基于荷載傳遞試驗探討預應力混凝土錨固區裂縫擴展

摘 "要：為研究長方形和圓形承壓區域對后張預應力混凝土錨固區裂縫擴展的影響，分別對2種混凝土構件進行荷載傳遞試驗。試驗表明，隨著荷載逐漸增加至破壞荷載，受拉荷載向受壓區轉移，無論是長方形或圓形承載面錨固區結構，承壓區周圍混凝土表面均出現由中心指向構件四角較粗的裂縫，粗裂縫的擴散角度約45°；試件的側面微裂縫逐漸增寬，并且隨外荷載的增加向錨固區截面高度1/2的位置擴展。

關鍵詞：預應力混凝土；荷載傳遞；錨固承載面；裂縫；錨墊板

中圖分類號：TU378 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：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

在現代公路鐵路橋梁、房屋建筑、巖土錨固等方面都用到預應力，錨墊板作為后張預應力混凝土的重要部件埋入混凝土中，主要起傳遞荷載、預留和連接預應力孔道等作用。實際工程中，預應力混凝土結構設計的幾何尺寸不同，錨墊板根據結構的需求，其橫截面也有不同結構形式，如圓形、正方形和長方形（扁形）等，圓形和正方形錨墊板多用于橋箱梁、塔柱等結構，而長方形（扁形）錨墊板多用于房屋樓板、橋面板等扁平結構。

雖然錨墊板在不同結構中有不同的形狀，但是作為預應力混凝土結構中承載部件，都承擔著將錨具的荷載傳遞給結構區域的重要作用[1]。該區域承受集中荷載作用，應力分布復雜，縱向和橫向都會產生應變，隨著荷載的增加，相應的裂縫可能隨之出現和擴展。了解掌握局部錨固區裂縫的開裂形式和擴展趨勢，提前預防混凝土開裂，提高混凝土構件的防腐能力，提高結構的使用壽命。

目前，后張預應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預應力集中受力及傳力特點設計錨墊板的結構，使得設計的產品既經濟又滿足工程要求。但是這種鑄造成型的錨墊板由于結構及混凝土本身的離散因素，目前還沒有很好的計算公式。采用試驗的方式是一種很好驗證錨墊板及錨墊板與混凝土組合傳遞的性能，同時可以觀測循序加載能力、裂縫擴張情況和最大承載力等。本文采用實驗方式分別對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展趨勢，結合相關標準的計算公式進行趨勢分析與討論，可以作為工程應用中對裂縫控制和分析的參考。

1 "試驗

1.1 "試驗設備與材料

利用壓力試驗機進行荷載傳遞試驗，試驗前需預埋錨具構件、輔助鋼筋和澆筑混凝土，最后形成帶有預應力錨固單元的試驗試件；對同條件養護下的標準試塊進行測試，待標準試塊強度接近試驗強度（即50 MPa）時進行荷載傳遞試驗。澆筑混凝土試件所需材料如下：

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

2）核心錨固區均預埋螺旋筋，材質為Q235B鋼筋，屈服強度設計值為fy=235 N/mm2；

3）混凝土構件高度h≥2 b（b為混凝土試驗端面邊長），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）采用混凝土強度為C50的商用砼，塌落度為180±30 mm。

1.2 "試驗方法

荷載傳遞試驗（圖1）用于驗證錨墊板上的荷載傳遞至錨固區荷載傳遞的性能，參考國家標準GB/T 14370—2015《預應力筋用錨具、夾具和連接器》在OVM公司試驗中心進行的荷載傳遞試驗。試驗前，先對同時澆筑和養護的立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm）進行表征測試，待立方體強度接近50 MPa時，分別對6件（長方形和正方形各3組）混凝土構件進行試驗。試驗過程中對錨墊板施加集中荷載，施加上、下限值分別為0.8Fptk和0.12Fptk的循環荷載，并采用裂縫測寬儀觀察混凝土裂縫擴展情況；至少進行10次循環加載，待縱橫向應變穩定后停止循環加載；循環加載后，繼續增加荷載至1.0Fptk時觀察錨墊板是否出現破壞，隨后繼續加載至混凝土試件破壞。

2 "試驗結果與分析

2.1 "荷載傳遞試驗與試驗結果

進行混凝土試驗前，分別對3件立方體試件進行混凝土強度表征試驗，其抗壓強度分別為49.6、47.8和51.3 MPa，平均混凝土強度為49.6 MPa。試驗過程中監測裂縫擴展和施加荷載情況見表1。

由表1可知，施加荷載至0.8 Fptk時，所有試件的裂紋寬度均滿足裂縫寬度均小于0.15 mm要求；進行10次上下限分別為0.8Fptk和0.12Fptk的循環荷載，最后3次循環的裂縫擴展已經穩定，縫寬度也均小于0.15 mm和0.25 mm；循環荷載后繼續增加荷載直至混凝土試件破壞，即達到混凝土試件的極限荷載，施加破壞荷載Fu后2種規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程中，試件上的裂縫由微裂縫逐漸發展成為可見裂縫，從而使試驗后試件存在多條粗細不同的裂縫。施加極限荷載后的裂縫分布如圖2所示。試驗表明，采用OVM.M15-5型圓形錨具和OVM.BM15-5型扁型錨具產品進行試驗，均滿足國家標準GB/T 14370—2015中錨固區傳力性能的指標要求。

