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摘 要：锚具锚垫板因具有良好的传力性能，在预应力混凝土结构中被广泛应用，目前我国对锚具锚垫板产品的相关标准中关于其传力性能试验描述不够详细、明确，存在一定的技术难题，给检测工作带来不便。本文通过对锚垫板锚固区进行传力试验，研究其应力状态和构件裂缝扩展情况，以及裂缝形态和破坏荷载来完善锚垫板锚固区传力试验的相关技术方法，为预应力结构的使用寿命和安全性提供参考。
关键词：工程材料 锚固区传力 试验研究 锚垫板 裂缝扩展 破坏荷载
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0021-03
Load Transfer Test in Anchorage Zone of Anchor Pads
——Research on Crack Propagation Technology of Reinforced Concrete Members
ZHOU Zhenxing WANG Junhua WANG Chaoqi
（Sinosteel Zhengzhou Metal Products Research Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou， Henan Province， 450000 China）
Abstract： Anchorage anchor pad is widely used in prestressed concrete structure because of its good force transfer performance. At present， the test description on its force transfer performance in the relevant standards of anchorage anchor pad products in China is not detailed and clear， and there are certain technical problems， which brings inconvenience to the testing work. In this paper， through the force transfer test of the anchor pad anchorage zone， the stress state and crack propagation of the component， as well as the crack shape and failure load are studied to improve the relevant technical methods of the force transfer test of the anchor pad anchorage zone， so as to provide reference for the service life and safety of the prestressed structure.
Key Words： Engineering materials; Force transfer in anchorage zone; Experimental study; Anchor pad; Crack propagation; Failure load
本文针对我国现行标准中所述的不同应力加载方式，结合混凝土强度、钢筋笼配置等影响因素，对锚具的传力性能进行试验，对比分析混凝土构件的裂缝扩展情况、破坏荷载等信息，对锚固区的传力性能进行综合评价[1-3]。
1 试件制作和加载装置
四批试验采用的铸造锚垫板和配套螺旋筋进行混凝土试块制作，混凝土强度设计为C50，统一采用棱柱体设计，试块边长a为35～45cm，高度h为70～90cm，养护龄期为28d，在室外常温环境下进行自然养护，钢筋笼配置为主筋φ16mm，箍筋φ10mm，体积配筋率为0.50%～0.70%，钢筋保护层厚度为15mm。加载装置采用5000kN液压万能试验机进行，并配置相应的应变测量装置和裂缝观测仪。
2 加载方式
锚固区传力试验的加载方式通常有3种，分别是单调加载、循环加载和持荷加载，其中《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》（JGJ 85-2010）中采用的是单调加载的方式，《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370-2015）采用的是循环加载的方式。本次试验采用比对的方法进行研究，每种规格的锚具分别进行两种加载方式试验，并分析结果。
