高強混凝土錨固區的破壞損傷研究

摘要 文章圍繞預應力混凝土錨固區的傳力大小進行研究，為了確定UHPC明顯區別于普通混凝土的特征，首先選取不同鋼筋含量的構件，對應力分布、變形和PS錨固區開裂規律進行了試驗研究；然后根據鋼筋的不同類型，對破裂應力的分布、試樣的應力和縱向位移進行了觀察，確保所有試樣均滿足相應標準，且其應力分布與普通混凝土構件的后張法預應力PS錨具的應力分布一樣。由于UHPC鋼纖維的橋聯作用，相較于普通混凝土應用時的情況，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。結果表明，對超高性能混凝土的高強度開發，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。

關鍵詞 UHPC；PS錨固區；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材料構成的預應力混凝土構件的錨固區進行評估。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材料構成的預應力混凝土構件的錨固區性能及其設計的載荷安全指數進行評估[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，可以在錨固區實現由橫向約束箍筋形成的約束效應，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，通過簡化錨固區的鋼筋配置細節，減少鋼筋的數量和減少普通混凝土構件的尺寸，以實現預應力混凝土材料經濟性設計的可能性。制成三種含有錨固區的試樣和傳統的后張混凝土試樣，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

決定錨固區最終加固程度的標準是在錨固區的拉力分布情況[5]。在此，爆破力和邊緣拉應力分別指在錨固區橫向作用于筋軸的拉力，以及在錨固區作用于縱向豎邊和側邊的拉應力，側邊是用于錨固的一面。換言之，沿側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，并確定最大拉應力發生的位置。通過對錨板相對尺寸的有限元分析，確定了在UHPC錨固區的爆破力和最大值位置的應力分布規律。后張法預應力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，最大爆破應力發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。根據美國聯邦公路局（FHWA）提出的方法，用在超高強混凝土鋼纖維的應力-應變曲線中對應于10%和30%抗壓強度極限的應力值，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——分別對應于極限抗壓強度的10％和壓縮應力的30％；ε1和ε2——分別對應于σ1和σ2的壓縮應變，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。抗壓強度相應的變化系數分別為3%和4%，彈性模量的變化系數為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，可由并未發生缺口和被誘導開裂的缺口進行說明。

3 應力分布

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變計而測出的爆破應力分布，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）的壓應力有些不同，在0.3b（b=橫截面寬度）測定其拉應力分別為8.41 MPa和6.32 MPa，在0.5b測定的拉應力則為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的差別發生在鋼纖維含量為2％的試樣上。極限拉應力發生在鋼纖維含量為1%試樣的0.3b處，而鋼纖維含量2%試樣的極限拉應力為9.11 MPa。在1.0b處的拉應力減少到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，根據鋼纖維的混合比率，在靠近頂端位置測定其壓縮應力分別為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％試件的應力經歷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力均發生在0.3b的位置。兩種鋼纖維混合比的試件在1.0b處的拉應力減少到0.5b處的一半，拉應力值分別為4.43 MPa和4.31 MPa。

3.2 分裂力

圖2為根據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力并沒有發生實際變化。測量出60 mm位置的拉伸應力分別為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%鋼纖維的試樣表現出相同的應力分布情況，但在設計荷載承載的條件下，60 mm和110 mm的應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力分別變成了1.61 MPa和2.96MPa的壓縮應力，且在110 mm位置，這些壓縮應力分別增加到4.65 MPa和1.48 MPa。這些試樣與未加固的試樣相比，在拉伸和壓縮應力之間表現出較大差異。

在對全加固試樣的試驗中，其在拉應力為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。這些拉應力在60 mm和100 mm位置的壓縮應力分別為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時的拉伸應力分布情況；當其位置向試樣中心移動的時候，拉伸應力轉化為壓縮應力。在含1%鋼纖維的試樣上所觀察到的應力分布情況的變化均由測量點所出現的裂縫所引起。

3.3 縱向邊緣拉應力

圖3顯示了邊緣拉應力隨試樣長度的變化情況。應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測量的拉伸應力分別為1.78 MPa和1.35 MPa，在0.3b觀測到的壓縮應力分別為1.93 MPa和0.11 MPa；而在0.5b時，壓縮應力分別增加到10.51 MPa和3.87 MPa。從鋼纖維的混合比來說，在0.5b處發生的巨大應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力轉變成壓縮應力。

半加固的試樣在10 mm處測到的拉伸應力分別為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處的應力依然為3.24 MPa和2.44 MPa的拉伸應力。在0.5b處，兩個試樣（TP-NSR-1和TP-NSR-2）產生了急劇的變化，并轉變成大小分別為6.90 MPa和7.53 MPa的壓縮應力，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）試樣所得的結果相同。在0.5b處，應力轉變成大小分別為19.19 MPa和19.99 MPa的壓縮應力。

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

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），根據鋼筋類型進行了加工和荷載轉換測試，以觀察試樣的破裂應力分布、分裂應力、縱向邊緣壓力，并對縱向位移和裂痕形態進行了比較。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。結果顯示，當使用了UHPC材料時，在對PS錨固的設計中進一步減小橫截面尺寸和簡化鋼筋布置細節則具有可行性。

參考文獻

[1]彭愷.考慮粘結滑移的鋼-SFRC組合結構剪力鍵抗剪性能研究[D].西安：長安大學，2023.

[2]高勁洋.鋼-混凝土豎向混合結構轉換節點受力性能研究[D].北京：清華大學，2022.

[3]張海坤.型鋼PVA纖維混凝土粘結滑移性能試驗研究[D].馬鞍山：安徽工業大學，2022.

[4]張卓航.無格室后承壓板式鋼-混結合段受力性能研究[D].鄭州：鄭州大學，2022.

[5]邱明紅.鋼筋UHPC構件的基本受力性能與計算理論[D].長沙：湖南大學，2021.