锚固区传力性能试验《土木工程学报》090812资料.docx
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锚固区传力性能试验《土木工程学报》090812资料
配置铸造垫板的预应力混凝土锚固区传力性能试验
赵勇1,李东彬2,程志军2,朱万旭3
(1.同济大学建筑工程系,上海200092;2.中国建筑科学研究院,北京100013;
3.柳州欧维姆机械股份有限公司,柳州545005)
摘要:
进行了38个试件的单调加载或循环加载试验,研究配置整体铸造垫板的预应力混凝土锚固区传力性能,包括破坏模式、开裂荷载、极限荷载和裂缝宽度等,并进行了相关影响参数分析。
试验和分析结果表明,大多数试件的极限荷载能达到预应力筋极限抗拉力标准值(Fptk),但仅有少数能达到1.2Fptk;配置方形和圆形垫板试件的极限荷载试验值与规范GB50010-2002的计算值之比平均分别为0.84和1.28;试件开裂和极限荷载并不与垫板的重量或端面面积成正比,喇叭管上设置二次翼缘可有效提高极限承载力;增大螺旋筋圈径对开裂荷载影响很小,但可提高试件极限承载力并减小劈裂裂缝宽度;表层箍筋的配置可提高试件开裂荷载并有效控制劈裂裂缝宽度;单调加载试件的极限荷载约为循环加载试件的1.1倍。
关键词:
预应力混凝土锚固区;锚垫板;铸造锚垫板;传力性能试验;单调加载试验;循环加载试验
ExperimentalStudyonLoadTransferBehaviorsofPost-tensionedconcreteAnchorageZonewithCastingBearingPlate
ZHAOYong1,LIDongbin2,CHENGZhijun,ZHUWanxu3
(1.DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092;2.ChinaAcademicofBuildingResearch,Beijing100013;3.LiuzhouOVMMachineryLimitedLiabilityCompany,Liuzhou545005)
AbstractThirty-eightspecimensweretestedundermonotonicorcyclicloadingtoinvestigatetheloadtransferbehaviorsofpost-tensionedconcreteanchoragezoneswithcastingbearingplate,includingtheirfailurepatterns,crackingloadsandultimateloads,whilesomerelativeparameterswerestudied.Theresultsoftestandanalysisshowthattheultimateloadsofmostspecimensweregreaterthanthenominalultimatetensileforceofpre-stressedtendons(Fptk),butafewonescouldreach1.2Fptk.Forultimateloadofthespecimenswithsquareandcirclesurfaceplates,theaverageratiosoftestvaluesandpredictedvaluesbythedesigncodeGB50010-2002were0.84and1.28respectively.Thecrackingandultimateloadsdidnotincreaseproportionallywhentheweightorsurfaceareaofbearingplatesenlarge.Castingbearingplatewithmultiplebearingsurfacessubstantiallyimprovedultimateloadwhencomparedwithsinglebearingsurfaceplate.Itcouldimprovetheperformanceofspecimenintermofbothultimateloadandcrackwidthcriteriatoenlargethediameterofspiralreinforcement,althoughthecrackingloadwaslessaffected.Thesupplementaryskinreinforcementdidsomewhatimprovethecrackingloadandsubstantiallyreducethecrackwidth.Theultimateloadofmonotonicloadingtestwasnearly1.2timesofthecomparativeresultsofcyclicloadingtest.
