基于荷載傳遞試驗(yàn)探討預(yù)應(yīng)力混凝土錨固區(qū)裂縫擴(kuò)展

摘 "要：為研究長(zhǎng)方形和圓形承壓區(qū)域?qū)髲堫A(yù)應(yīng)力混凝土錨固區(qū)裂縫擴(kuò)展的影響，分別對(duì)2種混凝土構(gòu)件進(jìn)行荷載傳遞試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，隨著荷載逐漸增加至破壞荷載，受拉荷載向受壓區(qū)轉(zhuǎn)移，無(wú)論是長(zhǎng)方形或圓形承載面錨固區(qū)結(jié)構(gòu)，承壓區(qū)周?chē)炷帘砻婢霈F(xiàn)由中心指向構(gòu)件四角較粗的裂縫，粗裂縫的擴(kuò)散角度約45°；試件的側(cè)面微裂縫逐漸增寬，并且隨外荷載的增加向錨固區(qū)截面高度1/2的位置擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；荷載傳遞；錨固承載面；裂縫；錨墊板

中圖分類號(hào)：TU378 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-00７0-0４

Abstract： In order to study the influence of rectangular and circular bearing areas on crack propagation in post-tensioned prestressed concrete Anchorage zone， load transfer tests were carried out on two kinds of concrete members. The test results show that with the gradual increase of the load to the failure load， the tensile load transfers to the compression zone， no matter the Anchorage zone structure with rectangular or circular bearing surface， there are cracks on the concrete surface around the bearing zone， which are thicker from the center to the four corners of the members， and the diffusion angle of the coarse crack is about 45°. The side micro-crack of the specimen gradually widens and expands to the position of 1/2 of the section height of the Anchorage zone with the increase of external load.

Keywords： prestressed concrete; load transfer; anchoring bearing surface; crack; anchor cushion plate

在現(xiàn)代公路鐵路橋梁、房屋建筑、巖土錨固等方面都用到預(yù)應(yīng)力，錨墊板作為后張預(yù)應(yīng)力混凝土的重要部件埋入混凝土中，主要起傳遞荷載、預(yù)留和連接預(yù)應(yīng)力孔道等作用。實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何尺寸不同，錨墊板根據(jù)結(jié)構(gòu)的需求，其橫截面也有不同結(jié)構(gòu)形式，如圓形、正方形和長(zhǎng)方形（扁形）等，圓形和正方形錨墊板多用于橋箱梁、塔柱等結(jié)構(gòu)，而長(zhǎng)方形（扁形）錨墊板多用于房屋樓板、橋面板等扁平結(jié)構(gòu)。

雖然錨墊板在不同結(jié)構(gòu)中有不同的形狀，但是作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中承載部件，都承擔(dān)著將錨具的荷載傳遞給結(jié)構(gòu)區(qū)域的重要作用[1]。該區(qū)域承受集中荷載作用，應(yīng)力分布復(fù)雜，縱向和橫向都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，隨著荷載的增加，相應(yīng)的裂縫可能隨之出現(xiàn)和擴(kuò)展。了解掌握局部錨固區(qū)裂縫的開(kāi)裂形式和擴(kuò)展趨勢(shì)，提前預(yù)防混凝土開(kāi)裂，提高混凝土構(gòu)件的防腐能力，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。

目前，后張預(yù)應(yīng)力用錨墊板廣泛采用鑄造成型工藝，采用鑄造成型工藝可以很好根據(jù)預(yù)應(yīng)力集中受力及傳力特點(diǎn)設(shè)計(jì)錨墊板的結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既經(jīng)濟(jì)又滿足工程要求。但是這種鑄造成型的錨墊板由于結(jié)構(gòu)及混凝土本身的離散因素，目前還沒(méi)有很好的計(jì)算公式。采用試驗(yàn)的方式是一種很好驗(yàn)證錨墊板及錨墊板與混凝土組合傳遞的性能，同時(shí)可以觀測(cè)循序加載能力、裂縫擴(kuò)張情況和最大承載力等。本文采用實(shí)驗(yàn)方式分別對(duì)圓形和方形鑄造成型錨墊板的混凝土試件增加荷載，觀察和分析混凝土試件的裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式進(jìn)行趨勢(shì)分析與討論，可以作為工程應(yīng)用中對(duì)裂縫控制和分析的參考。