单调加载方式，从0加荷至0.4Fptk，Fptk为预应力筋，公称极限抗拉力，持荷10min，继续加载至0.8Fptk，持荷10min然后继续加荷至试件破坏，在持荷过程中应测量裂缝宽度，同时观察裂缝的扩展情况，加载速度不宜超过100MPa/min。
循环加载方式，加荷从0开始，按照0.2Fptk，0.4Fptk，0.6Fptk，0.8Fptk进行分级加载，荷载达到0.8Fptk后卸荷，进行10次慢速循环加载，荷载上限为0.8Fptk，荷載下限为0.12Fptk，循环加载后，逐步增加荷载直至混凝土试件破坏，加载速度不宜超过100MPa/min，在循环加载过程中，当加载至上限荷载和下限荷载时对构件裂缝宽度进行测量，并评估裂缝的稳定性，当裂缝达到稳定状态后可停止循环加载。
3 试验结果
（1）采用单调加载方式，试块加载至0.4Fptk至0.5Fptk时，试件中心轴线方向上开始出现竖向裂纹，并随着荷载的增加而变大。 （2）采用单调加载方式，试块加载至0.8Fptk至1.0Fptk时，裂缝宽度已达至0.20mm，并且在竖向裂缝周边开始产生横向裂纹和次生裂纹。
（3）采用单调加载方式，试块加载至0.4Fptk时，卸荷后能观测到裂纹有明显的愈合现象，而加载至1.0Fptk时，卸荷后试块裂纹扩展较大，愈合现象不明显。
（4）采用单调加载方式，加载至破坏荷载后观察试块破坏形态，锚垫板周围出现散射状裂缝，部分裂缝已延伸至试块边缘，观察锚垫板完好未产生裂纹和破损，但部分出现翼缘上翘，部分试块端部出现粉碎性破坏。
（5）采用循环加载方式，试块在加载至0.4～0.5Fptk時，其裂缝形态和单调加载方式的裂缝产生情况相似，但随着循环次数的增加，其裂缝的宽度和长度加剧明显，部分裂缝已贯穿整个试件，甚至延伸至试件端部。
（6）循环加载的裂缝主要以竖向裂缝为主，随着循环次数的增加，竖向裂缝上产生横向裂缝和斜裂缝，同时随着压力的增大，在锚固区范围内裂缝逐渐增多。
（7）采用循环加载方式，当进行10次循环加载后，混凝土试块的破坏程度比单调加载方式更严重，其试块裂缝的扩展范围和开裂宽度也比单调加载更大。
（8）采用循环加载方式，当加压至破坏荷载后观察试块形态，试块断面的散射裂缝较多，同时锚垫板边缘出现开裂，部分试块锚垫板内部出现冲切裂纹，锚垫板受到挤压破坏且翼缘翘曲现象明显。
（9）整体而言，采用循环加载方式对混凝土试块和锚垫板的破坏程度要严重于单调加载方式（详见表1），当混凝土的强度较高时会降低裂缝的产生和扩展程度，同时试块体积和受力面积的加大也会降低压应力带来的破坏。
4 试验结果分析
4.1 混凝土强度
混凝土强度和密实程度对集中应力的影响较明显，同时养护方式也影响着混凝土试块强度的增长空间，当混凝土试块的强度较高时明显提升了抵抗集中荷载的破坏程度，试块强度的提高可以提升试件的极限荷载。试验也表明，高强混凝土试件的侧面裂缝扩展情况要比低强度试块好的多，因此，在工程运用时更加需要注意预应力结构的养护和强度的保持[4-5]。
4.2 钢筋笼配置
试块钢筋笼主要有螺旋筋、箍筋和纵筋组成，螺旋筋主要承受锚垫板传输的集中压力载荷，螺旋筋的圈径和长度的增加可明显提升试块的抗压承载力;表层箍筋的布设可以提高试件的开裂荷载，并有效控制表面裂缝的扩展，表层箍筋的疏密和体积配筋率的高低对裂缝的宽度扩展更为有效，试验也显示当增大箍筋直径和箍筋体积配筋率时对提高试件的极限承载力有明显效果;主筋纵筋的配置分担了轴向压应力，当纵筋加大直径后，明显提高了抗压载荷。钢筋笼的配置应满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[6]的要求和锚固传力试验的需求。
4.3 试件尺寸的影响
本次试验采用的5孔和7孔传力试验试件尺寸符合标准要求，而9孔和11孔的传力试验试件尺寸相比标准要求略有富余，比较试验结果，当混凝土强度差别不大时，混凝土试件尺寸的增大可以增加试件的极限荷载和开裂荷载，提升整体受力性能，但是试件尺寸的大小受锚垫板尺寸的影响，标准中规定混凝土构件的尺寸以锚具技术参数或设计给定的锚具中心最小间距和锚具中心到构件边缘最小距离的2倍来进行取值调整，因此这个关键参数应通过锚固区传力性能试验的检验确定。不同尺寸的试件在试验时应注意试件的调平，当试件受力面不平整有倾斜角度时，锚垫板会受到剪切应力的影响，会加剧破坏的程度，为避免这种情况应完善试块制作时的收面程序，也可在压力机承压板上铺砂辅助调平[7]。
4.4 加载方式的影响
