中歐預應力錨具疲勞性能試驗研究

陳鈺燁 蔣業(yè)東

【摘 要】文章介紹了國標GB/T 14370—2015、歐標ETAG 013和EN 13391：2004在預應力錨具疲勞性能試驗方面的規(guī)定，并以國內(nèi)某自主品牌錨具作為試驗對象，參照ETAG 013、EN 13391：2004對其進行疲勞性能試驗，在檢驗我國自主品牌錨具抗疲勞性能的同時，分析研究中、歐標準在錨具疲勞性能試驗方面的差異性。疲勞試驗結(jié)果表明，我國部分自主品牌錨具抗疲勞性能表現(xiàn)優(yōu)異，能很好地滿足歐洲疲勞性能試驗要求，同時針對國標GB/T 14370—2015在錨具疲勞性能試驗方面存在的不足提出改進建議。

【關鍵詞】疲勞性能;預應力;錨具;試驗

【中圖分類號】TU378 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0058-04

0 前言

隨著我國預應力混凝土技術的不斷發(fā)展，預應力錨具產(chǎn)品被廣泛應用于道路、橋梁、房建等基礎設施領域，其性能可靠性將直接影響工程結(jié)構的安全性，其重要性不言而喻。為確保預應力錨具產(chǎn)品質(zhì)量，我國在1993年制定了自己的國家產(chǎn)品標準《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370—93），并結(jié)合國情相繼在2000年、2007年、2015年進行了3次修訂，不斷完善預應力錨具產(chǎn)品標準，逐步向國際先進標準靠攏。

歐洲標準不僅在歐洲28國執(zhí)行，國際大預應力公司也多在歐洲，它們在中東、東南亞、澳洲、非洲等國家修建的眾多預應力工程也都執(zhí)行歐洲標準[1]，因此《后張預應力體系歐洲技術認可準則》（ETAG 013）和《后張預應力體系的力學性能試驗》（EN 13391：2004）成為當今世界上最獲廣泛認可與應用的預應力標準規(guī)范?！逗髲堫A應力體系歐洲技術認可準則》（ETAG 013）是歐洲技術認證組織（EOTA）在2002年發(fā)布的，隨后歐洲標準化委員會（CEN）在2004年發(fā)布了《后張預應力體系的力學性能試驗》（EN 13391：2004）。因EN 13391：2004是參考ETAG 013進行編制的，故二者認可準則基本相同，ETAG 013較EN 13391：2004操作規(guī)范更詳細。

我國新修訂的《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370—2015）自2016年8月實施至今已有3年，其在錨具靜載錨固性能、錨固區(qū)傳力性能等方面，已與ETAG 013和EN 13391：2004基本保持一致，但在疲勞性能試驗方面仍存在較大差別。

本文擬通過對比GB/T 14370—2015與ETAG 013、EN 13391：2004在錨具疲勞性能試驗方面的要求，并以國內(nèi)某自主品牌錨具作為試驗對象，參照ETAG 013、EN 13391：2004要求進行疲勞性能試驗，在檢驗我國自主品牌錨具抗疲勞性能的同時，分析研究中、歐標準在錨具疲勞性能試驗方面的具體差異。

1 中、歐疲勞性能試驗要求對比

為清晰地對比GB/T 14370—2015與ETAG 013、EN 13391：2004在疲勞性能試驗方面的差別，將其試驗方法和要求分項列入表1。

從表1對比得出以下結(jié)論。

（1）GB/T 14370—2015與ETAG 013、EN 13391：2004在試驗應力上限、最小應力幅、循環(huán)次數(shù)、試樣破壞情況要求基本一致。

（2）在預應力筋安裝根數(shù)要求方面，GB/T 14370—2015對于當疲勞試驗機能力不夠時，必須安裝的預應力筋根數(shù)比ETAG 013、EN 13391：2004略多些，對試驗效果影響不大。

（3）在試驗次數(shù)方面，對于系列產(chǎn)品大中小試驗規(guī)格的選取規(guī)則存在稍許差異，GB/T 14370—2015考慮到試驗結(jié)果可能存在一定的偶然性，為保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，因此規(guī)定每種規(guī)格需進行3次試驗，試驗組數(shù)較ETAG 013、EN 13391：2004多1～2組。

