## 中文标题 考虑钢绞线偏心的高温下灌浆预应力筋粘结性能试验与三折线粘结–滑移模型

《Fire》：Bond Behaviour of Grouted Strands at Elevated Temperatures Considering Tendon Eccentricity

　　

预应力筋偏心（tendon eccentricity）导致有粘结后张预应力混凝土（bonded post-tensioned concrete）结构孔道内的灌浆层厚度不均匀。研究人员通过在混凝土圆柱体内灌浆波纹钢管道中埋置单根及三根钢绞线预应力筋开展53个拉拔试验（pull-out tests），研究了偏心对粘结性能的影响。偏心度在常温下变化，而加热过程中和冷却后的试验对各预应力筋构型均采用最大偏心度。试验方案覆盖20–600 °C，并比较了单根钢绞线试件的水冷和三根钢绞线试件的螺旋约束。偏心度增大降低了常温粘结强度。粘结强度和初始刚度随温度升高而降低，拟合关系表明二者分别约在242 °C和118 °C时降至常温值的一半。冷却后粘结强度略有恢复，水冷和空冷的单根钢绞线试件在所测条件下响应相似。对于被归类为中等约束的试件，峰值后残余粘结强度平均约为相应特征粘结强度的70%，而出现贯穿劈裂的试件几乎没有残余抗力。螺旋钢筋改善了三根钢绞线预应力筋的峰后响应，但在100–300 °C且发生混凝土保护层剥落时，其对粘结强度的贡献有限。研究结果用于重新标定三折线粘结–滑移（bond–slip）模型以适用于所观测的约束条件。

## 论文解读

### 研究背景与问题

在灌浆的有粘结后张预应力混凝土构件中，预应力筋与水泥浆体之间的粘结是传递预应力的基础。火灾（fire）作用下，该界面性能退化将影响钢绞线滑移及结构整体响应，因此相关数值分析指出火灾分析中必须反映粘结退化。已有研究通过三维细观模型考察钢绞线螺旋几何形状与偏心度对钢绞线与混凝土相互作用的影响，针对灌浆金属管道的研究则表明灌浆缺陷会降低粘结应力并改变粘结–滑移曲线。钢筋方面，已有工作揭示了试件几何、约束条件、粘结长度、钢筋位置、加载速率及冷却方式对热暴露后残余粘结的影响，如Asghari Ghajari和Yousefpour、Das等、Bo?njak等、Liu等、Xiao等、Peng等和Li等的研究。然而这些研究针对的是钢筋或不同界面体系，不能直接描述偏心灌浆钢绞线在加热及后续冷却过程中的响应。研究人员先前的研究考察了居中布置的单根、三根和四根钢绞线预应力筋在20–600 °C下的粘结性能，但实际工程中预应力筋线形的曲率会使钢绞线偏向孔道一侧，造成灌浆层厚度不均；先前试验未考察这种偏心布置、水冷方式及附加螺旋约束，故无法确定相同破坏模式与模型参数是否适用。为此，研究人员开展本研究，以区分常温偏心效应与最大偏心下的热响应，考察冷却方式对热后粘结性能的影响，并评价附加约束在偏心布置下维持峰后抗力的有效性。

