高強混凝土錨固區(qū)的破壞損傷研究

摘要 文章圍繞預應(yīng)力混凝土錨固區(qū)的傳力大小進行研究，為了確定UHPC明顯區(qū)別于普通混凝土的特征，首先選取不同鋼筋含量的構(gòu)件，對應(yīng)力分布、變形和PS錨固區(qū)開裂規(guī)律進行了試驗研究；然后根據(jù)鋼筋的不同類型，對破裂應(yīng)力的分布、試樣的應(yīng)力和縱向位移進行了觀察，確保所有試樣均滿足相應(yīng)標準，且其應(yīng)力分布與普通混凝土構(gòu)件的后張法預應(yīng)力PS錨具的應(yīng)力分布一樣。由于UHPC鋼纖維的橋聯(lián)作用，相較于普通混凝土應(yīng)用時的情況，其縱向裂紋長度高達兩倍且其橫截面尺寸和寬度比普通混凝土還小。結(jié)果表明，對超高性能混凝土的高強度開發(fā)，確保在不需要特別的加強裝置的同時能夠保證錨固性能的安全。

關(guān)鍵詞 UHPC；PS錨固區(qū)；荷載傳遞測試；爆破力；分裂力

中圖分類號 U414 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2024）22-0120-03

0 引言

該文擬對使用了由成熟的UHPC材料構(gòu)成的預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的錨固區(qū)進行評估。為了達成這個目標并評估其適用性，分別制成無錨固裝置和約束鋼筋的試樣、只有錨固裝置的試樣，以及有錨固裝置且有約束鋼筋錨固的試樣，從而核對在試樣中形成的拉力、縱向位移和裂紋，并對由UHPC材料構(gòu)成的預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的錨固區(qū)性能及其設(shè)計的載荷安全指數(shù)進行評估[1-3]。

1 錨固性能試驗

1.1 測試變量

混合有UHPC的鋼纖維的橋接作用，可以在錨固區(qū)實現(xiàn)由橫向約束箍筋形成的約束效應(yīng)，并且還能被利用以減少約束鋼量[4]。因此，該研究選擇測試變量評估，通過簡化錨固區(qū)的鋼筋配置細節(jié)，減少鋼筋的數(shù)量和減少普通混凝土構(gòu)件的尺寸，以實現(xiàn)預應(yīng)力混凝土材料經(jīng)濟性設(shè)計的可能性。制成三種含有錨固區(qū)的試樣和傳統(tǒng)的后張混凝土試樣，以比較其與普通混凝土的機械性能。為了驗證超高性能混凝土的高強度并評估其適用性，制作了不含螺旋鋼筋和錨固的試樣、含有錨固但不含螺旋鋼筋的試樣。試樣使用了K-UHPC材料，鋼纖維混合比例分別為1%和2%，以評估鋼纖維混合比對拉伸效果的影響。

1.2 試驗方案

決定錨固區(qū)最終加固程度的標準是在錨固區(qū)的拉力分布情況[5]。在此，爆破力和邊緣拉應(yīng)力分別指在錨固區(qū)橫向作用于筋軸的拉力，以及在錨固區(qū)作用于縱向豎邊和側(cè)邊的拉應(yīng)力，側(cè)邊是用于錨固的一面。換言之，沿側(cè)邊的拉力稱為分裂力，而作用于沿縱向邊緣的拉伸力定義為縱向邊緣拉力。

測試的主要目的是評估拉伸力的大小，并確定最大拉應(yīng)力發(fā)生的位置。通過對錨板相對尺寸的有限元分析，確定了在UHPC錨固區(qū)的爆破力和最大值位置的應(yīng)力分布規(guī)律。后張法預應(yīng)力UHPC材料的性能類似于普通混凝土，并證實了隨著錨板尺寸與材料橫截面積比例的增加，最大爆破應(yīng)力發(fā)生位置更接近于承受面，這個位置在0.3b和0.5b之間進行變化（b為橫截面的寬度）。此外，對于超過1.0b的位置，壓力減小到一個接近于0 MPa的值，而承載方式看起來并沒有明顯效果。

2 超高性能混凝土強度試驗

2.1 抗壓強度試驗

在抗壓強度試驗中，三個以120?的角度擺放的100 mm的位移傳感器被安放在試樣的中心位置，以測量縱向位移。根據(jù)美國聯(lián)邦公路局（FHWA）提出的方法，用在超高強混凝土鋼纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中對應(yīng)于10%和30%抗壓強度極限的應(yīng)力值，可用式（1）計算直線段的彈性模量。

Ec=σ2?σ1 " "ε2?ε1 （1）

式中：σ1和σ2——分別對應(yīng)于極限抗壓強度的10％和壓縮應(yīng)力的30％；ε1和ε2——分別對應(yīng)于σ1和σ2的壓縮應(yīng)變，含1%鋼纖維試樣的抗壓強度和彈性模量的平均值分別為183 MPa和46 583 MPa，而含2%鋼纖維的試樣分別為177 MPa和45 939 MPa。此外，含1%鋼纖維的試樣抗壓強度和彈性模量的標準偏差分別為7.5 MPa和1 190 MPa，而含2%鋼纖維的試樣分別為5.3 MPa和2 940 MPa。抗壓強度相應(yīng)的變化系數(shù)分別為3%和4%，彈性模量的變化系數(shù)為2%和6%，這表明了其差量比普通混凝土低。