本次试验采用单调加载和循环加载的方式进行比对，试验显示循环加载方式对混凝土试件带来的破坏程度更甚于单调加载，从比对结果上看，单调加载的极限破坏荷载要高于循环加载，同时循环加载所产生的裂缝宽度也大于单调加载，其裂缝的扩展范围更广、开裂程度更加严重。不同的加载方式对预应力结构产生的损伤效果也不一样，工程在实际应用时应考虑加载方式不同而带来的影响。
5 结语
采用单调加载方式，试块在加载至0.8Fptk时，混凝土试件的裂缝宽度通常小于0.25mm，试块的极限破坏荷载基本大于1.1Fptk 。
采用循环加载方式，试块在加载至0.8Fptk时，混凝土试件的裂缝宽度通常接近甚至大于0.25mm，试块的极限破坏荷载明显低于单调加载方式。
在同等条件下，试块强度的提高会降低裂缝的开裂宽度和扩展长度，且试块尺寸的增大也会带来同样的效果。
试件锚固区的裂缝发展情况受钢筋笼布设的影响较大，为避免试验受异常情况的干扰，应合理配置钢筋笼，尤其是表面箍筋的体积配筋率，这样才能保证锚固区传力性能试验的有效性。
参考文献
[1] 钟新谷，舒小娟，姚锋，等.预应力锚固结构锚具与垫板切向刚度识别研究[J].应用力学学报，2017，34（2）：384-389，412.
[2] 江倩敏，王赞芝，王丹，等.焊接锚垫板及锚下混凝土受力分析[J].宁波工程学院学报，2020，32（2）：6-12.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.预应力筋用锚具、夹具和连接器：GB/T 14370-2015[S].北京：中国标准出版社，2016.
[4] 王刚.混凝土结构实体与回弹法及钻芯法的优劣分析[J].建筑工程技术与设计，2017（22）：3414-3414，3542.
[5] 罗义华，石雪梅，杨泰朋，等.螺旋锚极限抗压承载力理论计算分析[J].安徽建筑，2020，27（2）：67-69.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[7] 闫云友.巴拿马三桥体外索锚固区漏浆原因及补救措施[J].施工技术，2019，48（17）：20-23.
关键词：工程材料 锚固区传力 试验研究 锚垫板 裂缝扩展 破坏荷载
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0021-03
Load Transfer Test in Anchorage Zone of Anchor Pads
——Research on Crack Propagation Technology of Reinforced Concrete Members
ZHOU Zhenxing WANG Junhua WANG Chaoqi
（Sinosteel Zhengzhou Metal Products Research Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou， Henan Province， 450000 China）
Abstract： Anchorage anchor pad is widely used in prestressed concrete structure because of its good force transfer performance. At present， the test description on its force transfer performance in the relevant standards of anchorage anchor pad products in China is not detailed and clear， and there are certain technical problems， which brings inconvenience to the testing work. In this paper， through the force transfer test of the anchor pad anchorage zone， the stress state and crack propagation of the component， as well as the crack shape and failure load are studied to improve the relevant technical methods of the force transfer test of the anchor pad anchorage zone， so as to provide reference for the service life and safety of the prestressed structure.
