區(qū) 彤 蔣方新 蘭春光 白 石 丘友威 劉雪兵

(1.廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司,廣州 510010;2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013;3.北京市建筑工程研究院有限公司,北京 100039;4.智性纖維復(fù)合加固南通有限公司,江蘇南通 226010)

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)兼具無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工簡便易行和有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)構(gòu)性能好、抗震性能優(yōu)的特點,是一項已得到規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)。[1-6]

現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力采用施工張拉控制,一般采用超張拉來達到施加預(yù)應(yīng)力的目的。然而施工過程中因為錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮、預(yù)應(yīng)力筋摩擦、溫度變化、應(yīng)力松弛、混凝土收縮等因素會使預(yù)應(yīng)力受到不同程度的損失,而目前混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力無損檢測主要有超聲導(dǎo)波檢測法、等效質(zhì)量檢測法、磁通量檢測法等,常規(guī)手段的檢測部位主要集中在端部,無法對整個構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力進行各個斷面的檢測,并且這些方法存在預(yù)應(yīng)力測量不直接、易受外界干擾以及影響建筑外觀等缺點。[7-8]而緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在張拉過程、緩凝黏合劑固化過程及使用階段的應(yīng)力狀態(tài)都時刻影響著工程的質(zhì)量和安全。因此,實現(xiàn)準確、高效地對緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋進行監(jiān)測尤為重要。

廣東省佛山市順德區(qū)德勝體育中心體育館屋面層梁采用了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù),為確保工程質(zhì)量,須要實現(xiàn)緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的快速、精確、直觀的實時監(jiān)測,以此判斷緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況。

針對以上問題,基于光纖光柵智慧鋼絞線技術(shù),將光纖光柵傳感器布置于緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線的中心鋼絲內(nèi),制成了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋,并應(yīng)用于實際工程中,通過緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋獲取到了張拉施工、服役期間筋體的真實預(yù)應(yīng)力值。

1 工程概況

德勝體育中心項目建設(shè)場地位于廣東省佛山市,屋面懸挑梁采用了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)(圖1),懸挑梁挑出長度為5.0 m。將其中一根懸挑梁的普通緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋替換為緩黏結(jié)智慧筋,以實現(xiàn)對緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)筋體預(yù)應(yīng)力度的精準監(jiān)測(圖2)。

圖1 采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋監(jiān)測的混凝土梁位置Fig.1 The location of concrete beam monitored with retard-bonded prestressed intelligent tendons

圖2 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土懸挑梁筋體布設(shè)Fig.2 A schematic diagram of the tendon in cantilevered retard-bonded prestressed concrete beams

2 緩黏結(jié)智慧筋的技術(shù)原理和構(gòu)造

2.1 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的核心機理是通過緩凝黏合劑的固化實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間從無黏結(jié)逐漸過渡到有黏結(jié)狀態(tài),在施工階段鋼絞線可伸縮自由變形、不與周圍緩凝黏合劑產(chǎn)生黏結(jié),在施工完成后的預(yù)定時期內(nèi)鋼絞線通過固化的緩凝黏合劑與周圍混凝土產(chǎn)生黏結(jié)作用,最終鋼絞線與周圍混凝土形成一體,共同工作,達到有黏效果。

如圖3所示,普通緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋主要由鋼絞線、護套、緩凝黏合劑構(gòu)成。鋼絞線為一般預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線;護套采用高密度聚乙烯材料,具有抗破裂,耐氣候性、耐水性、耐堿性等優(yōu)點;緩凝黏合劑由環(huán)氧樹脂等材料組成,具有耐酸、耐堿、耐氣候的特點,根據(jù)需要可選用不同的固化時間,該工程所用緩凝黏合劑的技術(shù)指標如表 1所示。

a—三維示意;b—縱切示意;c—橫切示意。圖3 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造Fig.3 Schematic diagrams of retard-bonded prestressed intelligent tendons

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)克服了有黏預(yù)應(yīng)力和無黏預(yù)應(yīng)力的缺點,結(jié)合了兩者的優(yōu)點,結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、滿足抗震要求、施工工藝簡單、質(zhì)量易于控制。