（4）在試驗前試件安裝要求方面，GB/T 14370—2015與ETAG 013、EN 13391：2004存在明顯差異。具體表現(xiàn)如下：GB/T 14370—2015沒有制定針對疲勞試驗的具體安裝要求，僅在“試驗用預應力筋—錨具、夾具或連接器組裝件”的一般規(guī)定中要求各根預應力筋應平行受拉;而ETAG 013、EN 13391：2004明確要求需模擬實際工況中預應力筋-錨具組裝件的預應力筋在錨具內(nèi)及在波紋管入口處發(fā)生的偏折和部件與預應力筋的相對運動，意味著錨具廠家不僅要保證在荷載變動下錨板與夾片對預應力筋具有良好的夾持錨固性能，還需考慮預應力筋偏折引發(fā)的局部應力集中及預應力筋在荷載作用下與錨口發(fā)生反復摩擦對整個試驗的影響，故其試驗難度相對GB/T 14370—2015更大，對預應力錨固體系的錨固性能提出更高的要求。

2 疲勞性能試驗

2.1 試驗方法

試驗參照歐洲標準ETAG 013、EN 13391：2004有關規(guī)定進行。

2.2 試樣選擇

（1）錨具規(guī)格：選取最常用的產(chǎn)品規(guī)格型號為15系列12孔預應力錨具組件進行本次試驗。

（2）鋼絞線規(guī)格：選用歐洲國家常用規(guī)格型號1×7-15.70，強度級別為1 860 MPa，公稱截面面積為150 mm2的鋼絞線。

（3）產(chǎn)品廠家：錨具組件和預應力筋均選用國內(nèi)自主品牌產(chǎn)品。

（4）制作混凝土試件的混凝土標號：采用項目張拉施工常用的C50混凝土。

2.3 試驗前混凝土試件準備

（1）制作混凝土試件，混凝土試件內(nèi)包含錨墊板、喇叭管、一小截波紋管、螺旋筋和輔助鋼筋（如圖1所示）。為更好地驗證產(chǎn)品性能，消除偶然性因素對試驗結(jié)果的影響，本次試驗按ETAG 013、EN 13391：2004最高試驗組數(shù)要求進行兩組試驗，同時制作2塊混凝土試件。

（2）混凝土試件在澆筑1 d后拆模進行濕養(yǎng)護，待混凝土試件強度達到設計強度50 MPa后開始試驗。

2.4 試驗步驟

（1）把錨具組裝件（如圖2所示）裝到疲勞試驗機上，預緊每根鋼絞線，并加載至80% fpk。在試驗正式開始前加載應力至80% fpk，其目的是為了讓夾片能穩(wěn)定地夾緊鋼絞線，降低夾片在試驗過程中在交變應力作用下發(fā)生松脫導致夾持失效的概率。

說明：受疲勞試驗機安裝空間所限，疲勞試驗機下端高度不夠，無法安裝混凝土試件，因此在疲勞試驗機上端操作平臺上安裝混凝土試件、工作錨板和工作夾片，在疲勞試驗機的下端僅安裝工作錨板和工作夾片，為更貼近實際使用工況，在此端增設一個與波紋管材質(zhì)、內(nèi)徑尺寸完全相同的約束圈，用來模擬預應力筋在波紋管入口處發(fā)生的偏折，約束圈到工作錨板的距離L與混凝土試件中工作錨板到波紋管入口的距離保持一致。

（2）卸載，以不超過10 Hz的恒定加載頻率加載至試驗應力上限值maxF=6×279×0.65=1 088.1 kN。應力幅度ΔF=maxF-minF=72 kN在整個試驗過程中保持不變。在應力幅度為80 MPa的水平上進行200萬次荷載循環(huán)試驗。

試件在試驗中應避免二次擺動。在組裝試件并將試件安裝上試驗機時應特別注意，以確保加載力能均勻地分配給受拉預應力筋。

2.5 試驗結(jié)果及分析

2.5.1 混凝土立方體試塊抗壓強度

試驗開始時同條件養(yǎng)護混凝土立方體試塊（150 mm×150 mm×150 mm）抗壓強度見表2。

2.5.2 疲勞性能試驗結(jié)果及分析

2.5.2.1 疲勞性能試驗結(jié)果

兩組試件的疲勞性能試驗結(jié)果見表3，試驗后試樣情況如圖4所示。

2.5.2.2 試驗結(jié)果分析

（1）完成疲勞性能試驗后，拆除鋼絞線，拆開錨具組裝件，仔細檢查工作錨板、工作夾片和鋼絞線等零件情況發(fā)現(xiàn)，鋼絞線表面除了有正常的夾片夾持咬合痕跡，以及在與波紋管貼合處有輕微刮痕外，各零件無破損，試驗完全滿足標準要求，證明國內(nèi)一些自主品牌錨具的抗疲勞性能表現(xiàn)優(yōu)異，能很好地滿足歐洲疲勞試驗要求。

