扁型螺旋筋截面线型对锚固区影响的试验研究

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　　摘  要：螺旋筋作为局部锚固区的核心构件，能够增强锚固区的承载力，提高预应力混凝土的抗劈裂能力。目前工程应用中扁形螺旋筋横截面一般为矩形，呈螺旋式旋绕，也有采用矩形网片筋的形式布置。本研究通过改变矩形螺旋筋短边的形式，将短边变成半圆形，构成椭圆形螺旋筋;并通过荷载传递试验，观测试验加载过程中裂纹和裂纹扩展的情况，最后进行极限荷载破坏，试验结果显示，椭圆形螺旋筋的性能略优于矩形螺旋筋。这为螺旋筋的结构设计提供了新的思路，将椭圆形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以减少材料用量，降低经济成本。
　　关键词：局部锚固区;螺旋筋;裂缝;预应力混凝土
　　中图分类号：TU375         文献标志码：A         文章编号：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
　　扁形錨具将预应力钢绞线布置成扁平状，能够使应力分布更加均匀合理，减薄结构厚度，主要用于横向预应力、空心板、低高度箱梁等。锚垫板和螺旋筋作为后张预应力混凝土中的重要构件，直接埋入混凝土中构成锚固区，主要起局部承压、荷载传递和应力分散作用。后张预应力混凝土锚固区，又分为局部锚固区和总体锚固区[1]，针对于单个锚固单元，主要讨论局部锚固区。锚垫板和螺旋筋埋置于局部锚固区，受扁平结构的影响通常设计成矩形。
　　锚垫板周围混凝土局部受压破坏是局部锚固区主要破坏模式之一，而螺旋筋作为锚固区的核心构件，能够增强锚固区的承载力，提高预应力混凝土的抗劈裂能力[2]。目前工程应用中扁形螺旋筋横截面为矩形，呈螺旋式旋绕，也有采用矩形网片筋的形式布置。由于受结构等因素影响，我们更希望螺旋筋的横截面形式为圆形或近似于圆形。
　　为此，我们通过改变矩形螺旋筋短边的形式，将短边的变成圆形，构成椭圆形螺旋筋;并采用试验方式对比采用矩形螺旋筋和椭圆形螺旋筋的性能，为扁形锚固区加固进行探讨提供参考。
　　2 锚固区螺旋筋的影响分析与计算
　　2.1 螺旋筋的设计计算与分析
　　螺旋筋置于锚固区起到约束核心内混凝土的作用，加强锚固区混凝土的承载能力。这是由于锚垫板传递至核心混凝土区域时产生较大的横向变形，而混凝土中的螺旋箍筋会产生抵抗横向变形的环向拉力，即核心混凝土受到螺旋箍筋的径向压力，此外也提高了结构混凝土的承载力[3]。螺旋筋的横截面形状有圆形和方形等，对于扁平结构工程中一般采用长方形配筋。根据GB 50010-2010进行锚固区局部受压承载力计算，配置螺旋式钢筋需满足式[4]（1）：
　　Fl-局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值;βc-混凝土强度影响系数;βl-混凝土受压时的强度提高系数;fc-混凝土轴心抗压强度设计值;α-间接钢筋对混凝土约束的折减系数;ρv-螺旋钢筋体积配筋率;Aln-混凝土局部受压净面积;Ass1-单根螺旋式间接钢筋的截面面积;dcor-螺旋钢筋内表面范围内的混凝土截面直径;s-螺旋钢筋筋的间距。
　　由式（1）、（2）可以看出，除椭圆形螺旋筋与方形螺旋筋外形结构不同，其他锚固区参数相同条件的情况下，影响锚固区受力主要考虑螺旋钢筋内表面范围内的混凝土截面直径dcor，而螺旋筋的截面长、宽尺寸均相同，螺旋筋横向和纵向方向的中心包裹混凝土的剖切面积相同，根据式（1）、（2）分析，用椭圆形螺旋筋可以代替矩形螺旋筋不影响锚固区局部承压。 　　2.2 矩形和椭圆形螺旋筋结构对比分析
　　如图1所示，a、b两种螺旋筋的截面长、宽尺寸相同，a为矩形螺旋，b为椭圆形螺旋。方形螺旋筋的横截面积和线性周长分别为：22822.08m2、577.8mm，椭圆形螺旋筋的横截面积和线性周长分别为：21040.88m2、534.16mm;椭圆形螺旋筋与方形螺旋筋的横截面积的差值比率为7.80%，线性周长的差值比率为7.55%。因此，采用椭圆形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以减少材料用量。
　　3 试验
　　3.1 试验设备与材料
