杭州世紀(jì)中心西天窗索夾抗滑移試驗(yàn)研究*

朱明亮, 張步寬, 夏 杰, 郭正興

(1 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189；2 杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，杭州 310003)

0 引言

索夾節(jié)點(diǎn)的抗滑移性能影響了結(jié)構(gòu)的承載能力,索夾抗滑力不足將導(dǎo)致索的滑移,改變索結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)形態(tài),對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[1-4]。憑借現(xiàn)有的理論分析方法[5-10]難以準(zhǔn)確判斷索夾抗滑力的變化規(guī)律,且高強(qiáng)螺栓也存在著復(fù)雜的應(yīng)力松弛現(xiàn)象[11-12],這些都會(huì)對(duì)索夾的抗滑移能力產(chǎn)生不可預(yù)料的影響[13-15]。通過(guò)索夾滑移試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地反映索夾在施工和使用階段的受力情況[16-20]。

杭州世紀(jì)中心西天窗為新型聯(lián)方網(wǎng)格空間交叉預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu),分為上下兩個(gè)柱面,在每個(gè)柱面內(nèi)由鋼箱梁和拉索正交組成,上下柱面拉索和鋼箱梁方向互為正交,其間布置矩形截面鋼撐桿,結(jié)構(gòu)平面尺寸63.9m×21.3m,鋼材材質(zhì)為Q355B,如圖1所示。預(yù)應(yīng)力拉索采用高釩索,鋼絲強(qiáng)度1 670MPa,直徑36mm,拉索截面積為782mm2,最小破斷力為1 150kN,如圖2所示。索夾鑄鋼件材質(zhì)采用G20Mn5QT,鑄造后對(duì)索孔等位置進(jìn)行二次機(jī)械加工打磨,以滿足精度要求。其中,索夾采用8.8級(jí)M16摩擦型高強(qiáng)螺栓[8],緊固力為72kN。本試驗(yàn)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)索夾進(jìn)行承載能力試驗(yàn),由于沿結(jié)構(gòu)縱向同一列位置的索夾角度相同,對(duì)比索夾兩側(cè)索段的不平衡力選取如圖3所示索夾進(jìn)行試驗(yàn),此列索夾孔道角度A為5°。

圖1 杭州世紀(jì)中心西天窗鋼結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)用拉索詳圖

圖3 索夾放樣圖

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本工程結(jié)構(gòu)的特殊性決定了拉索在施工張拉和施工完成后的狀態(tài)不同,施工張拉時(shí)要求拉索相對(duì)于索夾是可滑移的,而施工完成后將拉索和索夾的相對(duì)位置鎖定,不允許發(fā)生相對(duì)滑移。因此,試驗(yàn)分為三部分內(nèi)容:

(1)拉索施工張拉過(guò)程中,索體相對(duì)于索夾發(fā)生滑移,測(cè)定其摩擦阻力。

(2)安裝索夾上蓋板后,測(cè)定高強(qiáng)螺栓緊固力衰減的情況。

(3)拉索張拉到最大索力后,測(cè)定索夾的最大抗滑移承載力。

1.2 試驗(yàn)材料

共進(jìn)行了兩組試驗(yàn),分別為第一組和第二組,材料包含兩個(gè)試驗(yàn)索夾,兩根φ36的試驗(yàn)索和一個(gè)反力架,以及相應(yīng)的壓力傳感器和位移傳感器。拉索和索夾的具體尺寸、規(guī)格與工程實(shí)際用索和索夾相同。同時(shí)保證每次試驗(yàn)中索夾和拉索的接觸摩擦面都是完好的原始狀態(tài)。

1.3 試驗(yàn)方法和步驟

為準(zhǔn)確模擬索體與索夾之間的相互作用,其相對(duì)位置關(guān)系非常重要。由于拉索通過(guò)索夾時(shí)的角度會(huì)產(chǎn)生額外的壓力,增加索體與索夾之間的摩擦力,本試驗(yàn)采用反力架加載,參考實(shí)際工程中拉索與索夾的位置關(guān)系,將索夾兩側(cè)的拉索角度通過(guò)鋼墊板找出,在與實(shí)際工程相同的夾角狀態(tài)下進(jìn)行拉索張拉和索夾的頂推試驗(yàn),盡可能真實(shí)還原實(shí)際工程中索體與索夾之間的摩擦阻力,如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置

1.3.1 第一階段

第一階段(拉索施工張拉階段,如圖5所示)主要模擬施工過(guò)程中對(duì)拉索進(jìn)行張拉時(shí),測(cè)量得到索夾下蓋板對(duì)索體的摩擦阻力。

圖5 第一階段試驗(yàn)過(guò)程

(1)在拉索無(wú)預(yù)應(yīng)力條件下,安裝拉索索夾下蓋板、鋅板,并安裝采集儀、電腦等,在張拉端一側(cè)安裝焊接限位三角板,使得在拉索張拉過(guò)程中索夾位置相對(duì)固定。