（2）試驗后鋼絞線表面與波紋管貼合處有刮痕，證明錨具錨口處設計也是影響錨具抗疲勞性能的因素之一，如錨墊板高度設計過低，易導致預應力筋在錨墊板喇叭口轉(zhuǎn)角處的彎折角度偏大，當預應力筋在此處受到的擠壓應力超過限值時，極易產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變應力作用下逐漸緩慢擴展，最終導致預應力筋發(fā)生剪切破壞，試驗失敗。歐標ETAG 013、EN 13391：2004的疲勞性能試驗綜合考慮了錨口處對錨具抗疲勞性能的影響，檢驗了錨具的錨口設計是否合理，更具科學性，而國標GB/T 14370—2015雖提出“與預應力筋中心線偏角最大的預應力筋應包含在試驗范圍內(nèi)，但在具體試驗安裝操作方法上卻沒有給出詳細、明確的要求，造成在實際試驗操作時存在不確定性，易被一些不法錨具廠家鉆空子，這些不法錨具廠家為降低產(chǎn)品成本，隨意減小錨墊板高度，而在疲勞性能試驗中僅采用錨板和夾片進行試驗，致使錨墊板高度減小后產(chǎn)品依然能順利通過國標GB/T 14370—2015疲勞性能試驗。這些問題產(chǎn)品如果被應用在工程上，將給工程帶來嚴重的安全隱患。建議國標GB/T 14370—2015在今后修訂中增加具體試驗方法要求，以減少由于試驗方法不明確所造成的試驗結(jié)果差異，同時消除產(chǎn)品安全隱患。

（3）在兩組試驗結(jié)束后，觀測到約束圈一端的鋼絞線，其與約束圈接觸面表面刮痕均較波紋管處端淺，其深度約為波紋管處的1/3，反映出約束圈與混凝土試件兩者在對試驗效果影響方面存在一定的差異性，約束圈較混凝土試件更有利于試驗的通過。目前，一些項目因受到試驗籌備期較短或受試驗條件所限，或錨具廠家基于試驗時間、試驗成本等方面的考慮，在進行錨具疲勞性能試驗時，采用在錨具兩端均安裝約束圈的方式替代混凝土試件進行試驗。本次試驗結(jié)果表明在錨具兩端完全采用約束圈模擬混凝土試件進行試驗的方法有待商榷。

3 結(jié)語

我國屬強震多發(fā)國家，預應力錨具疲勞性能試驗作為預應力筋-錨具組裝件可靠性和耐久性的重要評判指標，更值得我們加以關注和重視。國內(nèi)預應力技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了長足的進展，技術水平獲得顯著地提升，部分產(chǎn)品性能已經(jīng)完全達到甚至超過國際標準要求，但由于我國標準指標要求低于國際相關標準要求，所以當錨具廠家擬進行錨具產(chǎn)品出口時，按我國標準進行的試驗報告不被國外客戶所接受，需要重新按國際先進標準進行檢驗，標準不接軌在一定程度上制約了錨具產(chǎn)品出口，不利于我國錨具產(chǎn)品走出國門參與國際市場的競爭，建議在今后國標GB/T 14370—2015修訂中，對標國際先進標準，提高我國在錨具疲勞性能方面的要求，在進一步提高產(chǎn)品安全性的同時，提升中國標準與國際先進標準的一致性水平，助推中國制造、中國品牌國際競爭力提升。

參 考 文 獻

[1]陳茜，馮大斌，于濱，等.國家標準《預應力筋用錨具、夾具和連接器》新增內(nèi)容解讀[J].建筑科學，2015，31（9）.

[2]GB/T 14370—2015，預應力筋用錨具、夾具和連接器[S].

[3]ETAG 013：2002，Guideline for European Techanical Approval of Post-tensioning Kits for Prestressing of Structures[S].

[4]EN 13391：2004，Mechanical Tests for Post-tensi-oning Systems[S].