2.2 基于光纖光柵的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋

光纖光柵測量法[9-11]并非新興技術(shù),但常規(guī)光纖光柵測量法要將傳感器粘貼于索體表面,施工和使用期間傳感器和信號傳輸線都容易受到干擾和損壞。為提高傳感器的存活率,在鋼絞線的中心絲開微型槽(圖4),借助特種膠黏劑將光纖光柵傳感器封裝于鋼絞線內(nèi)部,使得光纖光柵傳感器與鋼絞線的變形協(xié)調(diào),當(dāng)筋體受力發(fā)生形變時,便可通過對光纖光柵傳感器波長的調(diào)制,精準地換算出測點位置的形變及應(yīng)力,這樣便制作成了兼具受力和傳感性能的自感知智慧鋼絞線,可對筋體受力的演化規(guī)律進行把控,以求對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和有效性進行評估。[11-15]

表1 緩凝黏合劑的技術(shù)指標Table 1 Technical specifications of retarding adhesives

圖4 智慧鋼絞線構(gòu)造Fig.4 A schematic diagram of intelligent steel strands

根據(jù)Hooke定律,智慧鋼絞線的應(yīng)力可表示為：

(1)

式中：σ為鋼絞線應(yīng)力;ΔλB為光纖光柵波長差;αε為軸向應(yīng)變與中心波長變化關(guān)系的靈敏度系數(shù);EIC為鋼絞線彈性模量。

工程將其中一根緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的鋼絞線替換為光纖光柵智慧鋼絞線,制成應(yīng)力自感知的緩黏結(jié)智慧筋。經(jīng)過標定試驗、力學(xué)性能試驗和幾何性能試驗可知：該緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋公稱直徑和公稱面積分別為21.8 mm、313.0 mm2,沿用普通預(yù)應(yīng)力筋的錨固系統(tǒng)和張拉設(shè)備,除監(jiān)測設(shè)備外不增加額外的施工設(shè)備,滿足施工便利性的需要。緩黏結(jié)智慧筋亦滿足普通緩黏結(jié)筋相同的施工和受力要求。經(jīng)實驗室張拉測試,智慧筋傳感精度為±2.67%,滿足監(jiān)測精度的需求。

3 緩黏結(jié)智慧筋施工和監(jiān)測方案

3.1 緩黏結(jié)智慧筋的制作

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋的制作須與智慧鋼絞線廠家合作完成。在滿足設(shè)計力學(xué)性能的鋼絞線中心鋼絲布置光纖光柵傳感器,并在中心鋼絲的延伸方向上設(shè)置大小約為1 mm的凹槽,設(shè)置兩根信號線連接光纖光柵傳感器,兩根信號線置于凹槽中分別從智慧筋兩端引出。前期施工中緩黏結(jié)智慧筋表面無任何外露傳感器和信號線,待張拉階段再剔出中線鋼絲上的光纖信號線并接長進行監(jiān)測,如圖5所示。

a—露出鋼絞線和中心鋼絲;b—仔細剔出光纖信號線;c—按需接長信號線。圖5 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋實拍照片F(xiàn)ig.5 Photoes of retard-bonded prestressed intelligent tendons

3.2 施工流程

基于緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工工藝流程如圖6所示。

圖6 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋施工工藝流程Fig.6 A flow chart of construction processes for retard-bonded prestressed intelligent tendons

a—安裝千斤頂張拉;b—張拉過程實時監(jiān)測;c—張拉完成后封裝保護,長期監(jiān)測。圖7 現(xiàn)場監(jiān)測Fig.7 In-site monitoring

傳統(tǒng)有黏預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)常由于灌漿不密實使得預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)性得不到保證,鋼絞線與混凝土無法共同工作,影響結(jié)構(gòu)性能。同時,由于灌漿不密實亦會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼絞線易受到腐蝕,造成應(yīng)力虧損,耐久性減弱。相比有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力,緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力施工工藝減少了波紋管安裝及管道灌漿工序,使得緩黏結(jié)智慧筋在具備良好結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢的前提下,施工便利性也得到極大提高。而緩黏結(jié)智慧筋由于傳感器、光纖信號線均封裝于鋼絞線內(nèi)部,表面無傳感器和信號線,因此其與普通緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)、混凝土澆筑等施工工序并無差異,可以在不改變原有施工方案的前提下實現(xiàn)筋體預(yù)應(yīng)力的精確獲取,其監(jiān)測功能兼?zhèn)淠途眯院谩⒖垢蓴_能力強的優(yōu)點。