2.2 直接拉伸強度試驗

該項測試利用了有缺口的試樣，并采用KICT提出的測試法測定其直接拉伸強度。用一個載荷為3 000 kN的UTM（萬能測量機），通過控制試樣的位移（0.2 mm/min）進行拉伸實驗，并把拉伸夾具放在中間。含1%鋼纖維試樣的最小斷裂拉伸強度和極限抗拉強度分別為12.4 MPa和12.1 MPa，與標準值存在0.7 MPa的偏差；而含2%鋼纖維試樣分別為11.9 MPa和13 MPa，與標準值偏差為2.4 MPa和1.4 MPa。直接拉伸強度偏差這么大，可由并未發(fā)生缺口和被誘導開裂的缺口進行說明。

3 應(yīng)力分布

3.1 爆破力

圖1為加強件和鋼纖維混合比的試樣由其中心的應(yīng)變計而測出的爆破應(yīng)力分布，比較鋼纖維比率分別為1％和2％的非增強（NTP-NSR）試樣、半增強（TP-NSR）試樣和充分增強（TP-SR）試樣的爆裂壓力值。

圖1 應(yīng)力分布

比較鋼纖維含量為1％和2％的非增強（NTP-NSR）試樣表明，根據(jù)鋼纖維為1.50 MPa和1.48 MPa的混合比試樣，靠近頂部位置（距頂部10 mm）的壓應(yīng)力有些不同，在0.3b（b=橫截面寬度）測定其拉應(yīng)力分別為8.41 MPa和6.32 MPa，在0.5b測定的拉應(yīng)力則為8.07 MPa和9.11 MPa，在加壓過程中觀察鋼纖維含量為1％的試樣變化，而大于2 MPa的差別發(fā)生在鋼纖維含量為2％的試樣上。極限拉應(yīng)力發(fā)生在鋼纖維含量為1%試樣的0.3b處，而鋼纖維含量2%試樣的極限拉應(yīng)力為9.11 MPa。在1.0b處的拉應(yīng)力減少到0.5b處的一半。

對于半增強（TP-NSR）試件，通過強化無約束鋼喇叭型錨具，根據(jù)鋼纖維的混合比率，在靠近頂端位置測定其壓縮應(yīng)力分別為4.65 MPa和1.48 MPa，顯示有約3 MPa的差異。鋼纖維含量為1%的試樣和2%的試樣的拉應(yīng)力在0.3b處分別增加到10.01 MPa和8.07 MPa，且在0.5b處分別為10.01 MPa和7.55 MPa。類似于非增強試件（NTP-NSR），鋼纖維含量為1％試件的應(yīng)力經(jīng)歷0.3b～0.5b的相對較小的變化。在此，1％和2％這兩種鋼纖維比率試件的極限拉應(yīng)力均發(fā)生在0.3b的位置。兩種鋼纖維混合比的試件在1.0b處的拉應(yīng)力減少到0.5b處的一半，拉應(yīng)力值分別為4.43 MPa和4.31 MPa。

3.2 分裂力

圖2為根據(jù)加固方式和鋼纖維混合比顯示的在接近頂部位置的剝落力分布情況。采用如圖1所示的從左邊起分別按10 mm、60 mm和110 mm間隔擺放的3個橫向計量器測量其所受的壓力大小。

圖2 應(yīng)力分布

對于未加固的含1%和2%鋼纖維試樣，靠近頂部的拉應(yīng)力（距頂部的距離超過10 mm）達到了0.24 MPa、

0.01 MPa，這表明未加固的含1%和2%鋼纖維的試樣所受的應(yīng)力并沒有發(fā)生實際變化。測量出60 mm位置的拉伸應(yīng)力分別為0.26 MPa（含1%鋼纖維）和0.94 MPa（含2%鋼纖維），而在110 mm位置拉伸應(yīng)力分別為1.18 MPa（含1%鋼纖維）和2.26 MPa（含2%鋼纖維）。即使含1%和2%鋼纖維的試樣表現(xiàn)出相同的應(yīng)力分布情況，但在設(shè)計荷載承載的條件下，60 mm和110 mm的應(yīng)力大小差異似乎由看不見的裂縫造成。

由于半加固的試樣在10 mm的拉伸應(yīng)力達到了1.28 MPa和1.37 MPa，這與在不同的鋼纖維混合比下形成的應(yīng)力差異大小相符。在60 mm位置時，含1%鋼纖維和含2%鋼纖維試樣所受的應(yīng)力分別變成了1.61 MPa和2.96MPa的壓縮應(yīng)力，且在110 mm位置，這些壓縮應(yīng)力分別增加到4.65 MPa和1.48 MPa。這些試樣與未加固的試樣相比，在拉伸和壓縮應(yīng)力之間表現(xiàn)出較大差異。