　　利用压力试验机进行荷载传递试验，试验前需要制作并浇筑混凝土试件如图2所示。试件预埋锚具OVM.BM15-4型锚具; 螺旋筋材质为Q235B钢筋，圈数为4圈，其实物形式如图3所示;混凝土构件高度h≥2b（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，每立方混凝土箍筋总量不超过50kg，总横截面积不超过构件横截面面积的0.3%;配制箍筋和纵筋选用HPB300和HRB400钢筋，采用混凝土强度为C50商用砼进行浇筑。
　　 3.2 试验方法
　　为验证矩形螺旋筋和椭圆形螺旋筋的性能，采用相同结构锚垫板，相同布筋方式和数量、相同强度标号的混凝土，同时浇筑而成分别布置矩形螺旋筋和椭圆形螺旋筋各3件，总共6个试件。待试件强度接近试验强度时进行荷载传递试验，荷载传递试验在OVM试验中心进行，试验参考国家标准GB/T 14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》中附录A锚固区传力性能试验方法进行荷载传递试验[5]。图4所示，为混凝土试件和荷载传递试验。
　　 4 试验结果与分析
　　4.1 循环荷载下试件裂缝情况分析
　　锚垫板和螺旋筋埋入混凝土中构成一个整体，共同承担将施加于锚垫板上的荷载传递至锚固区;为了验证施加于锚垫板上的荷载的传力能力，试验时对试件施加了10次循环荷载，并在裂缝达到稳定时停止加载，采用裂缝测宽仪监测分别施加于0.8Fptk和0.12Fptk荷载时的裂缝开裂情况，如表1所示。
　　根据表1试验结果可以看出，采用方形和椭圆形螺旋筋进行试验均可以满足标准要求。
　　第一次达到0.8Fptk时，使用两种形式螺旋筋的混凝土试件的裂缝宽度均小于0.15mm，除长方形螺旋筋第一组出现裂纹，其余均未见裂纹;进行循环加载后裂缝有所扩展，观察最后三次循环裂缝开裂已经稳定，最后一次加载至0.12FPtK和0.8FPtK时裂缝宽度小于0.15mm和0.25mm;并且采用椭圆形螺旋筋第1#和3#在整个循环加载工程中未出现裂纹。从裂缝和裂缝扩展情况来看，采用椭圆形螺旋筋的性能优于方形螺旋筋的性能。
　　4.2 试验最大荷载分析
　　加载循环荷载后继续增加荷载，直至达到最大荷载，施加最大荷载Fu如图5所示。
　　针对混凝土构件破坏时的实测破坏荷载Fu符合式（3）[5]：
　　Fu-锚固区传力性能试验的实测荷载;Fptk-预应力公称抗压强度;fcm，e-錨固区传力性能试验时同条件养护混凝土立方体试件的实测平均抗压强度;fcm，o-允许施加全部预应力时同条件养护混凝土立方体试件应达到的平均抗压强度。
　　该试验采用混凝土强度为C50的商用砼，而实测混凝土立方体试件平均强度为48.3MPa，按照式（3）进行计算，混凝土试件试验后的最大力破坏力Fu均应大于等于998.4kN。
　　从图5可以看出，试验施加的破坏荷载值均满足标准要求，并且采用椭圆形螺旋筋替代方形螺旋筋没有降低承载性能。通过计算，对方形螺旋试件施加破坏荷载约为预应力公称抗压强度的1.16倍，而对椭圆形螺旋筋试件施加破坏荷载约为预应力公称抗压强度的1.20倍。通过对比方形和椭圆形螺旋筋试件的6组试验，采用椭圆形螺旋筋制作的试件性能优于方形螺旋筋制作的试件。
　　5 结束语
　　通过对核心混凝土计算公式分析，采用椭圆形螺旋筋代替方形螺旋筋制作的试件不影响锚固区承载能力，试验验证两种螺旋筋制作的试件也均能满足标准要求。从试验结果来看，椭圆形螺旋筋荷载过程中裂缝控制和施加的破坏荷载均优于方形螺旋筋，如果将椭圆形螺旋筋代替矩形螺旋筋可以减少材料用量，降低经济成本。
　　参考文献：
　　[1]JTG 3362-2018.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
　　范[S].2018.
　　[2]吴健宏.后张预应力混凝土锚固区设计方法研究[D].上海：同济大学土木工程学院.
　　[3]张松.配置圆形复合螺旋箍筋的钢筋混凝土方柱力学性能研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
　　[4]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].2015.
　　[5]GB/T 14370-2015.预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].2015.
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