3.3 監(jiān)測方案

該工程所用緩黏結(jié)智慧筋在中部布置了1個光纖光柵傳感器,通過光纖信號線從智慧筋兩端導(dǎo)出,智慧筋兩端信號線均可讀取數(shù)據(jù)。

緩黏結(jié)智慧筋的監(jiān)測分為張拉和服役期間兩階段監(jiān)測。

3.3.1張拉期間監(jiān)測

張拉智慧筋時先安裝錨具及張拉千斤頂,然后采用手持式切割機小心切除鋼絞線的外圍鋼絲,露出含光纖信號線的中心鋼絲,用小刀仔細剔除中心鋼絲表面的塑膠,挑出光纖信號線。通過光纖熔接機(Fujikura 28S)接長信號線,連接監(jiān)測儀器檢測監(jiān)測傳感器是否正常工作,隨后開始張拉過程中的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測。

張拉過程須高頻地監(jiān)測預(yù)應(yīng)力的變化,因此張拉階段所選用的解調(diào)儀要求能實現(xiàn)全光譜快速數(shù)據(jù)采集。工程中選用光纖光柵傳感解調(diào)儀si155,連接信號線及計算機進行張拉階段數(shù)據(jù)的實時記錄,該解調(diào)器每秒讀取張拉力數(shù)據(jù)可達1 000次,有效跟蹤了張拉階段緩黏結(jié)智慧筋的預(yù)應(yīng)力變化。

3.3.2服役期間監(jiān)測

使用期間的采集設(shè)備宜選用具備獨立電源且便于隨時讀取數(shù)據(jù)的儀器,該工程采用便攜式光柵解調(diào)儀(TV200),可直接連接信號線讀取獲得智慧筋的拉力數(shù)據(jù)。張拉完成后的第1個月每天記錄1次監(jiān)測數(shù)據(jù),隨后每周保證記錄1次數(shù)據(jù)。

4 監(jiān)測結(jié)果和分析

4.1 張拉階段監(jiān)測

該工程的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土施工在冬季進行,在混凝土澆筑后的第18天開始張拉作業(yè)。張拉控制應(yīng)力σcon=1 395 MPa,鋼絞線fptk=1 860 MPa,截面積A=313 mm2,單根緩黏結(jié)筋的張拉控制力為437 kN。

預(yù)應(yīng)力實行分級張拉,各級理論張拉力分別為張拉控制力的25%、50%、75%、90%、100%,共5級。施工中由于考慮到錨具回縮等引起的預(yù)應(yīng)力損失,實際施加的張拉力會大于理論值。分級張拉的張拉力大小通過液壓千斤頂油泵油壓控制,監(jiān)測到現(xiàn)場施工最終超張拉至50 MPa(油泵油壓表示數(shù),對應(yīng)于千斤頂?shù)募虞d值為500 kN)。張拉過程中智慧鋼絞線張拉力與波長和時間的關(guān)系分別如圖8和圖9所示。

圖8 緩黏結(jié)智慧筋張拉力與波長的關(guān)系Fig.8 Relations between tension and wavelength of retard-bonded prestressed intelligent tendons

圖9 緩黏結(jié)智慧筋張拉力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)(張拉階段)Fig.9 Real-time tension monitoring data of retard-bonded prestressed intelligent tendons (in tensile stages)

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,分級加載下緩黏結(jié)智慧筋實測波長變化值與油壓表油壓示數(shù)的增長吻合,表明緩黏結(jié)智慧筋監(jiān)測數(shù)據(jù)準確,同時也反映了在張拉適用期內(nèi)(60 d)緩黏結(jié)筋與混凝土之間處于無黏結(jié)狀態(tài),外部施加的張拉力有效轉(zhuǎn)為筋體的預(yù)應(yīng)力。