### 主要技术方法

研究采用与前期居中灌浆预应力筋试验相同的拉拔加载总体方案，试件由预应力筋、水泥浆体、波纹钢管和外包混凝土圆柱组成，圆柱长240 mm、直径150 mm，粘结长度80 mm，钢绞线公称直径15.2 mm，圆柱直径和粘结长度分别约为10d_b和5d_b。共53个试件分五组：第1组常温下变化单根（0、4.8、8.8、12.8、16.4 mm）和三根（0、4.6、8.6 mm）钢绞线偏心度；第2–3组单根与三根钢绞线在最大偏心下分别进行热态和空冷后试验；第4组单根钢绞线水冷后试验；第5组带螺旋钢筋的三根钢绞线试验。试件采用52.5R普通硅酸盐水泥浆体（水灰比0.4）、设计强度50 MPa混凝土及符合BS 5896的低松弛七丝钢绞线，附加约束为6 mm钢丝螺旋（线圈直径86 mm、螺距10 mm）。试验前采用Abaqus传热分析，以ISO 834标准升温曲线下的参考板为热参照，选定1.5 °C/min炉温速率，并在100、300、500 °C目标温度下与实测粘结区温度对比验证。采用30 t级加载装置（液压千斤顶、拉杆、反力架等）经炉体加载，加载速率2.6 mm/min（在ASTM规定的2.5 ± 0.13 mm/min范围内），用LVDT测量自由端滑移。粘结应力按钢绞线包络面法计算。

### 研究结果

**破坏模式**：炉体封闭无法直接观察裂缝发展，故根据试验后试件状态及切割截面判定。本方案仅出现劈裂破坏：部分劈裂（partial splitting）表现为混凝土少量裂缝、管道完整；贯穿劈裂（through splitting）表现为混凝土碎裂且管道断裂。未加螺旋钢筋的三根钢绞线试件在不超过300 °C的热态或冷却后试验中发生贯穿劈裂，其余试件为部分劈裂。

**钢绞线偏心的影响**：常温下两种构型随偏心度增大粘结强度均降低，而粘结–滑移曲线整体形状变化不大，曲线由上升段和下降段组成。可能原因是灌浆层厚度不均导致界面应力分布不均，但测量结果未能解析该分布；靠近管壁一侧灌浆层减薄改变了局部约束与传力。该强度降低对实际工程有意义：按居中钢绞线测值可能高估可用粘结抗力。

**单根与三根钢绞线的粘结–滑移响应**：温度显著改变粘结–滑移响应，与浆体、混凝土和钢管的热退化一致；浆体脱水和热损伤削弱了支撑接触的浆体，外包混凝土损伤降低了约束，钢管刚度和强度下降也降低了其抵抗变形的能力，从而减小接触压力及摩擦与机械咬合所需的支承。初始粘结应力上升近似线性；100 °C后出现明显不同的粘结–滑移响应，可能与界面水分蒸发引起的干燥收缩、微观开裂及粘附弱化有关，这些变化在冷却后可能持续存在。热态下发生部分劈裂的试件在上升后出现应力下降，随后为近似恒定的残余抗力，摩擦可能成为主要抗力来源。空冷后部分劈裂试件切线刚度逐渐降低但初始上升后粘结应力无明显下降，这与完整管道在浆体和混凝土损伤发展过程中持续提供约束相一致。贯穿劈裂试件峰后粘结应力骤降并趋近很小的残余值，切割显示波纹管断裂，表明侧向约束的重要性。

**水冷与螺旋约束的影响**：在所测条件下，单根钢绞线空冷与水冷粘结响应相似，即冷却方式影响很小；但相关钢筋研究结果针对不同粘结体系，不能推广至其他构型或冷却程序。带螺旋钢筋的三根钢绞线试件未出现无螺旋试件那样的峰后应力骤降，粘结应力以渐减斜率继续上升，达到特征粘结强度后无明显下降；但当保护层剥落使螺旋筋直接暴露于炉膛时，其约束贡献可能降低。