Key Words： Engineering materials; Force transfer in anchorage zone; Experimental study; Anchor pad; Crack propagation; Failure load
本文针对我国现行标准中所述的不同应力加载方式，结合混凝土强度、钢筋笼配置等影响因素，对锚具的传力性能进行试验，对比分析混凝土构件的裂缝扩展情况、破坏荷载等信息，对锚固区的传力性能进行综合评价[1-3]。
1 试件制作和加载装置
四批试验采用的铸造锚垫板和配套螺旋筋进行混凝土试块制作，混凝土强度设计为C50，统一采用棱柱体设计，试块边长a为35～45cm，高度h为70～90cm，养护龄期为28d，在室外常温环境下进行自然养护，钢筋笼配置为主筋φ16mm，箍筋φ10mm，体积配筋率为0.50%～0.70%，钢筋保护层厚度为15mm。加载装置采用5000kN液压万能试验机进行，并配置相应的应变测量装置和裂缝观测仪。
2 加载方式
锚固区传力试验的加载方式通常有3种，分别是单调加载、循环加载和持荷加载，其中《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》（JGJ 85-2010）中采用的是单调加载的方式，《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370-2015）采用的是循环加载的方式。本次试验采用比对的方法进行研究，每种规格的锚具分别进行两种加载方式试验，并分析结果。
单调加载方式，从0加荷至0.4Fptk，Fptk为预应力筋，公称极限抗拉力，持荷10min，继续加载至0.8Fptk，持荷10min然后继续加荷至试件破坏，在持荷过程中应测量裂缝宽度，同时观察裂缝的扩展情况，加载速度不宜超过100MPa/min。
循环加载方式，加荷从0开始，按照0.2Fptk，0.4Fptk，0.6Fptk，0.8Fptk进行分级加载，荷载达到0.8Fptk后卸荷，进行10次慢速循环加载，荷载上限为0.8Fptk，荷載下限为0.12Fptk，循环加载后，逐步增加荷载直至混凝土试件破坏，加载速度不宜超过100MPa/min，在循环加载过程中，当加载至上限荷载和下限荷载时对构件裂缝宽度进行测量，并评估裂缝的稳定性，当裂缝达到稳定状态后可停止循环加载。
3 试验结果
（1）采用单调加载方式，试块加载至0.4Fptk至0.5Fptk时，试件中心轴线方向上开始出现竖向裂纹，并随着荷载的增加而变大。 （2）采用单调加载方式，试块加载至0.8Fptk至1.0Fptk时，裂缝宽度已达至0.20mm，并且在竖向裂缝周边开始产生横向裂纹和次生裂纹。
（3）采用单调加载方式，试块加载至0.4Fptk时，卸荷后能观测到裂纹有明显的愈合现象，而加载至1.0Fptk时，卸荷后试块裂纹扩展较大，愈合现象不明显。
（4）采用单调加载方式，加载至破坏荷载后观察试块破坏形态，锚垫板周围出现散射状裂缝，部分裂缝已延伸至试块边缘，观察锚垫板完好未产生裂纹和破损，但部分出现翼缘上翘，部分试块端部出现粉碎性破坏。
（5）采用循环加载方式，试块在加载至0.4～0.5Fptk時，其裂缝形态和单调加载方式的裂缝产生情况相似，但随着循环次数的增加，其裂缝的宽度和长度加剧明显，部分裂缝已贯穿整个试件，甚至延伸至试件端部。
（6）循环加载的裂缝主要以竖向裂缝为主，随着循环次数的增加，竖向裂缝上产生横向裂缝和斜裂缝，同时随着压力的增大，在锚固区范围内裂缝逐渐增多。
（7）采用循环加载方式，当进行10次循环加载后，混凝土试块的破坏程度比单调加载方式更严重，其试块裂缝的扩展范围和开裂宽度也比单调加载更大。
（8）采用循环加载方式，当加压至破坏荷载后观察试块形态，试块断面的散射裂缝较多，同时锚垫板边缘出现开裂，部分试块锚垫板内部出现冲切裂纹，锚垫板受到挤压破坏且翼缘翘曲现象明显。
（9）整体而言，采用循环加载方式对混凝土试块和锚垫板的破坏程度要严重于单调加载方式（详见表1），当混凝土的强度较高时会降低裂缝的产生和扩展程度，同时试块体积和受力面积的加大也会降低压应力带来的破坏。
