｌ

ｗ／Ｌ为裂缝引起的平均应变。根据ＥＯ建立新的应力一应变关系方程，由平衡条件和协调条件可以求出界面环向压力Ｐ。ｔｌ，根据试验确定，对于预应力钢绞线可以取为０．４。此方法可以解释箍筋，保护层厚度对粘结强度的影响，根据这个方法，粘结强度与混凝土抗拉强度Ｚ成正比，与目前的研究成果一致。

损伤力学是２０世纪７０年代发展起来的新学科。它源于古典的材料力学和断裂力学，同时也是材料力学和断裂力学的发展和补充。损伤理论正是在连续介质力学的基础上用固体力学的方法建立起有损材料的本构关系及损伤演变方程，从而与断裂力学共同对材料或结构从存在原生缺陷到形成宏观裂纹直至断裂的过程进行研究ｐ１。损伤力学分析过程一般分为四个步骤：首先，选取合适的损伤变量以描述材料的损伤状态，选取时应注意易于测量且便于与宏观力学量建立联系；其次，建立损伤演变方程；再次，建立包含了损伤变量的材料损伤本构关系；Ｊｋ后，根据初始条件和边界条件解出材料各点的应力、应变及损伤度。根据各点的损伤度判断各点损伤状态，由新的损伤状态建立新的边界条件，再重复上述求解过程直至达到构件的破坏准则。已有学者将损伤力学用于粘结锚固的研究¨ｏ】【１１１，河海大学黄闽莉［１１］选择界面粘结性能参数Ｂ’为损伤变量，ｆ＝Ｂ・Ｓ（曰。为粘结滑移曲线各点的割线斜率），对月牙纹钢筋的粘结滑移曲线进行分段整理和拟合，反推出各点的损伤度Ｄ和Ｄ—Ｓ损伤演变方程。这只是用损伤原理对粘结滑移曲线做出解释，而不是从损伤机理推出粘结滑移曲线，且仅仅局限于月牙纹钢筋，不适用于钢绞线的粘结滑移曲线，不能解释

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钢绞线粘结滑移曲线的下降后的再上升曲线。２试验原理和装置研究

测量预应力筋的传递长度和发展长度有两个基本方法¨“：测量混凝土构件表面的纵向应变，得到应变一构件长度曲线（图４）；测得滑移值，得到荷载一滑移曲线。

传递长度

传递长度

・——————．Ｊ

Ｌ・————＿．

／／

ｂ％平均最大应变＼＼＼

图４应变一构件长度曲线

研究普通钢筋和预应力筋的粘结性能时，许多研究者采用Ｍｏｕｓｔａｆａ拔出试验¨引，该方法也被许多规范和标准采用。但是Ｍｏｕｓｔａｆａ拔出试验没有考虑到放松预应力筋时，力筋的横向膨胀（泊松比）对粘结性能的有利影响¨引。国外研究者采用ｐｕｓｈ—ｉｎ试验装置¨５Ｊ【１副模拟泊松比的影响：１）固定Ａ，Ｂ，Ｃ刚性板，张拉预应力筋并在Ａ，Ｂ端锚固；２）在刚性板Ｃ上浇筑混凝土试件；３）放松Ａ端的锚固，使Ｃ板向上或Ｂ板向下移动。

’ｌ‘－－－－４

｜

［１：

图５

ｐｕｓｈ—ｉｎ试验装置

ｌ一预应力筋；２一混凝土构件

图６ＡＭＡ试验装置

基于ｐｕｓｈ—ｉｎ试验装置，Ｍａｇｉｍ３研制出

第３５卷沈小东：环氧涂层钢绞线的粘结锚固性能试验研究

２００８年增刊

ＥＣＡＤＡ试验的ＡＭＡ装置更好的模拟预应力筋的锚固工作状况。

ＥＣＡＤＡ试验步骤：１）预应力筋放置于刚性板Ｂ，Ｄ之间，Ｂ端锚固；２）千斤顶驱动锚板Ｄ向右；３）在Ｄ板和Ａ之间放置可调锚固装置，千斤顶卸载；４）浇筑养护混凝土构件；５）移去Ｄ和Ａ之间的可调锚固装置，在试件中建立有效预应力；６）稳定后可测量混凝土表面应变和力筋滑移值；７）千斤顶在Ｂ端张拉以模拟受弯状态下的力筋应力增加，可测得弯曲粘结长度确定所需的参数。３结论和建议

对于先张法构件，预应力筋的锚固粘结性能尤为重要。试验方法是确定锚固粘结性能的重要方

法。考虑到泊松比的影响，应建立简单拔出荷载曲线和真实锚固长度之间的关系。拔拉试验中出现钢绞线旋转现象，并不发生于构件受荷之后的弯曲粘结发展阶段。把损伤力学运用于粘结锚固值得进一步研究。

参考文献

Ｉ

徐有邻，宇秉训，姜红．三股钢绞线基本性能的试验研究［Ｊ］．工业建筑，ｉ９９８，２８（９）：３１—３６

２

壬清湘，牟晓光。司炳君．三种预应力钢筋粘结性能试验研究［Ｊ】．大连理工大学学报，２００４，４４（６）：８４８—８５３

３

解伟。李树山，牟晓光．螺旋状高强预应力钢筋与混凝土粘结性能试验研究［Ｊ］．四川建筑科学研究，２００７，３３（５）：４０—４５

４

ＡＣＩＣｏｍｍｉｔｔｅｅ．２００８．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ

Ｃｏｄｅ

Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ

ｆｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ

Ｃｏｎｃｒｅｔｅ

ａｎｄＣｏｍｍｅｎｔａｒｙ

５

Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ．Ｅ．．Ｂｅｉｅｒ．Ｊ．Ｔ．，ａｎｄＳｅｒｇａｎｄ．Ｓ．２００１．Ｅｆｆｅｃｔｓ