(2)安裝千斤頂壓力傳感器和位移計(jì)。

(3)分級(jí)張拉拉索至最大張拉力(172.0kN),并持載。

(4)自拉索張拉開始,自動(dòng)監(jiān)測(cè)加載力值,監(jiān)測(cè)采集時(shí)間間隔為1s,直至張拉結(jié)束。

在拉索開始張拉并受力后,拉索與索夾下蓋板之間必然產(chǎn)生相對(duì)位移,并持續(xù)增大,當(dāng)張拉力達(dá)到所需張拉力后停止張拉,此時(shí)相對(duì)位移也隨之停止增大。

1.3.2 第二階段

第二階段(高強(qiáng)螺栓緊固力衰減階段,如圖6所示)主要為了跟蹤測(cè)量高強(qiáng)螺栓自初擰開始達(dá)到最大緊固力后直至衰減穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 第二階段試驗(yàn)過(guò)程

(1)在拉索達(dá)到施工張拉力條件下,安裝拉索索夾、高強(qiáng)螺栓及其緊固壓力傳感器,并安裝采集儀、電腦等。

(2)用扭力扳手對(duì)高強(qiáng)螺栓的螺母施擰,即施加緊固力,螺栓在施工張拉力狀態(tài)下松弛;自施擰高強(qiáng)螺栓開始,自動(dòng)監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓的緊固力,監(jiān)測(cè)采集時(shí)間間隔為1s。

在高強(qiáng)螺栓的組裝和施擰過(guò)程中,螺栓頭下的墊圈有倒角的一面應(yīng)朝向螺栓頭;擰緊分為初擰、終擰,初擰扭矩為終擰扭矩的50%左右,終擰時(shí)施工扭矩應(yīng)連續(xù)、平穩(wěn)。

高強(qiáng)螺栓緊固后松弛隨之產(chǎn)生,螺栓緊固力呈現(xiàn)先快后慢的下降趨勢(shì),當(dāng)螺栓緊固力曲線趨于平緩,接近直線時(shí)即可認(rèn)為緊固力衰減完成。

1.3.3 第三階段

第三階段(索夾頂推階段,如圖7所示)主要為了得到拉索在最大內(nèi)力條件下(50%破斷荷載)索夾的抗滑移能力。

圖7 第三階段試驗(yàn)過(guò)程

(1)為考慮拉索預(yù)張力對(duì)索夾抗滑移承載力的不利影響,待高強(qiáng)螺栓緊固力衰減穩(wěn)定后(靜置12h),分級(jí)張拉拉索至50%的標(biāo)稱破斷力(0.5×1 150=575kN)并持載,持載時(shí)間至高強(qiáng)螺栓緊固力衰減穩(wěn)定。

(2)安裝頂推千斤頂、壓力傳感器和位移計(jì)。

(3)分級(jí)頂推索夾,記錄荷載和滑移值,直至索夾與索體間出現(xiàn)明顯大幅相對(duì)滑移。

自頂推索夾開始,自動(dòng)監(jiān)測(cè)加載力值,監(jiān)測(cè)采集時(shí)間間隔為1s,直至頂推加載結(jié)束。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),此階段頂推索夾下蓋板,當(dāng)下蓋板和上蓋板均發(fā)生與拉索索體之間的相對(duì)滑移時(shí),認(rèn)為索夾失效,停止頂推加載。以此方法再對(duì)另一索夾進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 加載與測(cè)試

1.4.1 索夾滑移頂推加載

采用兩臺(tái)小噸位(10t)手動(dòng)式液壓千斤頂對(duì)試驗(yàn)索夾進(jìn)行頂推加載,通過(guò)分油閥連接。在千斤頂和索夾之間安設(shè)量程為20t壓力傳感器,采用壓力傳感器進(jìn)行加載過(guò)程控制,對(duì)千斤頂所施加的頂推力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體索夾抗滑移加載裝置如圖8所示。

圖8 索夾抗滑移加載裝置

(1)安裝索夾頂推千斤頂、位移計(jì)與相應(yīng)儀器。

(2)頂推索夾,直至索夾滑動(dòng);索夾頂推過(guò)程中通過(guò)測(cè)試儀器讀取頂推力以及索夾的滑移量。

(3)拆卸裝置,為下一次試驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)備。

播種至出苗前一般不澆水，子葉展平，根系沒(méi)有露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊前，控制育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面見干見濕，根系露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面時(shí)，要保證育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面濕潤(rùn)狀態(tài)，防止根系受到損傷。育苗期間應(yīng)根據(jù)育苗營(yíng)養(yǎng)塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時(shí)補(bǔ)足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進(jìn)行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長(zhǎng)，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進(jìn)行幼苗鍛煉。

1.4.2 索夾位移的測(cè)量

在試驗(yàn)索夾遠(yuǎn)加載端端部和拉索之間安設(shè)位移計(jì),以測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中索夾與拉索的相對(duì)位移。安設(shè)位移計(jì)時(shí),保證其指針滑動(dòng)方向與Galfan拉索平行,并使用打孔限位板限位其指針接觸點(diǎn)。

