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荷载传递试验探讨预应力混凝土锚固区裂缝扩展

2024-07-11 7 上传者：管理员

摘要：为研究长方形和圆形承压区域对后张预应力混凝土锚固区裂缝扩展的影响，分别对2种混凝土构件进行荷载传递试验。试验表明，随着荷载逐渐增加至破坏荷载，受拉荷载向受压区转移，无论是长方形或圆形承载面锚固区结构，承压区周围混凝土表面均出现由中心指向构件四角较粗的裂缝，粗裂缝的扩散角度约45°；试件的侧面微裂缝逐渐增宽，并且随外荷载的增加向锚固区截面高度1/2的位置扩展。

关键词：
荷载传递
裂缝
锚固承载面
锚垫板
预应力混凝土
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在现代公路铁路桥梁、房屋建筑、岩土锚固等方面都用到预应力，锚垫板作为后张预应力混凝土的重要部件埋入混凝土中，主要起传递荷载、预留和连接预应力孔道等作用。实际工程中，预应力混凝土结构设计的几何尺寸不同，锚垫板根据结构的需求，其横截面也有不同结构形式，如圆形、正方形和长方形（扁形）等，圆形和正方形锚垫板多用于桥箱梁、塔柱等结构，而长方形（扁形）锚垫板多用于房屋楼板、桥面板等扁平结构。

虽然锚垫板在不同结构中有不同的形状，但是作为预应力混凝土结构中承载部件，都承担着将锚具的荷载传递给结构区域的重要作用[1]。该区域承受集中荷载作用，应力分布复杂，纵向和横向都会产生应变，随着荷载的增加，相应的裂缝可能随之出现和扩展。了解掌握局部锚固区裂缝的开裂形式和扩展趋势，提前预防混凝土开裂，提高混凝土构件的防腐能力，提高结构的使用寿命。

目前，后张预应力用锚垫板广泛采用铸造成型工艺，采用铸造成型工艺可以很好根据预应力集中受力及传力特点设计锚垫板的结构，使得设计的产品既经济又满足工程要求。但是这种铸造成型的锚垫板由于结构及混凝土本身的离散因素，目前还没有很好的计算公式。采用试验的方式是一种很好验证锚垫板及锚垫板与混凝土组合传递的性能，同时可以观测循序加载能力、裂缝扩张情况和最大承载力等。本文采用实验方式分别对圆形和方形铸造成型锚垫板的混凝土试件增加荷载，观察和分析混凝土试件的裂缝扩展趋势，结合相关标准的计算公式进行趋势分析与讨论，可以作为工程应用中对裂缝控制和分析的参考。

1、试验

1.1试验设备与材料

利用压力试验机进行荷载传递试验，试验前需预埋锚具构件、辅助钢筋和浇筑混凝土，最后形成带有预应力锚固单元的试验试件；对同条件养护下的标准试块进行测试，待标准试块强度接近试验强度（即50 MPa）时进行荷载传递试验。浇筑混凝土试件所需材料如下：

1）预埋锚具采用OVM.M15-5型圆形锚固体系和OVM.BM15-5型扁型锚固体系；

2）核心锚固区均预埋螺旋筋，材质为Q235B钢筋，屈服强度设计值为fy=235 N/mm2;

3）混凝土构件高度h≥2 b(b为混凝土试验端面边长），沿试件高度方向布置箍筋和纵筋，圆形锚具和方形锚具混凝土构件每立方混凝土箍筋含量分别为49.83、49.36 kg，均小于50 kg；纵筋总横截面与构建横截面面积比率分别为0.26%、0.29%，均小于0.3%;

4）配制箍筋和纵筋用HRB400带肋钢筋，fy=400 N/mm2;

5）采用混凝土强度为C50的商用砼，塌落度为180±30 mm。

1.2试验方法

荷载传递试验（图1）用于验证锚垫板上的荷载传递至锚固区荷载传递的性能，参考国家标准GB/T14370—2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》在OVM公司试验中心进行的荷载传递试验。试验前，先对同时浇筑和养护的立方体试件（150 mm×150 mm×150 mm）进行表征测试，待立方体强度接近50 MPa时，分别对6件（长方形和正方形各3组）混凝土构件进行试验。试验过程中对锚垫板施加集中荷载，施加上、下限值分别为0.8Fptk和0.12Fptk的循环荷载，并采用裂缝测宽仪观察混凝土裂缝扩展情况；至少进行10次循环加载，待纵横向应变稳定后停止循环加载；循环加载后，继续增加荷载至1.0Fptk时观察锚垫板是否出现破坏，随后继续加载至混凝土试件破坏。

图1荷载传递试验

2、试验结果与分析

2.1荷载传递试验与试验结果

进行混凝土试验前，分别对3件立方体试件进行混凝土强度表征试验，其抗压强度分别为49.6、47.8和51.3 MPa，平均混凝土强度为49.6 MPa。试验过程中监测裂缝扩展和施加荷载情况见表1。

由表1可知，施加荷载至0.8 Fptk时，所有试件的裂纹宽度均满足裂缝宽度均小于0.15 mm要求；进行10次上下限分别为0.8Fptk和0.12Fptk的循环荷载，最后3次循环的裂缝扩展已经稳定，缝宽度也均小于0.15 mm和0.25 mm；循环荷载后继续增加荷载直至混凝土试件破坏，即达到混凝土试件的极限荷载，施加破坏荷载Fu后2种规格的锚垫板承压能力也均大于[1]。混凝土试件在承受极限荷载破坏过程中，试件上的裂缝由微裂缝逐渐发展成为可见裂缝，从而使试验后试件存在多条粗细不同的裂缝。施加极限荷载后的裂缝分布如图2所示。试验表明，采用OVM.M15-5型圆形锚具和OVM.BM15-5型扁型锚具产品进行试验，均满足国家标准GB/T 14370—2015中锚固区传力性能的指标要求。