KeyWordspost-tensionedconcreteanchoragezone;bearingplate;castingbearingplate;loadtransfertest;monotonicloadingtest;cyclicloadingtest
1引言
后张预应力混凝土结构中,用以承受锚具传来的预加力并传递给锚固区混凝土的部件称为锚垫板[1],其中将锚具传来的预加力直接传递给混凝土的钢板称为普通垫板,而将端板和喇叭管铸造为一体的锚垫板称为铸造垫板(图1),而按照美国规范ACI318-08[2],铸造垫板可划归为专用垫板。
有限元分析结果表明,配置普通垫板和铸造垫板的局部锚固区受力有很大区别,其中在普通垫板后较小区域内会存在非常高的压应力,而铸造垫板带翼缘的喇叭管可以起到将压应力传递和扩散的作用,使得铸造垫板后的压应力更为均匀(图2)。
因此,根据普通锚垫板试验建立起来的规范GB50010-2002公式[3]对铸造锚垫板锚固区的局部受压承载力计算是否适用值得商榷。
为研究配置铸造垫板锚固区传力性能,分析国内不同锚具产品的差异,并为国内《后张预应力锚固区传力性能检验标准》[1]的修订提供试验基础,课题组分四批进行了38个试件的预应力锚固区传力性能试验。
(a)普通垫板(b)整体垫板
图1普通垫板和整体垫板锚固装置示意
Fig.1Schematicdiagramofbasicandspecialanchoragedevices
(a)普通垫板(b)整体垫板
图2不同锚垫板下混凝土的压应力
Fig.2Compressivestressesunderdifferencebearingplates
2试件和加载
2.1试件概况
四批试验(记为A~C)分别在同济大学和柳州欧维姆机械股份有限公司的试验室进行。
试件的主要参数见表1,主要考虑锚具产品类型、螺旋筋和附加表层箍筋配筋情况、试件尺寸、混凝土强度以及加载方式等参数。
如表2所示,试件中所采用的锚垫板和螺旋筋分别为国内4个厂家的有代表性的7种类型的7孔锚具产品(记为M1~M7),相应的预应力筋极限抗拉力标准值Fptk为1810kN。
试件均为轴心受压的棱柱体,长度h为横截面边长a的2倍,大部分试件周边配置有附加表层箍筋,试件中波纹管内径为65mm(图3),设计混凝土强度等级为C40。
为保证试件底面平整,采用倒立方式浇注混凝土(图4),浇筑三天后拆模,然后进行湿养护直至试验,四批试验的混凝土养护时间分别约为14天、21天和28天和14天。
试验过程中,主要量测了0.4
和0.8
加载工况下试件侧面裂缝宽度、观察1.0
加载工况下垫板是否有裂纹并记录极限荷载值,此外,对部分试件侧面的横向和竖向应变以及端面轴向压缩变形进行了测试。
图3试件尺寸和配筋图4试件制作
Fig.3DetailingofSpecimenFig.4Fabricationofspecimen
表1试件主要参数
Table1Mainpropertiesofspecimens
序号
加载端0.5h高度范围表层箍筋
附加
纵筋
试件边长a(mm)
/MPa
加载
方式
配筋情况
体积配筋率
A-1
无配筋
0
410
300
43.8
1.44
单调
A-2
10@60
1.57%
410
300
43.8
1.44
单调
A-3
8@125
0.50%
410
300
43.8
1.44
单调
A-4~8
10@125
0.79%
410
300
43.8
1.44
单调
A-8
10@125
0.79%
410
300
43.8
1.44
循环
B-1~10
10@150
0.66%
410
300
28.5
1.00
单调
B-11,12
10@150
0.50%
410
400
28.5
1.74
单调
C-1~9
6@50
0.59%
412
350
37.3
1.77
单调
C-10,12
无配筋
0
412
350
37.3
1.77
单调
C-11
10@140
0.59%
412
350
37.3
1.77
单调
D-1,3,5
6@50
0.52%
412
370
37.6
1.78
单调
D-2,4,6
6@50
0.52%
412
370
37.6
1.78
循环
注:
表中
为同条件养护的混凝土立方体抗压强度平均值,
为试件按规范GB50010-2002[3]计算的轴心受压承载力。
表2试件的垫板和螺旋筋
Table2Anchoragedevicesofspecimens
序号
垫板
螺旋筋
编号
A/D
/mm
重量
/kg
二次翼缘
I
/mm
s
/mm
k
/mm
圈数
备注
A-1~4,8
M1(方)
194
7.0
无
220
38
14.5
5
1.01
原配
A-5
M2(方)
206
9.4
无
210
53
13.5
4
0.82
原配
A-6
M3(方)
180
6.1
有
214
60
14.7
5
1.11
原配
A-7
M4(方)
190
7.4
有
200
50
12.0
5
0.87
原配
B-1
M1(方)
