基于安全分析的预应力混凝土滚轴式弯起器优化设计

基于安全分析的预应力混凝土滚轴式弯起器优化设计

0新型弯起器的提出在预测结构中，首先张结构的工艺简单且稳定，并且不受锚下张力的集中，因此后张法是无与伦比的。然而，线性切割方法严重限制了其横跨能力和应用范围。为此,可在施工时将预应力筋布置成两端弯起的折线形式,形成一种“折线配筋预应力混凝土先张梁”的新型结构;弯起器是这种新型结构得以实现的关键构件。目前工程中使用的弯起器主要有滚轴式与拉板式两种;滚轴式弯起器以园形截面的导向辊实现预应力筋的弯折,拉板式则往往直接在板上钻孔以实现对预应力筋的固定。由于受到结构尺寸与构造要求的限制,滚轴式弯起器导向辊半径往往较小,工程中以R=10mm与R=19.5mm居多;而拉板式由于板厚限制与加工难度的影响,更是无法对起弯点进行过多考虑。于是,预应力筋将在起弯点处形成一个“折点”,产生严重的应力集中现象,从而影响先张梁的整体力学性能;同时,其还会导致钢绞线极限抗拉强度的折减、延性的降低以及预应力摩擦损失的增大,在影响结构力学性能的同时,更严重降低了结构在施工与使用中的安全性。本文基于传统弯起器存在的不足,提出了一种新型弯起器的构想;同时选用不同导向半径R、不同弯折角度θ,设计了详细的试验方案,以研究不同参数的弯起器对预应力筋力学性能的影响,验证新型弯起器的优越性,为折线配筋先张法预应力混凝土先张梁的深入研究提供一定的帮助与参考。1新曲线处理的概念和盒式曲线处理的设计1.1导向半径确定相比拉板式,滚轴式弯起器虽然构造相对复杂,但其加工难度小,优化改良容易。新型弯起器以滚轴式弯起器为基础,综合考虑结构尺寸及钢筋布置等构造要求,对其园形截面的导向辊进行改良,采用一种具有特定导向半径R与最大导向角θ的扁平式截面导向构件代替原导向辊,以实现起弯、导向、定位的功能,并减小对预应力钢绞线力学性能的影响。导向半径选用优化半径R=600mm;考虑工程实际与构造要求,最大起弯角选为12°。新型弯起器是对原滚轴式弯起器的优化与改良,其能满足实际工程中结构尺寸与钢筋布置等构造要求,在相同条件下增大了钢绞线和导向构件的接触面积,将会大大减轻接触面处的应力集中现象与折点效应,从而减小了对预应力钢绞线力学性能的影响,削弱了钢绞线折点处应力集中现象,是一种科学合理的新型弯起器。1.2弯起器结构设计为了研究不同导向半径R与弯折角度θ时弯起器对钢绞线力学性能的影响,首先选用常用半径与优化半径R=10mm、19.5mm、600mm,另增选R=50mm、100mm共五组半径作为了试验用导向构件半径;考虑到工程中的复杂性,选取θ=4.35°、6.45°、8.65°、10.75°、12.85°、14.95°作为试验折角。根据选取的导向构件半径R与试验折角θ,设计了如图1所示的盒状弯起器。盒状弯起器由钢板与导向构件组焊而成,其长800～860mm,宽210～270mm,高50mm。弯起器外框由10mm厚钢板组成,下为整体底板,上有3组盖板(每组1条或2条盖板),两侧有边板;在每组盖板与底板间各设置有2～3块30mm厚导向构件,两端导向构件起弯点间距取800mm。导向构件与底板、盖板良好焊接,以承受试验时产生的垂直于轴向的力;3组盖板下的导向构件相互组合,实现3组不同的试验折角,完成对钢绞线弯折拉力学性能的影响试验。本试验共选用了5种导向构件半径,6种试验角度,共设计了10组盒状弯起器:Box-01～Box-10。2试验计划的设计2.1钢绞线极限拉力(1)测试不同导向半径R、不同弯折角度θ时,钢绞线极限拉力Fu与弯折延性性能的变化情况。(2)测试不同导向半径R、不同弯折角度θ时,导向构件与钢绞线间摩擦所产生的预应力损失情况。2.2qxl-500试验过程试验采用卧位试验的安装加载方案,分为直拉试验与弯折拉试验。直拉试验主要用于对钢绞线基本极限强度Fm、极限伸长量Δlm及弹性模量Gp的测定,并作为弯折拉试验的基础对比试验。弯折拉试验则用于受弯起器影响的钢绞线弯折力学性能的测试。