2.2极限荷载作用于不同锚固区截面产生的裂缝分析

图2可以明显观测到施加破坏荷载后试件锚固区受到荷载不同，所产生的裂缝也不均匀，长方形和圆形混凝土试件的承载面均出现较宽的粗裂缝，均呈现由锚固承载面中心向构件四角扩散较粗的裂缝，粗裂缝的扩散角度约45°；这些粗裂缝上也延展出一些无规则的细裂缝，受混凝土浇筑的离散程度不同或施加荷载的程度不同，有些裂缝宽度甚至接近或达到主裂缝宽度。在荷载作用下，混凝土的拉应力超过混凝土与锚垫板的黏结力，锚垫板与混凝土融合的区域出现不同程度锚垫板与混凝土分离现象。相关研究也表明，锚固区的主要破坏模式为局部混凝土局部抗压破坏，以及混凝土表面沿预应力筋布置方向等部位受拉破坏[3]。所以这些粗裂缝的扩展，由于受拉区不能承受荷载，逐渐向受压区移动，最后混凝土达到极限应变后，锚固力引起的局部压陷及协调周边变形而呈现构件破坏。

表1监测裂缝扩展和施加荷载情况

图2施加破坏荷载后的圆形和长方形混凝土构件承压面

如图3所示，观察混凝土试件侧表面，随着荷载的增加裂缝不断扩展，发现试件的侧面微裂缝逐渐增宽，并且向试件底部延伸约整个试件高度1/2的位置。根据劈裂力作用位置至锚固端面的水平距离公式，如式（1）所示[2]。试验过程中锚垫板均匀布置于混凝土锚固承载面的中心，偏心距e和力筋倾角α均为0，所以试验过程中劈裂力作用位置公式（1）变为db=0.5 h，这与试验看到试验合格的混凝土试件侧面裂缝延伸深度一致。但所施加的荷载已经达到最大破坏荷载，继续加载，裂缝会继续扩展和延伸。

式中：h为锚固端截面高度；e为锚固力偏心距，即锚固力作用点距截面形心的距离；α为力筋倾角。

图3混凝土试件侧面表面

3、设计与分析

3.1设置合理的布置间距和混凝土保护层

无论圆形、方形或矩形锚垫板，将其置于混凝土结构中沿纵向或横向直线分布，相邻锚固区间必须保持一定的满足设计要求的布置间距，避免相邻锚固区间互相干扰造成混凝土开裂，甚至锚固区失效；针对于锚具边缘需保留一定保护层厚度，对混凝土钢筋进行保护，根据国内外标准要求，钢筋保护层厚度至少25mm[2,4]。如果钢筋覆盖层太薄，当核心锚具区承受的荷载传递至混凝土构件边缘时，超过混凝土结构筋屈服强度，结构筋的变形会导致混凝表面开裂，混凝土开裂后，裸露的钢筋容易在易腐蚀的环境中锈蚀，长时间会影响整个预应力混凝土结构的使用。

合理布置锚固区间距，就需要分析锚固区的受力状况。美国AASHTO规范中，根据预应力混凝土受力特点，锚固区分为总体锚固区和局部锚固区。局部锚固区受到集中荷载作用，后张锚固区存在典型应力扰动，产生局部混凝土拉压效应、应力传力和扩散[4]。

3.2荷载通过锚垫板传递和扩散至混凝土中产生的拉压应力

针对于预应力混凝土锚固区，锚具将荷载通过锚垫板传递和扩散至混凝土结构中，对于后张预应力混凝土分别承受拉压2种力的作用。沿外加荷载作用力方向的局部锚固区，预应力混凝土受到压应力作用；沿构件水平分方向，预应力混凝土受到拉应力；在混凝土构件边缘分别受横向和纵向方向合力的边缘拉应力。

在对混凝土施加荷载过程中，当混凝土不具备抵抗受拉的能力时，混凝土表面随荷载的增加，裂缝逐渐扩展。因此，需要对预应力混凝土构件的总体区域内的抗拉承载力进行验算，如式（2）所示[2]

式中：γ0为桥涵结构的重要性系数；T(.),d为总体锚固区各受拉部位的拉力设计值，分别为锚下劈裂力Tb,d，剥裂力Ts,d和边缘拉力Tet,d;fsd为普通钢筋抗拉强度设计值；As为拉杆中的普通钢筋面积。

由式（2）可以看出，混凝土构件各受拉部位的拉力值受钢筋材料强度等级和布置数量的影响，在锚固区各受拉部位增加钢筋布置数量和（或）提高钢筋材料等级均可以提高混凝土抗拉能力。

锚下劈裂力Tb,d，剥裂力Ts,d和边缘拉力Tet,d需要考虑锚固区偏心距、锚头的布置间距等因素的影响。合理布置孔道间距，了解各种锚固区的受力状态及裂缝扩张形式，避免由于张拉裂缝对预应力的影响，从而保障预应力结构的有效使用寿命。

4、结论

本文对长方形和圆形2种混凝土构件进行荷载传递试验，观察和分析了荷载传递后的裂缝扩展情况和锚固区内混凝土的抗拉承载力，主要结论如下。

1）通过荷载传递试验可以验证通过锚垫板传递至锚固区的传力性能以及裂缝扩展情况是否满足工程要求。

2）随着荷载逐渐增加至破坏荷载，受拉荷载向受压区转移，无论是长方形还是圆形锚固区结构，均呈现由锚固承载面中心指向构件四角较粗的裂缝，裂缝的扩散角度约45°。

3）试验验证随外荷载增加，混凝土侧表面裂纹逐渐向混凝土构件高度1/2的位置扩展。