### 分析模型

模型基于居中灌浆预应力筋的分段线性框架，适配本偏心构型实测响应。与fib模型及Khalaf和Huang模型相比有两处差异：实测初始段近似线性，幂指数接近1.0而非常用0.4；本试验粘结应力更高，可能归因于波纹管约束。根据峰后分支与破坏模式划分低、中、高三种定性约束水平：低约束对应贯穿劈裂和抗力骤降；中约束对应部分劈裂伴随峰后应力下降，包括热态单根及300 °C以上热态无螺旋三根试件；高约束对应无明显峰后下降，包括冷却后单根、300 °C以上冷却后无螺旋三根及带螺旋三根试件。三折线模型参数为特征粘结强度t_bmax、初始粘结刚度E_b、峰后残余强度比η和特征滑移s₁；高约束下η = 1.0，退化为双折线。对53个试件数据集回归得到E_b,T/E_b = 6.9 (1 ? 0.75T^0.0445)（R² = 0.94）。特征强度按切线刚度降至0.1E_b（热态/冷却后为0.1E_b,T）定义，与前期采用20%判据不同。采用温度折减关系t_bmax,T/t_bmax = 1.25 ? 0.06T^0.46（R² = 0.93）拟合。最大偏心下常温平均粘结强度单根为8.7 MPa、三根为16.8 MPa；参照fib模型的简化式t_bmax = 8.0 (f_c/25)^0.25代入f_c = 40 MPa得9.0 MPa；采用等效直径d_b,e = l_e/π回归得t_bmax = 0.5d_b,e(f_c/25)^0.25，三根构型计算值16.71 MPa略低于实测均值16.8 MPa。中约束下残余比平均约0.7（为fib箍筋约束劈裂情形0.4的约1.75倍）；特征滑移随温度变化很小，单根平均2.5 mm、三根平均5.1 mm，与d_b,e/6（分别为2.53 mm和4.95 mm）近似。模型参数适用于所测构型及最大偏心热态试验，约束类别需由实测曲线判定，其事先确定仍属局限，且未进行独立验证，也未施加初始预应力；附录B以碳氢火灾下预应力混凝土桥梁主梁示例说明模型在结构抗火工程中的应用。

### 讨论与结论

关于预应力钢材性能，研究指出BS 5896钢材在300 °C冷却后基本保留原有抗拉强度，而该温度下空冷单根与三根试件仅保留约一半常温粘结强度，说明即使钢材强度基本恢复，粘结退化仍然显著；钢材刚度降低、高温蠕变和应力松弛可能降低有效预应力，冷却后强度或刚度的恢复不一定能恢复初始预应力，因为不可逆变形和界面滑移可能残留，故评估构件性能时需通过力平衡与变形协调共同考虑粘结退化与钢材劣化。结论部分译文如下：53个拉拔试验研究了常温下钢绞线偏心以及最大偏心下灌浆钢绞线在加热中和冷却后的响应。研究表明，增大偏心降低常温粘结强度而粘结–滑移曲线形状无实质变化，中等偏心下的热响应尚未确定。粘结强度和初始刚度随温度降低，拟合关系表明二者分别约在242 °C和118 °C损失约50%。中等约束试件在峰后下降后平均保留约70%特征强度；高约束试件几乎无降低，而发生贯穿劈裂并伴管道断裂的试件残余抗力可忽略。三根钢绞线预应力筋粘结抗力高于单根钢绞线，但更易发生脆性劈裂。冷却使强度略有恢复，所测单根钢绞线试件空冷与喷水冷却的粘结响应相似。螺旋钢筋改善了粘结行为，但其加热过程中的强度贡献取决于混凝土保护层完整性，剥落可能削弱其约束效果。针对所观测的三种约束类别标定了三折线粘结–滑移模型，高约束下退化为双折线模型。更广泛应用需要进一步评估，包括不依赖实测粘结–滑移曲线确定约束类别。

### 研究意义

本研究首次系统考察了钢绞线偏心这一实际工程中因线形曲率而普遍存在的布置对灌浆预应力筋粘结性能的影响，弥补了居中布置试验的空白；所建立并重新标定的三折线（高约束下双折线）粘结–滑移模型涵盖20–600 °C的热态与冷却后工况，为有粘结后张预应力构件的火灾数值分析与抗火评估提供了可用的界面本构关系；关于冷却方式与螺旋约束有效性的结论也为抗火设计与构造措施提供了试验依据。