在對全加固試樣的試驗中，其在拉應(yīng)力為0.19 MPa和0.13 MPa時與未加固的試樣在10 mm時所測的值一樣。這些拉應(yīng)力在60 mm和100 mm位置的壓縮應(yīng)力分別為2.99 MPa和2.54 MPa，2.90 MPa和3.16 MPa。

除了含1%鋼纖維的試樣，所有未加固的試樣都得到了在10 mm時的拉伸應(yīng)力分布情況；當其位置向試樣中心移動的時候，拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓縮應(yīng)力。在含1%鋼纖維的試樣上所觀察到的應(yīng)力分布情況的變化均由測量點所出現(xiàn)的裂縫所引起。

3.3 縱向邊緣拉應(yīng)力

圖3顯示了邊緣拉應(yīng)力隨試樣長度的變化情況。應(yīng)力分布情況則用與頂部分別相距0.3b、0.5b和1.0b，彼此間隔10 mm的3個縱向計量器進行測量。

圖3 縱向邊緣拉應(yīng)力分布

未加固的試樣與含1%、2%鋼纖維試樣之間的比較表明，在10 mm測量的拉伸應(yīng)力分別為1.78 MPa和1.35 MPa，在0.3b觀測到的壓縮應(yīng)力分別為1.93 MPa和0.11 MPa；而在0.5b時，壓縮應(yīng)力分別增加到10.51 MPa和3.87 MPa。從鋼纖維的混合比來說，在0.5b處發(fā)生的巨大應(yīng)力變化是由與爆破力相似的看不到的微裂紋造成。在1.0b處的壓縮應(yīng)力分別為16.12 MPa和11.68 MPa。隨后觀察到隨著試樣長度的減小，未加固的和含1%、2%鋼纖維的試樣中靠近頂部的拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓縮應(yīng)力。

半加固的試樣在10 mm處測到的拉伸應(yīng)力分別為2.53 MPa（含1%鋼纖維）和2.85 MPa（含2%鋼纖維），并與未加固試樣不同的是其在0.3b處的應(yīng)力依然為3.24 MPa和2.44 MPa的拉伸應(yīng)力。在0.5b處，兩個試樣（TP-NSR-1和TP-NSR-2）產(chǎn)生了急劇的變化，并轉(zhuǎn)變成大小分別為6.90 MPa和7.53 MPa的壓縮應(yīng)力，而在1.0b處分別增加到19.43 MPa和19.66 MPa。

在對全加固的（TP-SR）試樣的測試中，在10 mm處測到的拉伸應(yīng)力分別為1.34 MPa和1.92 MPa，而在0.3b處分別為3.83 MPa和1.43 MPa，這與半加固（TP-NSR）試樣所得的結(jié)果相同。在0.5b處，應(yīng)力轉(zhuǎn)變成大小分別為19.19 MPa和19.99 MPa的壓縮應(yīng)力。

對于所有的三種試樣，均對其靠近頂部的拉伸應(yīng)力進行了實驗，其結(jié)論為隨著試樣長度的減小，其拉伸應(yīng)力則會轉(zhuǎn)變成較大的壓縮應(yīng)力。

3.4 縱向位移

一共有4個位移傳感器（DT），分別安裝在試樣的左邊、右邊、底部和頂部，以測量其整體位移。

在對含1%鋼纖維的未加固試樣施加3 300 kN的最大負荷時，其縱向位移為0.151 mm；而對含2%鋼纖維的未加固試樣施加3 800 kN的最大負荷時，其縱向位移為0.174 mm。這個細小的差異可能是由所施加的載荷大小不同所造成的。

在對含1%和2%鋼纖維的半加固試樣施加3 800 kN的最大荷載時，其所測量的縱向位移分別為0.122 mm和0.142 mm；而含1%和2%鋼纖維的全加固試樣（TP-SR）在3 900 kN最大負荷下的縱向位移分別為0.153 mm和0.143 mm。當承載相同的負載時，三種不同鋼纖維混合率的試樣的縱向位移相差大約0.01 mm，這表明鋼纖維的混合比例對位移大小的影響微乎其微。

4 結(jié)論

該研究進行了荷載傳遞測試，使用含UHPC的PS錨具后張實驗評估它們的破壞行為，采用三種含1%和2%鋼纖維配合比的不同類型鋼筋試樣——無錨固和螺箍筋的非增強試樣（NTP-NSR）、有錨固但沒有螺箍筋的半增強試樣（TP-NSR）、有錨固和螺箍筋的完全增強試樣（TP-SR），根據(jù)鋼筋類型進行了加工和荷載轉(zhuǎn)換測試，以觀察試樣的破裂應(yīng)力分布、分裂應(yīng)力、縱向邊緣壓力，并對縱向位移和裂痕形態(tài)進行了比較。通過對使用UHPC材料的PS錨具進行了荷載傳遞測試，并證實了由UHPC的高強度所導致的無錨固和特殊約束加固的PS錨具的抗拉伸能力。結(jié)果顯示，當使用了UHPC材料時，在對PS錨固的設(shè)計中進一步減小橫截面尺寸和簡化鋼筋布置細節(jié)則具有可行性。

參考文獻

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