扁型螺旋筋截面線型對錨固區(qū)影響的試驗研究

左海寧 秦瑜 蔣業(yè)東 溫朝臣 謝錦

摘? 要：螺旋筋作為局部錨固區(qū)的核心構件，能夠增強錨固區(qū)的承載力，提高預應力混凝土的抗劈裂能力。目前工程應用中扁形螺旋筋橫截面一般為矩形，呈螺旋式旋繞，也有采用矩形網片筋的形式布置。本研究通過改變矩形螺旋筋短邊的形式，將短邊變成半圓形，構成橢圓形螺旋筋;并通過荷載傳遞試驗，觀測試驗加載過程中裂紋和裂紋擴展的情況，最后進行極限荷載破壞，試驗結果顯示，橢圓形螺旋筋的性能略優(yōu)于矩形螺旋筋。這為螺旋筋的結構設計提供了新的思路，將橢圓形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以減少材料用量，降低經濟成本。

關鍵詞：局部錨固區(qū);螺旋筋;裂縫;預應力混凝土

中圖分類號：TU375? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0099-03

Abstract： As the core member of the local Anchorage zone， spiral tendons can enhance the bearing capacity of the Anchorage zone and improve the splitting resistance of prestressed concrete. At present， in engineering applications， the cross section of flat spiral bars is generally rectangular and spirally wound， and it is also arranged in the form of rectangular mesh bars. In this study， by changing the form of the short side of the rectangular spiral bar， the short side is changed into a semicircle to form an elliptical spiral rib， and through the load transfer test， the crack and crack propagation during the loading process are observed， and finally the ultimate load failure is carried out. the test results show that the performance of elliptical spiral ribs is slightly better than that of rectangular spiral bars. This provides a new idea for the structural design of spiral ribs. Replacing rectangular spiral bars with oval spiral bars can reduce the amount of materials and reduce the economic cost.

Keywords： local anchorage zone; spiral reinforcement; crack; prestressed concrete

1 概述

扁形錨具將預應力鋼絞線布置成扁平狀，能夠使應力分布更加均勻合理，減薄結構厚度，主要用于橫向預應力、空心板、低高度箱梁等。錨墊板和螺旋筋作為后張預應力混凝土中的重要構件，直接埋入混凝土中構成錨固區(qū)，主要起局部承壓、荷載傳遞和應力分散作用。后張預應力混凝土錨固區(qū)，又分為局部錨固區(qū)和總體錨固區(qū)[1]，針對于單個錨固單元，主要討論局部錨固區(qū)。錨墊板和螺旋筋埋置于局部錨固區(qū)，受扁平結構的影響通常設計成矩形。

錨墊板周圍混凝土局部受壓破壞是局部錨固區(qū)主要破壞模式之一，而螺旋筋作為錨固區(qū)的核心構件，能夠增強錨固區(qū)的承載力，提高預應力混凝土的抗劈裂能力[2]。目前工程應用中扁形螺旋筋橫截面為矩形，呈螺旋式旋繞，也有采用矩形網片筋的形式布置。由于受結構等因素影響，我們更希望螺旋筋的橫截面形式為圓形或近似于圓形。

為此，我們通過改變矩形螺旋筋短邊的形式，將短邊的變成圓形，構成橢圓形螺旋筋;并采用試驗方式對比采用矩形螺旋筋和橢圓形螺旋筋的性能，為扁形錨固區(qū)加固進行探討提供參考。

2 錨固區(qū)螺旋筋的影響分析與計算

2.1 螺旋筋的設計計算與分析

螺旋筋置于錨固區(qū)起到約束核心內混凝土的作用，加強錨固區(qū)混凝土的承載能力。這是由于錨墊板傳遞至核心混凝土區(qū)域時產生較大的橫向變形，而混凝土中的螺旋箍筋會產生抵抗橫向變形的環(huán)向拉力，即核心混凝土受到螺旋箍筋的徑向壓力，此外也提高了結構混凝土的承載力[3]。螺旋筋的橫截面形狀有圓形和方形等，對于扁平結構工程中一般采用長方形配筋。根據(jù)GB 50010-2010進行錨固區(qū)局部受壓承載力計算，配置螺旋式鋼筋需滿足式[4]（1）：

Fl-局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設計值;βc-混凝土強度影響系數(shù);βl-混凝土受壓時的強度提高系數(shù);fc-混凝土軸心抗壓強度設計值;α-間接鋼筋對混凝土約束的折減系數(shù);ρv-螺旋鋼筋體積配筋率;Aln-混凝土局部受壓凈面積;Ass1-單根螺旋式間接鋼筋的截面面積;dcor-螺旋鋼筋內表面范圍內的混凝土截面直徑;s-螺旋鋼筋筋的間距。

由式（1）、（2）可以看出，除橢圓形螺旋筋與方形螺旋筋外形結構不同，其他錨固區(qū)參數(shù)相同條件的情況下，影響錨固區(qū)受力主要考慮螺旋鋼筋內表面范圍內的混凝土截面直徑dcor，而螺旋筋的截面長、寬尺寸均相同，螺旋筋橫向和縱向方向的中心包裹混凝土的剖切面積相同，根據(jù)式（1）、（2）分析，用橢圓形螺旋筋可以代替矩形螺旋筋不影響錨固區(qū)局部承壓。