2.2 "極限荷載作用于不同錨固區截面產生的裂縫分析

圖2可以明顯觀測到施加破壞荷載后試件錨固區受到荷載不同，所產生的裂縫也不均勻，長方形和圓形混凝土試件的承載面均出現較寬的粗裂縫，均呈現由錨固承載面中心向構件四角擴散較粗的裂縫，粗裂縫的擴散角度約45°；這些粗裂縫上也延展出一些無規則的細裂縫，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到主裂縫寬度。在荷載作用下，混凝土的拉應力超過混凝土與錨墊板的黏結力，錨墊板與混凝土融合的區域出現不同程度錨墊板與混凝土分離現象。相關研究也表明，錨固區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應力筋布置方向等部位受拉破壞[3]。所以這些粗裂縫的擴展，由于受拉區不能承受荷載，逐漸向受壓區移動，最后混凝土達到極限應變后，錨固力引起的局部壓陷及協調周邊變形而呈現構件破壞。

如圖3所示，觀察混凝土試件側表面，隨著荷載的增加裂縫不斷擴展，發現試件的側面微裂縫逐漸增寬，并且向試件底部延伸約整個試件高度1/2的位置。根據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]。試驗過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，所以試驗過程中劈裂力作用位置公式（1）變為db=0.5 h，這與試驗看到試驗合格的混凝土試件側面裂縫延伸深度一致。但所施加的荷載已經達到最大破壞荷載，繼續加載，裂縫會繼續擴展和延伸。

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，即錨固力作用點距截面形心的距離；α為力筋傾角。

3 "設計與分析

3.1 "設置合理的布置間距和混凝土保護層

無論圓形、方形或矩形錨墊板，將其置于混凝土結構中沿縱向或橫向直線分布，相鄰錨固區間必須保持一定的滿足設計要求的布置間距，避免相鄰錨固區間互相干擾造成混凝土開裂，甚至錨固區失效；針對于錨具邊緣需保留一定保護層厚度，對混凝土鋼筋進行保護，根據國內外標準要求，鋼筋保護層厚度至少25 mm[2，4]。如果鋼筋覆蓋層太薄，當核心錨具區承受的荷載傳遞至混凝土構件邊緣時，超過混凝土結構筋屈服強度，結構筋的變形會導致混凝表面開裂，混凝土開裂后，裸露的鋼筋容易在易腐蝕的環境中銹蝕，長時間會影響整個預應力混凝土結構的使用。

合理布置錨固區間距，就需要分析錨固區的受力狀況。美國AASHTO規范中，根據預應力混凝土受力特點，錨固區分為總體錨固區和局部錨固區。局部錨固區受到集中荷載作用，后張錨固區存在典型應力擾動，產生局部混凝土拉壓效應、應力傳力和擴散[4]。

3.2 "荷載通過錨墊板傳遞和擴散至混凝土中產生的拉壓應力

針對于預應力混凝土錨固區，錨具將荷載通過錨墊板傳遞和擴散至混凝土結構中，對于后張預應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，預應力混凝土受到壓應力作用；沿構件水平分方向，預應力混凝土受到拉應力；在混凝土構件邊緣分別受橫向和縱向方向合力的邊緣拉應力。

在對混凝土施加荷載過程中，當混凝土不具備抵抗受拉的能力時，混凝土表面隨荷載的增加，裂縫逐漸擴展。因此，需要對預應力混凝土構件的總體區域內的抗拉承載力進行驗算，如式（2）所示[2]

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

由式（2）可以看出，混凝土構件各受拉部位的拉力值受鋼筋材料強度等級和布置數量的影響，在錨固區各受拉部位增加鋼筋布置數量和（或）提高鋼筋材料等級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，了解各種錨固區的受力狀態及裂縫擴張形式，避免由于張拉裂縫對預應力的影響，從而保障預應力結構的有效使用壽命。

4 "結論

本文對長方形和圓形2種混凝土構件進行荷載傳遞試驗，觀察和分析了荷載傳遞后的裂縫擴展情況和錨固區內混凝土的抗拉承載力，主要結論如下。

1）通過荷載傳遞試驗可以驗證通過錨墊板傳遞至錨固區的傳力性能以及裂縫擴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，受拉荷載向受壓區轉移，無論是長方形還是圓形錨固區結構，均呈現由錨固承載面中心指向構件四角較粗的裂縫，裂縫的擴散角度約45°。

3）試驗驗證隨外荷載增加，混凝土側表面裂紋逐漸向混凝土構件高度1/2的位置擴展。

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

5）錨固區設計需綜合考慮錨固區偏心距、布置間距和混凝土保護層，避免結構本身因素造成裂縫產生，從而保障預應力結構的有效使用壽命。

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

參考文獻：

[1] 預應力筋用錨具、夾具和連接器：GB/T 14370—2015[S].2015.

[2] 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范：JTG 3362—2018[S].2018.

[3] 魏運均.預應力扁錨混凝土錨固區的有限元分析與試驗研究 [D].桂林：桂林理工大學，2009.

[4] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 6th Ed[S].2012.