后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的錨固區(qū)設(shè)計(jì)淺析

賈凡鑫

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110166）

1 概述

后張預(yù)應(yīng)力混凝土的錨固區(qū)受到預(yù)應(yīng)力錨固集中力的作用，存在局部承壓和應(yīng)力擴(kuò)散兩類問(wèn)題，這一區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，是混凝土橋梁中的最為典型應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)（Disturbance，D區(qū)）之一。

2 基本概念

《公預(yù)規(guī)》和《AASHTO》兩套規(guī)范，均將后張預(yù)應(yīng)力混凝土錨固區(qū)劃分為：局部區(qū)（local zone）和總體區(qū)（general zone）兩個(gè)區(qū)域，并要求設(shè)計(jì)者根據(jù)其各自的受力特點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

圖1 總體區(qū)和局部區(qū)的劃分

2.1 錨下局部區(qū)

錨下混凝土受到較大的局部壓應(yīng)力，實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用配置間接鋼筋（錨下鋼筋網(wǎng)）的方式，使錨下核心區(qū)混凝土因處于三向受壓狀態(tài)而提高受壓強(qiáng)度，從而提高局部區(qū)域混凝土受壓承載能力，以滿足局部受壓的要求。

2.2 錨下總體區(qū)

該區(qū)域，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散引起拉應(yīng)力，包括劈裂力、剝裂力和邊緣拉應(yīng)力，如圖所示。

圖2 錨固總體區(qū)的受拉效應(yīng)

3 錨下總體區(qū)

3.1 劈裂力

后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁端部錨固區(qū)的總體區(qū)內(nèi)，錨固力從錨墊板向全截面擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，即劈裂力。

圖3 錨固總體區(qū)劈裂力產(chǎn)生原理

應(yīng)用力流線數(shù)學(xué)模型，并引入適當(dāng)假定，就可以得到錨下劈裂力的數(shù)學(xué)近似表達(dá)式。《公預(yù)規(guī)》中給出放入單個(gè)錨頭作用下的劈裂力計(jì)算公式為：

對(duì)于多錨頭情況，《公預(yù)規(guī)》分別按照“密集錨頭”和“非密集錨頭”兩種不同情形，給出了不同的計(jì)算原則和方法。

《公預(yù)規(guī)》中劈裂力的計(jì)算公式與《AASHTO》的對(duì)應(yīng)公式相差不大，但是《公預(yù)規(guī)》的計(jì)算公式進(jìn)一步考慮了錨點(diǎn)偏心距γ的影響。

3.2 剝裂力

端錨固區(qū)內(nèi)，由錨固力引起的局部壓陷和周邊變形協(xié)調(diào)，產(chǎn)生表面剝裂應(yīng)力，其應(yīng)力峰值可能高達(dá)0.5 倍該錨固力引起的全截面平均壓應(yīng)力，但由表及里迅速衰減。

圖4 錨固區(qū)附近的變形和表面剝裂力

《公預(yù)規(guī)》中給出的單個(gè)錨頭作用下的剝裂力計(jì)算公式為：

①普通錨墊板間表面剝裂力計(jì)算公式：

②錨墊板間距較大時(shí)(S＞0.5h)端面剝裂力公式：

對(duì)于剝裂力的計(jì)算，《AASHTO》中并未給出具體的計(jì)算公式，但給出了取值建議（h 為截面梁高）：“錨墊板間距S＜0.4h時(shí)，剝裂力應(yīng)不小于調(diào)整后張拉力的2%；錨墊板間距S≥0.4h時(shí)，剝裂力應(yīng)特殊分析”。

3.3 邊緣拉應(yīng)力

（施工期間分批張拉時(shí)）錨墊板在錨固截面偏心距（h/6）較大，在錨墊板對(duì)側(cè)混凝土邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖5 端部錨固區(qū)的錨固面邊緣拉應(yīng)力

《公預(yù)規(guī)》中給出的錨下總體區(qū)的邊緣拉應(yīng)力計(jì)算公式為：

圖6 端部錨固區(qū)的錨固面邊緣拉應(yīng)力

對(duì)于邊緣拉應(yīng)力的計(jì)算，《AASHTO》中同樣并未給出具體的計(jì)算公式，但提供了三種求解方法：即拉- 壓桿模型法、彈性分析法以及近似分析法。

3.4 齒塊錨固區(qū)的局部拉應(yīng)力

后張預(yù)應(yīng)力三角齒塊錨固區(qū)存在著集中錨固力的作用、幾何形體上的突變以及預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲引起的徑向力作用，是一個(gè)受力十分復(fù)雜的典型應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，需要配置鋼筋以滿足抗裂和承載力的要求。

圖7 后張預(yù)應(yīng)力齒塊錨固區(qū)的五種局部受拉作用

《公預(yù)規(guī)》根據(jù)后張預(yù)應(yīng)力齒塊錨固區(qū)的五種局部受拉效應(yīng)：錨下劈裂效應(yīng)、齒根受拉效應(yīng)、錨后牽拉效應(yīng)、局部彎曲效應(yīng)和徑向力效應(yīng)，并分別給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

相比之下，《AASHTO》中僅給出了錨后牽拉效應(yīng)的設(shè)計(jì)原則和具體計(jì)算公式。

4 結(jié)論

近年來(lái)，越來(lái)越多的工程實(shí)例已經(jīng)證明，后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，容易開(kāi)裂，廣大工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其給予足夠的重視。

相較《AASHTO》規(guī)范而言，新版《公預(yù)規(guī)》對(duì)于后張預(yù)應(yīng)力構(gòu)件錨固區(qū)域設(shè)計(jì)的各項(xiàng)規(guī)定和指導(dǎo)更為全面和具體，所給出的設(shè)計(jì)原則和計(jì)算公式也更具有工程實(shí)踐的可操作性。

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)通過(guò)計(jì)算分析，確保錨固區(qū)相應(yīng)位置布置的受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，可以滿足構(gòu)件整體受力和錨固區(qū)局部受力的共同要求。