實測顯示：張拉荷載最高達到509.98 kN,緩黏結(jié)智慧筋最大應(yīng)力σmax=1 629 MPa。在卸除千斤頂后,測得的緩黏結(jié)智慧筋張拉力為411.03 kN,張拉后的有效應(yīng)力為σ=1 313 MPa,小于設(shè)計張拉控制應(yīng)力(σcon=1 395 MPa)。由緩黏結(jié)智慧筋實測結(jié)果得到錨具回縮、摩擦損失等預(yù)應(yīng)力損失共為316 MPa。JGJ 387—2017《緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》[6]給出了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失的計算式,計算得出由張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力σl1=81 MPa,由緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與護套壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失值σl2=205 MPa,張拉時的預(yù)應(yīng)力損失合計σl1+σl2=286 MPa。實測預(yù)應(yīng)力損失值略大于JGJ 387—2017計算值,其原因在于,按JGJ 387—2017計算時,如錨具變形、預(yù)應(yīng)力內(nèi)縮值、預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)等參數(shù)均為經(jīng)驗取值,實際施工中會存在諸多誤差,而緩黏結(jié)智慧筋是真實、高精度地測得總的預(yù)應(yīng)力損失度,直接反映工程實際情況。

工程實踐表明：緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋精確監(jiān)測了施工過程中筋體的應(yīng)力變化,有效追蹤了張拉全過程的筋體實際預(yù)應(yīng)力值,準確掌握了張拉鎖定后的預(yù)應(yīng)力實際損失,采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力智慧筋進行監(jiān)測能有效避免由于錯誤估計預(yù)應(yīng)力損失而對結(jié)構(gòu)安全埋下隱患。

4.2 服役期間監(jiān)測

在緩黏結(jié)智慧鋼絞線使用期間進行持續(xù)監(jiān)測,混凝土澆筑后的120 d內(nèi)(張拉結(jié)束后第102天)智慧鋼絞線的預(yù)應(yīng)力變化如圖10所示,圖10還記錄了監(jiān)測期間各天的氣溫。

圖10 緩黏結(jié)智慧鋼絞線服役期監(jiān)測結(jié)果Fig.10 Monitoring results of retard-bonded prestressed intelligent tendons in service

預(yù)應(yīng)力在使用期間會發(fā)生一定變化,受到諸如施工堆載、混凝土收縮徐變、筋體松弛等諸多因素的影響。顯然,對于該工程大尺度混凝土結(jié)構(gòu),溫度變化引起混凝土的熱脹冷縮效應(yīng)會對筋體預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生不可忽視的影響。將氣溫變化納入對比后,可以發(fā)現(xiàn),在混凝土澆筑后的3個月時間里,預(yù)應(yīng)力與溫度的變化呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性,表現(xiàn)為溫度上升時筋體預(yù)應(yīng)力總體有增大趨勢,反之亦然。

在3個月之后,預(yù)應(yīng)力值雖有波動但整體上明顯呈下降趨勢,說明緩凝劑已經(jīng)開始固化,混凝土與鋼絞線逐漸咬合黏結(jié),伴隨混凝土不斷的收縮徐變,預(yù)應(yīng)力形成下降趨勢。

在服役期間,緩黏結(jié)智慧筋對緩凝劑黏結(jié)過程中的筋體應(yīng)力變化能作出精確響應(yīng),為緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的工程應(yīng)用和試驗研究提供了可靠的監(jiān)測手段。

5 結(jié)束語

基于智慧鋼絞線原理制作成具有應(yīng)力自感知的緩黏結(jié)智慧筋,并成功應(yīng)用于實際工程中,獲取了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土張拉施工和長期使用階段的筋體真實預(yù)應(yīng)力值,根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果,得出以下主要結(jié)論：

1)緩黏結(jié)智慧筋能實時、精確地反映出張拉階段的筋體預(yù)應(yīng)力變化,直接、真實地得到筋體預(yù)應(yīng)力值,準確測得張拉鎖定后的預(yù)應(yīng)力損失程度,為預(yù)應(yīng)力筋的張拉作業(yè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐和過程監(jiān)督。

2)張拉階段千斤頂?shù)膹埨τ行У剞D(zhuǎn)化為緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力,說明在張拉適用期內(nèi)緩黏結(jié)筋與混凝土之間完全處于無黏狀態(tài)。

3)根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果,緩黏結(jié)智慧筋監(jiān)測精度高,能準確反映結(jié)構(gòu)中筋體應(yīng)力狀態(tài)隨施工進程、外界環(huán)境、緩凝劑固化的變化,為緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計提供了具體數(shù)據(jù)支撐,也可為類似的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性評估提供可靠依據(jù)。