2.2 矩形和橢圓形螺旋筋結構對比分析

如圖1所示，a、b兩種螺旋筋的截面長、寬尺寸相同，a為矩形螺旋，b為橢圓形螺旋。方形螺旋筋的橫截面積和線性周長分別為：22822.08m2、577.8mm，橢圓形螺旋筋的橫截面積和線性周長分別為：21040.88m2、534.16mm;橢圓形螺旋筋與方形螺旋筋的橫截面積的差值比率為7.80%，線性周長的差值比率為7.55%。因此，采用橢圓形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以減少材料用量。

3 試驗

3.1 試驗設備與材料

利用壓力試驗機進行荷載傳遞試驗，試驗前需要制作并澆筑混凝土試件如圖2所示。試件預埋錨具OVM.BM15-4型錨具; 螺旋筋材質為Q235B鋼筋，圈數(shù)為4圈，其實物形式如圖3所示;混凝土構件高度h≥2b（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，每立方混凝土箍筋總量不超過50kg，總橫截面積不超過構件橫截面面積的0.3%;配制箍筋和縱筋選用HPB300和HRB400鋼筋，采用混凝土強度為C50商用砼進行澆筑。

3.2 試驗方法

為驗證矩形螺旋筋和橢圓形螺旋筋的性能，采用相同結構錨墊板，相同布筋方式和數(shù)量、相同強度標號的混凝土，同時澆筑而成分別布置矩形螺旋筋和橢圓形螺旋筋各3件，總共6個試件。待試件強度接近試驗強度時進行荷載傳遞試驗，荷載傳遞試驗在OVM試驗中心進行，試驗參考國家標準GB/T 14370-2015《預應力筋用錨具、夾具和連接器》中附錄A錨固區(qū)傳力性能試驗方法進行荷載傳遞試驗[5]。圖4所示，為混凝土試件和荷載傳遞試驗。

4 試驗結果與分析

4.1 循環(huán)荷載下試件裂縫情況分析

錨墊板和螺旋筋埋入混凝土中構成一個整體，共同承擔將施加于錨墊板上的荷載傳遞至錨固區(qū);為了驗證施加于錨墊板上的荷載的傳力能力，試驗時對試件施加了10次循環(huán)荷載，并在裂縫達到穩(wěn)定時停止加載，采用裂縫測寬儀監(jiān)測分別施加于0.8Fptk和0.12Fptk荷載時的裂縫開裂情況，如表1所示。

根據(jù)表1試驗結果可以看出，采用方形和橢圓形螺旋筋進行試驗均可以滿足標準要求。

第一次達到0.8Fptk時，使用兩種形式螺旋筋的混凝土試件的裂縫寬度均小于0.15mm，除長方形螺旋筋第一組出現(xiàn)裂紋，其余均未見裂紋;進行循環(huán)加載后裂縫有所擴展，觀察最后三次循環(huán)裂縫開裂已經穩(wěn)定，最后一次加載至0.12FPtK和0.8FPtK時裂縫寬度小于0.15mm和0.25mm;并且采用橢圓形螺旋筋第1#和3#在整個循環(huán)加載工程中未出現(xiàn)裂紋。從裂縫和裂縫擴展情況來看，采用橢圓形螺旋筋的性能優(yōu)于方形螺旋筋的性能。

4.2 試驗最大荷載分析

加載循環(huán)荷載后繼續(xù)增加荷載，直至達到最大荷載，施加最大荷載Fu如圖5所示。

針對混凝土構件破壞時的實測破壞荷載Fu符合式（3）[5]：

Fu-錨固區(qū)傳力性能試驗的實測荷載;Fptk-預應力公稱抗壓強度;fcm，e-錨固區(qū)傳力性能試驗時同條件養(yǎng)護混凝土立方體試件的實測平均抗壓強度;fcm，o-允許施加全部預應力時同條件養(yǎng)護混凝土立方體試件應達到的平均抗壓強度。

該試驗采用混凝土強度為C50的商用砼，而實測混凝土立方體試件平均強度為48.3MPa，按照式（3）進行計算，混凝土試件試驗后的最大力破壞力Fu均應大于等于998.4kN。

從圖5可以看出，試驗施加的破壞荷載值均滿足標準要求，并且采用橢圓形螺旋筋替代方形螺旋筋沒有降低承載性能。通過計算，對方形螺旋試件施加破壞荷載約為預應力公稱抗壓強度的1.16倍，而對橢圓形螺旋筋試件施加破壞荷載約為預應力公稱抗壓強度的1.20倍。通過對比方形和橢圓形螺旋筋試件的6組試驗，采用橢圓形螺旋筋制作的試件性能優(yōu)于方形螺旋筋制作的試件。

5 結束語

通過對核心混凝土計算公式分析，采用橢圓形螺旋筋代替方形螺旋筋制作的試件不影響錨固區(qū)承載能力，試驗驗證兩種螺旋筋制作的試件也均能滿足標準要求。從試驗結果來看，橢圓形螺旋筋荷載過程中裂縫控制和施加的破壞荷載均優(yōu)于方形螺旋筋，如果將橢圓形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以減少材料用量，降低經濟成本。

參考文獻：

[1]JTG 3362-2018.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)

范[S].2018.

[2]吳健宏.后張預應力混凝土錨固區(qū)設計方法研究[D].上海：同濟大學土木工程學院.

[3]張松.配置圓形復合螺旋箍筋的鋼筋混凝土方柱力學性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2016.

[4]GB50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范[S].2015.

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