1 "試驗(yàn)

1.1 "試驗(yàn)設(shè)備與材料

利用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行荷載傳遞試驗(yàn)，試驗(yàn)前需預(yù)埋錨具構(gòu)件、輔助鋼筋和澆筑混凝土，最后形成帶有預(yù)應(yīng)力錨固單元的試驗(yàn)試件；對(duì)同條件養(yǎng)護(hù)下的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行測(cè)試，待標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度接近試驗(yàn)強(qiáng)度（即50 MPa）時(shí)進(jìn)行荷載傳遞試驗(yàn)。澆筑混凝土試件所需材料如下：

1）預(yù)埋錨具采用OVM.M15-5型圓形錨固體系 和OVM.BM15-5型扁型錨固體系；

2）核心錨固區(qū)均預(yù)埋螺旋筋，材質(zhì)為Q235B鋼筋，屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy=235 N/mm2；

3）混凝土構(gòu)件高度h≥2 b（b為混凝土試驗(yàn)端面邊長(zhǎng)），沿試件高度方向布置箍筋和縱筋，圓形錨具和方形錨具混凝土構(gòu)件每立方混凝土箍筋含量分別為49.83、49.36 kg，均小于50 kg；縱筋總橫截面與構(gòu)建橫截面面積比率分別為0.26%、0.29%，均小于0.3%；

4）配制箍筋和縱筋用HRB400帶肋鋼筋，fy=400 N/mm2；

5）采用混凝土強(qiáng)度為C50的商用砼，塌落度為180±30 mm。

1.2 "試驗(yàn)方法

荷載傳遞試驗(yàn)（圖1）用于驗(yàn)證錨墊板上的荷載傳遞至錨固區(qū)荷載傳遞的性能，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》在OVM公司試驗(yàn)中心進(jìn)行的荷載傳遞試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先對(duì)同時(shí)澆筑和養(yǎng)護(hù)的立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm）進(jìn)行表征測(cè)試，待立方體強(qiáng)度接近50 MPa時(shí)，分別對(duì)6件（長(zhǎng)方形和正方形各3組）混凝土構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)錨墊板施加集中荷載，施加上、下限值分別為0.8Fptk和0.12Fptk的循環(huán)荷載，并采用裂縫測(cè)寬儀觀察混凝土裂縫擴(kuò)展情況；至少進(jìn)行10次循環(huán)加載，待縱橫向應(yīng)變穩(wěn)定后停止循環(huán)加載；循環(huán)加載后，繼續(xù)增加荷載至1.0Fptk時(shí)觀察錨墊板是否出現(xiàn)破壞，隨后繼續(xù)加載至混凝土試件破壞。

2 "試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 "荷載傳遞試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行混凝土試驗(yàn)前，分別對(duì)3件立方體試件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度表征試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度分別為49.6、47.8和51.3 MPa，平均混凝土強(qiáng)度為49.6 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展和施加荷載情況見(jiàn)表1。

由表1可知，施加荷載至0.8 Fptk時(shí)，所有試件的裂紋寬度均滿足裂縫寬度均小于0.15 mm要求；進(jìn)行10次上下限分別為0.8Fptk和0.12Fptk的循環(huán)荷載，最后3次循環(huán)的裂縫擴(kuò)展已經(jīng)穩(wěn)定，縫寬度也均小于0.15 mm和0.25 mm；循環(huán)荷載后繼續(xù)增加荷載直至混凝土試件破壞，即達(dá)到混凝土試件的極限荷載，施加破壞荷載Fu后2種規(guī)格的錨墊板承壓能力也均大于1.1Fptk×[1]。混凝土試件在承受極限荷載破壞過(guò)程中，試件上的裂縫由微裂縫逐漸發(fā)展成為可見(jiàn)裂縫，從而使試驗(yàn)后試件存在多條粗細(xì)不同的裂縫。施加極限荷載后的裂縫分布如圖2所示。試驗(yàn)表明，采用OVM.M15-5型圓形錨具和OVM.BM15-5型扁型錨具產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14370—2015中錨固區(qū)傳力性能的指標(biāo)要求。