4 试验结果分析
4.1 混凝土强度
混凝土强度和密实程度对集中应力的影响较明显，同时养护方式也影响着混凝土试块强度的增长空间，当混凝土试块的强度较高时明显提升了抵抗集中荷载的破坏程度，试块强度的提高可以提升试件的极限荷载。试验也表明，高强混凝土试件的侧面裂缝扩展情况要比低强度试块好的多，因此，在工程运用时更加需要注意预应力结构的养护和强度的保持[4-5]。
4.2 钢筋笼配置
试块钢筋笼主要有螺旋筋、箍筋和纵筋组成，螺旋筋主要承受锚垫板传输的集中压力载荷，螺旋筋的圈径和长度的增加可明显提升试块的抗压承载力;表层箍筋的布设可以提高试件的开裂荷载，并有效控制表面裂缝的扩展，表层箍筋的疏密和体积配筋率的高低对裂缝的宽度扩展更为有效，试验也显示当增大箍筋直径和箍筋体积配筋率时对提高试件的极限承载力有明显效果;主筋纵筋的配置分担了轴向压应力，当纵筋加大直径后，明显提高了抗压载荷。钢筋笼的配置应满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[6]的要求和锚固传力试验的需求。
4.3 试件尺寸的影响
本次试验采用的5孔和7孔传力试验试件尺寸符合标准要求，而9孔和11孔的传力试验试件尺寸相比标准要求略有富余，比较试验结果，当混凝土强度差别不大时，混凝土试件尺寸的增大可以增加试件的极限荷载和开裂荷载，提升整体受力性能，但是试件尺寸的大小受锚垫板尺寸的影响，标准中规定混凝土构件的尺寸以锚具技术参数或设计给定的锚具中心最小间距和锚具中心到构件边缘最小距离的2倍来进行取值调整，因此这个关键参数应通过锚固区传力性能试验的检验确定。不同尺寸的试件在试验时应注意试件的调平，当试件受力面不平整有倾斜角度时，锚垫板会受到剪切应力的影响，会加剧破坏的程度，为避免这种情况应完善试块制作时的收面程序，也可在压力机承压板上铺砂辅助调平[7]。
4.4 加载方式的影响
本次试验采用单调加载和循环加载的方式进行比对，试验显示循环加载方式对混凝土试件带来的破坏程度更甚于单调加载，从比对结果上看，单调加载的极限破坏荷载要高于循环加载，同时循环加载所产生的裂缝宽度也大于单调加载，其裂缝的扩展范围更广、开裂程度更加严重。不同的加载方式对预应力结构产生的损伤效果也不一样，工程在实际应用时应考虑加载方式不同而带来的影响。
5 结语
采用单调加载方式，试块在加载至0.8Fptk时，混凝土试件的裂缝宽度通常小于0.25mm，试块的极限破坏荷载基本大于1.1Fptk 。
采用循环加载方式，试块在加载至0.8Fptk时，混凝土试件的裂缝宽度通常接近甚至大于0.25mm，试块的极限破坏荷载明显低于单调加载方式。
在同等条件下，试块强度的提高会降低裂缝的开裂宽度和扩展长度，且试块尺寸的增大也会带来同样的效果。
试件锚固区的裂缝发展情况受钢筋笼布设的影响较大，为避免试验受异常情况的干扰，应合理配置钢筋笼，尤其是表面箍筋的体积配筋率，这样才能保证锚固区传力性能试验的有效性。
参考文献
[1] 钟新谷，舒小娟，姚锋，等.预应力锚固结构锚具与垫板切向刚度识别研究[J].应用力学学报，2017，34（2）：384-389，412.
[2] 江倩敏，王赞芝，王丹，等.焊接锚垫板及锚下混凝土受力分析[J].宁波工程学院学报，2020，32（2）：6-12.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.预应力筋用锚具、夹具和连接器：GB/T 14370-2015[S].北京：中国标准出版社，2016.
[4] 王刚.混凝土结构实体与回弹法及钻芯法的优劣分析[J].建筑工程技术与设计，2017（22）：3414-3414，3542.
[5] 罗义华，石雪梅，杨泰朋，等.螺旋锚极限抗压承载力理论计算分析[J].安徽建筑，2020，27（2）：67-69.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[7] 闫云友.巴拿马三桥体外索锚固区漏浆原因及补救措施[J].施工技术，2019，48（17）：20-23.