ｏｆ

ＳｕｄｄｅｎＰｒｅｓｔｒｅｓｓＦｏｒｃｅＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＰｒｅｔｅｎｓｉｏｎｅｄ

Ｃｏｎｃｒｅｔｅ

Ｂｅａｎｌｓ．

ＰＣＩ

ＪｏｕｒｎａｌＮｏ．１ｆＪａｎｕａｒｙ—Ｆｅｂｒｕａｒｙ）：ｐｐ－６４—７５

６

ＬｅＣｈｉｒｅ。Ｐ．ＪａｎｄＦａｕａｈＳｈａｉｋｈ．Ｄ．Ｗ．１９９６．Ｅｆｆｅｃｔ

ｏｆＥｌｅｖａｔｅｄ

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｏｎ

ｔｈｅ

Ｂｏｎｄ

Ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ

Ｅｐｏｘｙ—ＣｏａｔｅｄＰｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ

Ｓｔｒａｎｄ．ＰＣＩ

Ｊｏｕｒｎａｌ．Ｎｏ．４（Ｊｕｌｙ—Ａｕｇｕｓｔ）：ＰＰ．５４—６ｌ

７

Ｃｏｕｓｉｎｓ，ＴｈｏｍａｓＥ．，１９９０．Ｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄ

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

Ｉ￡ｎｇｔｈｏｆ

Ｅｐｏｘｙ—Ｃｏａｔｅｄ

ａｎｄ

Ｕｎｃｏａｔｅｄ

ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇＳｔｒａｎｄ．ＰＣＩＪｏｕｒｎａＬ

Ｎｏ．４（Ｊｕｌｙ—Ａｕｇｕｓｔ）：ＰＰ．９２—１０３

８Ｂｙｕｎｇ

Ｈｗａｎ

Ｏｈ，

Ｅｕｉ

ＳｕｎｇＫｉｍ，

ａｎｄ

Ｙｏｕｎｇ

Ｃｈｅｏｌ

Ｃｈｏｉ．２００６．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｏｃｔｏｂｅｒ：ＰＰ．１０５７

一１０６６

９李灏，损伤力学基础［Ｍ］．济南：山东科学技出版社，１９９２：６

一ｌＯ

李俊华，赵鸿铁．薛建阳，等．型钢混凝土粘结损伤本构模型．工业建筑，２００５，３５（１）：６９—７０

ｌｌ黄闽莉．钢筋混凝土界面损伤研究．河海大学硕士论文．２００６

１２

Ｔｈｏｒｓｅｎ，Ｎ．。１９５６．Ｕｓｅ

ｏｆＬａｒｇｅＴｅｎｄｏｎｓ

ｉｎ

ＰｒｅｔｅｎｓｉｏｎｏｄＣｏｎｃｒｅｔｅ．

ＡＣＩ

Ｊｏｕｒｎａｌ（Ｆｅｂｒｕａｒｙ）：ｐＰ－６４９—６５９

Ｍｏｕｓｔａｆａ，Ｓ．１９７４．Ｐｕｌｌ—ｏｕｔｓｔｒｅｎｇｔｈ

ｏｆ

ｓｔｒａｎｄ

ａｎｄ

Ｌｉｆｔｉｎｇ

Ｌｏｏｐｓ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ

Ｂｕｌｌｅｔｉｎ７４一Ｂ５．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ

ＴｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐ１４

Ｄａｌｌａｓ

Ｒ．Ｒｅｓｅ

ａｎｄ

Ｂｒｕｃｅ

Ｗ．ＲｕｓｓｅｌＬ

１９９７．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

ｏｆ

ＳｍｄａＩｄｉｓｅｄ

Ｔｅｓｔｓ

ｔｏ

ＭｅａｓｕｒｅｔｈｅＢｏｎｄ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ

Ｓｔｒａｎｄ．ＰＣＩ

Ｊｏｕｒｎａｌ

Ｎｏ．４（Ｊｕｌｙ—Ａｕｇｕｓｔ）：ＰＰ．５６—８０

Ａｂｒｉｓｈａｍｉ．Ｈ．Ｈ．，ａｎｄＤ．ＭｉｔｔｃｈｅｌＬ１９９３．Ｂｏｎｄ

Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

ＰｒｅｔｅｎｓｉｏｎｅｄＳｔｒａｎｄ．ＡＣｌ

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

Ｊｏｕｒｎａｌ，ＶｏＬ９０，Ｎｏ．３（Ｍａｙ—

Ｊｕｎｅ）：ＰＰ．２２８—２３５

１６

Ｋｅｕｎｉｎｇ，Ｒ．Ｗ．，Ｍ．Ａ．ｓｏｚｅｎ，ａｎｄＣ．Ｐ．Ａｉｅｅｓ．Ａ

ＳｔｕｄｙｏｆＡｎｃｈｏｒａｇｅ

Ｂｏｎｄ

ｉｎ

Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ

Ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｎｏ．２５１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆ

Ｉｌｌｉｎｏｉｓ

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＳｅｒｉｅｓ

１７

Ｍａｒｔｉ．Ｊ．Ｒ．，Ａｒｂｅｌａｅｚ．Ｃ．Ａ．，ａｎｄＦｅｒｎａｎｄｅｚ．Ｍ．Ａ．２００６．Ｔｒａｎｓｆｅｒ

ａｎｄ

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

Ｌｅｎｇｔｈｓ

ｏｆＣｏｎｃｅｎｔｒｉｃａｌｌｙ

ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ．

ＰＣＩ

ＪｏｕｒｎａＬ

Ｎｏ．５（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒｒ

Ｏｃｔｏｂｅｒ）：ＰＰ．８４—８５

４１９