孫福杰

預應力混凝土錨固區(qū)受力分析及設(shè)計問題一直是各國預應力混凝土領(lǐng)域研究的熱點問題[1-6]，并提出了相應的設(shè)計規(guī)范，但各國研究方法和結(jié)果之間目前仍存在較大差異。不同國家的設(shè)計結(jié)果顯示，各個設(shè)計參數(shù)的范圍變化很大。劈裂力范圍為49.5 kN～440 kN;劈裂力區(qū)范圍為170 mm～850 mm;所需配筋面積范圍為207 mm2～2 000 mm2。從中可以看出，在預應力錨固區(qū)設(shè)計問題上各國的規(guī)范之間存在較大差異，造成安全隱患是難免的。因此有必要從設(shè)計規(guī)范角度對其開裂原因進行探討，以便提高今后的設(shè)計質(zhì)量，增強結(jié)構(gòu)的耐久性。

1 國內(nèi)外混凝土局部承壓設(shè)計

1.1 JTG D62-2004局部承壓區(qū)設(shè)計

我國鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范為防止局部受壓區(qū)配置過多的間接鋼筋，在極限荷載作用下局部承壓區(qū)產(chǎn)生過大的受壓變形，第5.7.1條規(guī)定對配有間接鋼筋的混凝土構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應滿足下列要求:

對配置間接鋼筋的局部承壓構(gòu)件，第5.7.2條規(guī)定其局部抗壓承載力為:

式中各符號詳見文獻[8]。

1.2 AASHTO局部承壓區(qū)設(shè)計

AASHTO規(guī)范將錨固區(qū)分為局部區(qū)(Local zone)和一般區(qū)(General zone)，在設(shè)計時應考慮錨固端面的脹裂力和偏心錨所引起的構(gòu)件側(cè)面縱向拉力效應，在設(shè)計一般區(qū)域時要考慮和局部區(qū)域的協(xié)調(diào)，在設(shè)計錨固區(qū)時可用以下方法:1)拉—壓桿方法;2)精確的應力分析;3)其他的近似方法[9]。

1)局部區(qū)設(shè)計。

局部區(qū)如圖1所示，其承載能力為:

其中，φ為抵抗系數(shù);A為計算底面積;Ag為錨墊板的毛面積，沒扣除孔道部分;Ab為錨墊板扣除了孔道后的面積;f′ci為張拉預應力時混凝土抗壓強度。

2)一般區(qū)設(shè)計——拉—壓桿法。

AASHTO規(guī)范認為在錨固區(qū)內(nèi)的荷載傳遞路徑可以通過拉—壓桿來近似地模擬。所選取的拉—壓桿模型應該能夠考慮到所有的荷載作用效果，以便將施加在錨具上的荷載傳遞到整個結(jié)構(gòu)中。在采用拉—壓桿模型進行一般區(qū)設(shè)計時，壓桿混凝土抗壓強度不能超過0.7φ f′ci，拉桿由普通鋼筋和預應力鋼筋組成，鋼筋應盡可能按照拉—壓桿模型所假設(shè)的拉力方向和位置布置。

1.3 ACI318-05局部承壓區(qū)設(shè)計

ACI318-05規(guī)范第18章關(guān)于后張法預應力錨固區(qū)設(shè)計的規(guī)定是1999版的更新，參考了AASHTO公路標準規(guī)范和NCHRP報告356，因此ACI318-05與AASHTO規(guī)范在錨固區(qū)的分析及設(shè)計上基本是一致的。與AASHTO不同的是ACI318對如圖2所示的中間錨問題做了明確規(guī)定[10]。

ACI318第18.13.2款對于局部區(qū)規(guī)定混凝土的壓應力應滿足下列條件:

其中，Abrg為錨下混凝土面積，mm2;φ為強度折減系數(shù)，對于后張法錨固區(qū)取0.85;f′ci為張拉預應力時混凝土的抗壓強度，M Pa;λ為混凝土密度調(diào)整系數(shù);Ppu為倍乘后的張拉力，N;fpu為預應力鋼筋的抗拉強度，MPa;Aps為預應力鋼筋的截面積，mm2。

對于中間錨固情況，18.13.5.5款規(guī)定，在非端面錨后應布置足夠的非預應力鋼筋以提供不小于0.35倍的Ppu，即:

其中，fy為非預應力鋼筋的屈服強度，MPa。

2 各規(guī)范局部承壓設(shè)計分析及試驗對比

2.1 各規(guī)范局部承壓設(shè)計分析

1)我國公路橋規(guī)沒有明確考慮錨下劈裂力作用，而是通過錨下配置間接鋼筋對局部承載力提高系數(shù)的方式來體現(xiàn)錨下配筋作用，對集中荷載的偏心作用及其配筋沒有明確規(guī)定。