2.2 "極限荷載作用于不同錨固區(qū)截面產(chǎn)生的裂縫分析

圖2可以明顯觀測(cè)到施加破壞荷載后試件錨固區(qū)受到荷載不同，所產(chǎn)生的裂縫也不均勻，長(zhǎng)方形和圓形混凝土試件的承載面均出現(xiàn)較寬的粗裂縫，均呈現(xiàn)由錨固承載面中心向構(gòu)件四角擴(kuò)散較粗的裂縫，粗裂縫的擴(kuò)散角度約45°；這些粗裂縫上也延展出一些無(wú)規(guī)則的細(xì)裂縫，受混凝土澆筑的離散程度不同或施加荷載的程度不同，有些裂縫寬度甚至接近或達(dá)到主裂縫寬度。在荷載作用下，混凝土的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土與錨墊板的黏結(jié)力，錨墊板與混凝土融合的區(qū)域出現(xiàn)不同程度錨墊板與混凝土分離現(xiàn)象。相關(guān)研究也表明，錨固區(qū)的主要破壞模式為局部混凝土局部抗壓破壞，以及混凝土表面沿預(yù)應(yīng)力筋布置方向等部位受拉破壞[3]。所以這些粗裂縫的擴(kuò)展，由于受拉區(qū)不能承受荷載，逐漸向受壓區(qū)移動(dòng)，最后混凝土達(dá)到極限應(yīng)變后，錨固力引起的局部壓陷及協(xié)調(diào)周邊變形而呈現(xiàn)構(gòu)件破壞。

如圖3所示，觀察混凝土試件側(cè)表面，隨著荷載的增加裂縫不斷擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)試件的側(cè)面微裂縫逐漸增寬，并且向試件底部延伸約整個(gè)試件高度1/2的位置。根據(jù)劈裂力作用位置至錨固端面的水平距離公式，如式（1）所示[2]。試驗(yàn)過(guò)程中錨墊板均勻布置于混凝土錨固承載面的中心，偏心距e和力筋傾角α均為0，所以試驗(yàn)過(guò)程中劈裂力作用位置公式（1）變?yōu)閐b=0.5 h，這與試驗(yàn)看到試驗(yàn)合格的混凝土試件側(cè)面裂縫延伸深度一致。但所施加的荷載已經(jīng)達(dá)到最大破壞荷載，繼續(xù)加載，裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展和延伸。

db=0.5（h-2e）+sin？琢， " （１）

式中：h為錨固端截面高度；e為錨固力偏心距，即錨固力作用點(diǎn)距截面形心的距離；α為力筋傾角。

3 "設(shè)計(jì)與分析

3.1 "設(shè)置合理的布置間距和混凝土保護(hù)層

無(wú)論圓形、方形或矩形錨墊板，將其置于混凝土結(jié)構(gòu)中沿縱向或橫向直線分布，相鄰錨固區(qū)間必須保持一定的滿足設(shè)計(jì)要求的布置間距，避免相鄰錨固區(qū)間互相干擾造成混凝土開(kāi)裂，甚至錨固區(qū)失效；針對(duì)于錨具邊緣需保留一定保護(hù)層厚度，對(duì)混凝土鋼筋進(jìn)行保護(hù)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼筋保護(hù)層厚度至少25 mm[2，4]。如果鋼筋覆蓋層太薄，當(dāng)核心錨具區(qū)承受的荷載傳遞至混凝土構(gòu)件邊緣時(shí)，超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)筋屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)筋的變形會(huì)導(dǎo)致混凝表面開(kāi)裂，混凝土開(kāi)裂后，裸露的鋼筋容易在易腐蝕的環(huán)境中銹蝕，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響整個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的使用。