位移計(jì)與DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)相連接,在抗滑移頂推加載過(guò)程中,利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集索夾的相對(duì)位移,并可以與抗滑移頂推力同步對(duì)應(yīng)。在每次抗滑移頂推分級(jí)加載的持荷階段,觀察位移計(jì)讀數(shù),可以直觀地判斷索夾的相對(duì)位移,同時(shí)對(duì)加載分級(jí)和速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。壓力傳感器、位移計(jì)與DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)相連接,在試驗(yàn)過(guò)程中,利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集螺栓緊固力和索夾上下蓋板之間的相對(duì)位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 第一階段

第一階段測(cè)量數(shù)據(jù)主要包括張拉端壓力傳感器和固定端壓力傳感器的力值。安裝在張拉端和錨固端的傳感器分別記錄了施工張拉過(guò)程中索夾兩側(cè)索段的內(nèi)力變化,見圖9、10。

圖9 第一組時(shí)程曲線

圖10 第二組時(shí)程曲線

由圖9、10可知,隨著張拉力的增大,固定端索段內(nèi)力同步增大,其變化規(guī)律一致;張拉端索段內(nèi)力和固定端索段內(nèi)力之間始終保持一定的不平衡力,這個(gè)不平衡力即為索夾對(duì)索體的摩擦力,兩組試驗(yàn)不平衡力分別為8.26kN和8.34kN。

2.2 第二階段

第二階段測(cè)量數(shù)據(jù)主要為高強(qiáng)螺栓緊固力隨時(shí)間的變化曲線。在拉索達(dá)到施工張拉力后安裝索夾上蓋板并擰緊高強(qiáng)螺栓,然后通過(guò)壓力傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓緊固力,待高強(qiáng)螺栓緊固力穩(wěn)定后進(jìn)行拉索張拉。此過(guò)程持續(xù)監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓緊固力,直至穩(wěn)定。

由表1、2和圖11可知:高強(qiáng)螺栓在終擰后迅速進(jìn)入衰減,隨著時(shí)間的推移,衰減速度逐漸減緩;第一組和第二組高強(qiáng)螺栓緊固力的平均衰減率分別為11.87%和13.35%,且均在12～13h后能夠趨于穩(wěn)定。

表1 第一組高強(qiáng)螺栓緊固力變化

表2 第二組高強(qiáng)螺栓緊固力變化

圖11 高強(qiáng)螺栓緊固力松弛曲線

2.3 第三階段

第三階段測(cè)量數(shù)據(jù)主要為頂推千斤頂對(duì)索夾進(jìn)行頂推直至出現(xiàn)明顯滑移時(shí)的最大頂推力。試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際條件采用頂推索夾下蓋板的加載方式對(duì)索夾進(jìn)行加載,根據(jù)空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的索夾受力特點(diǎn),當(dāng)上、下蓋板均發(fā)生明顯位移即認(rèn)為索夾滑移失效,如圖12所示。

由圖12可知,頂推初段,索夾上、下蓋板的滑移量均很小;由于索夾下蓋板直接承受千斤頂?shù)捻斖屏?下蓋板一般先于上蓋板發(fā)生明顯滑移;隨著頂推力增加,下蓋板發(fā)生一定滑移后通過(guò)高強(qiáng)螺栓帶動(dòng)上蓋板發(fā)生滑移,此后,盡管頂推力增加量少,但滑移量迅速增加;第一組和第二組索夾極限抗滑移承載力分別為112.29kN和125.34kN。

(1)

表3 索夾綜合摩擦系數(shù)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

每組試驗(yàn)加載完成后,解開索夾,對(duì)索體鋼絲外觀、索夾蓋板內(nèi)表面外觀進(jìn)行觀測(cè),拍照記錄索體鋼絲劃痕。

3.1 施工張拉后

由圖13、14可見,施工張拉過(guò)程中索夾與索體之間的鋅板壓痕較少且淺,鋅板在孔道內(nèi)有明顯的位移,這說(shuō)明鋅板能起到滑移的作用,并保護(hù)索體。

圖13 第一組施工張拉后試件

圖14 第二組施工張拉后試件

3.2 頂推完成后

頂推完成后取下蓋板,由圖15、16可見,索體出現(xiàn)明顯的劃痕,索夾與索體之間的鋅板壓痕明顯且深,鋅板在孔道內(nèi)有明顯的位移甚至卷曲變形,說(shuō)明索夾與索體之間發(fā)生滑移破壞,孔道表面整體受力,摩擦效應(yīng)明顯。

圖15 第一組試驗(yàn)后試件

圖16 第二組試驗(yàn)后試件

4 結(jié)論

(1)拉索索夾高強(qiáng)螺栓緊固力存在明顯的衰減,衰減率均小于15%,且均在約12～13h后趨于穩(wěn)定,為補(bǔ)償高強(qiáng)螺栓緊固力損失,在張拉完成后應(yīng)對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行復(fù)擰。

(2)鋅板在第一階段張拉過(guò)程中壓痕較淺,說(shuō)明鋅板能起到輔助滑移的作用,而在第三階段鋅板產(chǎn)生明顯壓痕,此時(shí)鋅板已無(wú)滑移作用。

(3)由于本工程張拉力不大,而張拉過(guò)程預(yù)應(yīng)力損失不容忽視,建議預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中可適當(dāng)超張拉10%。