2)AASHTO和ACI318-05規(guī)范在錨固區(qū)設(shè)計上基本一致，均將錨固區(qū)分為局部區(qū)(Local zone)和一般區(qū)(General zone)進行設(shè)計。在局部區(qū)承載力計算時考慮混凝土三向受力強度提高作用;在一般區(qū)考慮集中荷載的劈裂力作用，采用拉—壓桿模型進行配筋設(shè)計。

3)與 JTG D62-2004，AASHTO 和 BS5400 相比，ACI318-05 考慮了中間錨的情況，提出中間錨錨后應布置足夠的非預應力鋼筋來承擔不小于0.35P的牽拉荷載。

2.2 各規(guī)范局部承壓設(shè)計試驗對比

結(jié)合Sanders，David Howard等所做的試驗[11]，分別按照我國公路橋規(guī)JTG D62-2004和AASHTO規(guī)范的規(guī)定進行極限承載力驗算。結(jié)合具體試件設(shè)計資料，通過驗算結(jié)果進行的分析可知:

1)通過兩種規(guī)范關(guān)于極限承載力結(jié)果與施測結(jié)果的對比可知，JTG D62-2004規(guī)范的計算結(jié)果與AASHTO相比不但偏于不安全，且離散性較大。

2)由試件 B2，B5和B6的驗算結(jié)果可知，JTG D62-2004規(guī)范對間接鋼筋局部抗壓承載力提高作用估計過高，而忽略了集中荷載作用下的劈裂效應，因此導致對試件B2和B5的計算極限承載力嚴重超過實測值，而試件B6的計算極限承載力過于保守。

3)通過中心直錨試驗和偏心錨試驗實測結(jié)果與計算值的對比可知:JTG D62-2004在對錨前劈裂力區(qū)域配有足夠抗劈裂鋼筋構(gòu)件極限承載力計算是比較準確的。而對因錨前劈裂區(qū)配筋不足，造成錨前劈裂破壞試件，按照JTG D62-2004規(guī)范計算出的極限承載力是偏于不安全的;而采用AASHTO規(guī)范中的拉—壓桿方法卻可以比較準確地計算出其極限超載力。

4)拉—壓桿方法可以比較準確地預測出破壞的形式，而JTG D62-2004對此卻無能為力。

3 結(jié)語

1)我國公路橋規(guī)沒有明確考慮錨下劈裂力作用，對集中荷載的偏心作用及其配筋也沒有明確規(guī)定。AASHTO和ACI318-05規(guī)范在錨固區(qū)設(shè)計上基本一致，均將錨固區(qū)分為局部區(qū)(Local zone)和一般區(qū)(General zone)進行設(shè)計。在一般區(qū)考慮集中荷載的劈裂力作用，采用拉—壓桿模型進行配筋設(shè)計。

2)我國公路橋規(guī)JTG D62-2004對錨固區(qū)極限承載力的計算結(jié)果與AASHTO規(guī)范相比不僅偏于不安全，且離散性較大;拉—壓桿方法不僅可以比較準確地計算出破壞荷載，而且還可以預測出具體破壞的形式，而JTG D62-2004對此卻無能為力。

[1] 張文學.預應力混凝土連續(xù)箱梁局部應力分析及拉—壓桿設(shè)計[D].上海:同濟大學橋梁工程系，2005.

[2] 張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 浙江省交通廳公路管理局.預應力混凝土箱型連續(xù)梁橋裂縫調(diào)查分析及防治研究報告[R].2000.

[4] 李江山.預應力連續(xù)箱梁設(shè)計應注意的問題[J].公路，2002，2(2):4-7.

[5] Ben C.Grerwick，Jr.Causes and Prevention of Problems in Large-Case Prestressed Concrete Construction[J].PCI Journal，1982(5):59-75.

[6] Walter Podolny，Jr.The Cause of Cracking in Post-tensioned Concrete Box Girders and Retrofit Procedures[J].PCI Journal.1985(3):82-139.

[7] J.E.Breen，O.Burdet，C.Roberts.Anchorage Zone Reinforcement for Post-tensioned Concrete Girders[R].1991.

[8] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[9] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S].The American Association of State Highway and Transportation Officials，2005.

[10] Building Code Requirementsfor Structural Concrete and Commentary[S].ACI Committee 318，2005.

[11] Sanders，DavidHoward.Design and Behavior of Anchorage Zones in Post-tensioned Concrete Members[D].The University of Texas at Austin，1990.