合理布置錨固區(qū)間距，就需要分析錨固區(qū)的受力狀況。美國(guó)AASHTO規(guī)范中，根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土受力特點(diǎn)，錨固區(qū)分為總體錨固區(qū)和局部錨固區(qū)。局部錨固區(qū)受到集中荷載作用，后張錨固區(qū)存在典型應(yīng)力擾動(dòng)，產(chǎn)生局部混凝土拉壓效應(yīng)、應(yīng)力傳力和擴(kuò)散[4]。

3.2 "荷載通過(guò)錨墊板傳遞和擴(kuò)散至混凝土中產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力

針對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土錨固區(qū)，錨具將荷載通過(guò)錨墊板傳遞和擴(kuò)散至混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于后張預(yù)應(yīng)力混凝土分別承受拉壓2種力的作用。沿外加荷載作用力方向的局部錨固區(qū)，預(yù)應(yīng)力混凝土受到壓應(yīng)力作用；沿構(gòu)件水平分方向，預(yù)應(yīng)力混凝土受到拉應(yīng)力；在混凝土構(gòu)件邊緣分別受橫向和縱向方向合力的邊緣拉應(yīng)力。

在對(duì)混凝土施加荷載過(guò)程中，當(dāng)混凝土不具備抵抗受拉的能力時(shí)，混凝土表面隨荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展。因此，需要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的總體區(qū)域內(nèi)的抗拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算，如式（2）所示[2]

式中：？酌0為橋涵結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；？壯（.），d為總體錨固區(qū)各受拉部位的拉力設(shè)計(jì)值，分別為錨下劈裂力Tb，d，剝裂力Ts，d和邊緣拉力Tet，d；fsd為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為拉桿中的普通鋼筋面積。

由式（2）可以看出，混凝土構(gòu)件各受拉部位的拉力值受鋼筋材料強(qiáng)度等級(jí)和布置數(shù)量的影響，在錨固區(qū)各受拉部位增加鋼筋布置數(shù)量和（或）提高鋼筋材料等級(jí)均可以提高混凝土抗拉能力。

錨下劈裂力Tb，d，剝裂力Ts，d和邊緣拉力Tet，d需要考慮錨固區(qū)偏心距、錨頭的布置間距等因素的影響。合理布置孔道間距，了解各種錨固區(qū)的受力狀態(tài)及裂縫擴(kuò)張形式，避免由于張拉裂縫對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響，從而保障預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的有效使用壽命。

4 "結(jié)論

本文對(duì)長(zhǎng)方形和圓形2種混凝土構(gòu)件進(jìn)行荷載傳遞試驗(yàn)，觀察和分析了荷載傳遞后的裂縫擴(kuò)展情況和錨固區(qū)內(nèi)混凝土的抗拉承載力，主要結(jié)論如下。

1）通過(guò)荷載傳遞試驗(yàn)可以驗(yàn)證通過(guò)錨墊板傳遞至錨固區(qū)的傳力性能以及裂縫擴(kuò)展情況是否滿足工程要求。

2）隨著荷載逐漸增加至破壞荷載，受拉荷載向受壓區(qū)轉(zhuǎn)移，無(wú)論是長(zhǎng)方形還是圓形錨固區(qū)結(jié)構(gòu)，均呈現(xiàn)由錨固承載面中心指向構(gòu)件四角較粗的裂縫，裂縫的擴(kuò)散角度約45°。

3）試驗(yàn)驗(yàn)證隨外荷載增加，混凝土側(cè)表面裂紋逐漸向混凝土構(gòu)件高度1/2的位置擴(kuò)展。

4）混凝土構(gòu)件各受拉部位的拉力值受鋼筋材料強(qiáng)度等級(jí)和布置數(shù)量的影響，增加鋼筋布置數(shù)量和（或）提高鋼筋材料等級(jí)均可以提高混凝土抗拉能力。

5）錨固區(qū)設(shè)計(jì)需綜合考慮錨固區(qū)偏心距、布置間距和混凝土保護(hù)層，避免結(jié)構(gòu)本身因素造成裂縫產(chǎn)生，從而保障預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的有效使用壽命。

6）長(zhǎng)方形和圓形承面的錨墊板雖然最終破壞形式稍有不同，但是總體趨勢(shì)是相同的。

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