根据试验目的与试验方案,共进行42组钢铰线的拉伸试验:直拉试验3组;5种导向半径6种弯折角度每组一根钢绞线共30组;另选取R=10mm、19.5mm、600mm三种导向半径的常用折角θ=4.35°、6.45°与最大折角θ=14.95°的9组进行补充校核试验。试验方案与试验状况如图2～3所示,QXL-5000设置有易于装卸的主机安全防护网与轴端防护网罩,试验过程安全可靠;试验具体步骤如下:(1)在同一卷钢绞线上截取长度L≮3800mm的钢铰线,在距钢绞线一端800mm处以间距400mm连续选取4个截面Ⅰ～Ⅳ作为应变测试截面,每个测试截面对称粘贴2片电阻应变片;直拉试验则只需选取1个测试截面。(2)打开QXL-5000试验机上端主机保护网,在试验机下端两根承力机架上放置垫块,将盒状弯起器水平支于试验机内,钢绞线通过盒状弯起器对应的3块导向构件形成的对应弯折角度后,两端锚固于QXL-5000试验机两端;其中Ⅰ、Ⅳ截面位于盒状弯起器两端外侧,Ⅱ、Ⅲ截面分别位于盒状弯起器3块导向构件中间,钢绞线安装时注意不要损伤粘贴好的应变片。(3)将应变测试截面上各应变测点按1/4桥路接入DH-3816多测点静态应变测试系统,同时接入温度补偿片;关上QXL-5000试验机上端主机保护网,将轴端防护网罩就位,初始化DH-3816多测点静态应变测试系统,开启QXL-5000试验机准备加载测试。(4)选取F=20kN作为初始荷载,并选取20%Fm、30%Fm、40%Fm、50%Fm、60%Fm、70%Fm、75%Fm、80%Fm作为特征荷载;试验时在初始荷载F=20kN处开始记录F-Δl拉伸试验曲线,在初始荷载与特征荷载时持荷1min后采用DH-3816多测点静态应变测试系统记录各应变测点的应变值;试验过程中钢绞线承受的拉力Fi与对应的伸长量Δli由QXL-5000试验系统自动记录。(5)荷载达到80%Fm持荷并完成应变记录后,拆除DH-3816多测点静态应变测试系统;加载直至钢绞线破坏(至少有一根钢丝被拉断),钢绞线极限承载力Fu及其对应的伸长量Δlu也由QXL-5000试验系统自动记录。3试验处理3.1试验数据分析每组试验结束时,应仔细观测钢绞线试验破断情况以及各转向构件处钢绞线状态,并照相记录;在所有试验结束后,提取QXL-5000试验系统中各组试验的Fu、Δlu以及F-Δl数据。(1)观察不同试验条件下钢绞线破断状态与F-Δl拉伸试验曲线,分析不同条件时钢绞线试验现象与破断状态的产生机理。(2)统计不同试验条件下钢绞线试件极限拉力Fu的变化情况,绘制相应图表与曲线,以分析不同导向半径R与不同弯折角度θ对钢绞线极限抗拉强度的影响规律。(3)统计不同试验条件下钢绞线试件最大伸长量Δlu的变化情况,计算钢绞线的最大力总伸长率Agt、屈服伸长率Ayt,绘制相应图表与曲线,以分析不同导向半径R与不同弯折角度θ对钢绞线延性性能的影响规律。3.2弯起器根据回收率的确定在试验结束后,提取DH-3816测试系统测试的各测点应变测试数据:(1)分析Ⅰ、Ⅳ截面与Ⅱ、Ⅲ截面各测点间应变或应变增量测试数据之间的关系,分析弯起器引起的钢绞线弯折摩阻预应力损失随导向半径R与弯折角度θ的变化规律。(2)试验采用卧位试验,盒状弯起器水平支于试验机内,无需考虑重力的影响。μ=ε1¯¯¯−ε2¯¯¯ε1¯¯¯×sinθ=Δε1¯¯¯¯¯¯−Δε2¯¯¯¯¯¯Δε1¯¯¯¯¯¯×sinθμ=ε1¯-ε2¯ε1¯×sinθ=Δε1¯-Δε2¯Δε1¯×sinθ(1)以公式(1)计算不同导向半径R与不同弯折角度θ时弯起器所产生的摩阻系数μ;绘制相应图表与曲线,以分析不同导向半径R与不同弯折角度θ对摩阻系数μ的影响规律。(3)以实测数据为基础,考虑摩阻系数μ随导向半径R与弯折角度θ的变化规律,总结出不同条件时弯起器弯折摩阻预应力损失计算公式。4下增大导向半径r的影响本文基于现有弯起器存在的不足,提出了采用扁平导向构件代替园形截面导向辊的构想;新型弯起器是对传统弯起器进行优化与改良得来,在相同条件下增大导向半径R无疑将会增大弯起处钢绞线