194
7.0
无
227
43
13.4
5
1.08
原配
B-2
M1(方)
194
7.0
无
230
52
14.1
5
1.10
Q345
B-3
M1(方)
194
7.0
无
253
54
14.1
5
1.34
Q345
B-4
M2(方)
206
9.4
无
210
53
13.5
4
0.82
原配
B-5
M2(方)
206
9.4
无
230
52
14.1
5
0.98
Q345
B-6
M3(方)
180
6.1
无
214
60
14.7
5
1.11
原配
B-7
M3(方)
180
6.1
无
230
52
14.1
5
1.28
Q345
B-8
M6(方)
169
5.5
有
200
48
13.0
4
1.10
原配
B-9
M6(方)
169
5.5
有
230
52
14.1
5
1.45
Q345
B-10
M5(圆)
174
6.1
有
210
53
13.5
4
1.46
原配
B-11
M1(方)
194
7.0
无
220
38
14.5
5
1.01
原配
B-12
M6(方)
169
5.5
有
200
48
13.0
4
1.10
原配
C-1
M7(圆)
176
5.5
有
220
38
14.5
5
1.56
原配
C-2
M7(圆)
176
5.5
有
272
53
14.4
6
2.39
Q345
C-3
M7(圆)
176
5.5
有
274
59
14.5
6
2.42
HRB400
C-4
M5(圆)
174
6.1
有
210
53
13.5
4
1.46
原配
C-5
M5(圆)
174
6.1
有
272
53
14.4
6
2.44
Q345
C-6
M5(圆)
174
6.1
有
274
59
14.5
6
2.48
HRB400
C-7
M2(方)
206
9.4
无
210
53
13.5
4
0.82
原配
C-8
M2(方)
206
9.4
无
272
53
14.4
6
1.37
Q345
C-9~11
M2(方)
206
9.4
无
274
59
14.5
6
1.39
HRB400
C-12
M7(圆)
176
5.5
有
274
59
14.5
6
2.42
HRB400
D-1~6
M5(圆)
174
6.1
有
210
53
13.5
4
1.46
原配
注:
表中
为局部受压面积,
为螺旋筋内混凝土核心面积,
2.2加载方式和装置
对锚固区传力性能检验试验的加载方式有三种:
其一为单调加载,为美国后张预应力协会PTI[4]所采用;其二为循环加载,为欧洲认证机构ETA[5]所采用;其三为持荷加载,为美国公路和运输协会AASHTO[6]所采用,另外AASHTO[6]也接受前两种加载方式。
本次试验中,除A-8、D-2、D-4和D-6四个试件为循环加载外,其余均为单调加载。
对于单调加载,荷载为从0加载到0.4Fptk,持荷10分钟之后加载到0.8Fptk,持荷10分钟后继续加载直至试件破坏(图5(a))。
对于循环加载,荷载以增量0.2Fptk从0逐级加载到0.8Fptk,然后卸载到0.12Fptk,进行10次循环加载,加载的最高点为0.8Fptk,最低点为0.12Fptk,最后逐渐加载直至试件破坏(图5(b))。
采用5000kN压力机上进行加载(图6),为保证试件底部受力均匀,在试件底部铺有中细砂,并为避免出现偏心加载,在初始加载阶段,通过加载面的轴压变形测试结果对试件位置和加载面进行微调。
(a)单调加载(b)循环加载
图5加载方式
Fig.5Testprocedures
图6试件和加载装置
Fig.6Loadingdeviceandspecimen
3试验结果
3.1试件破坏过程和结果
试件加载过程裂缝的出现、发展以及试件最后破坏可以分为以下几个阶段:
(1)加载到0.3
前,试件表面均未有可见裂缝出现;
(2)大多数试件在0.3
~0.4
期间会出现开裂,试件的首条裂缝为垂直于加载面的竖向劈裂裂缝,出现在侧面中心距离加载端面a/2附近;加载到0.4
时,劈裂裂缝大多不超过0.05mm,长度在30mm左右;(3)随着荷载的增大,该裂缝迅速向两边扩展,宽度也逐渐增大,而且有些试件侧面还会出现一些新的裂缝,如在加载端面附近的平行于加载面的横向裂缝、次生的竖向裂缝以及斜裂缝等;(4)加载到0.8
时,第一条竖向裂缝已经扩展到端部,而且有些试件端部的横向裂缝也向两侧面发展;在0.8
加载持荷阶段,裂缝在初期仍有所发展,但约5分钟后,裂缝分布、宽度和长度基本稳定;(5)除少数试件外,大多试件的极限荷载均可超过0.8
,但加载到1.0
后,试件侧面出现明显的主裂缝,大多数试件的主裂缝为首条劈裂裂缝,但有些为横向裂缝;(6)试件达到极限荷载后缓慢卸载过程中,也会出现一些新的裂缝,特别是加载端面的对角裂缝和试件中部的竖向裂缝。
各试件的开裂荷载Fcr、极限荷载Fu以及0.4
和0.8
工况的裂缝宽度见表3和4,其中上标t和c分别表示试验值和规范GB50010-2002的计算值,表4中的循环加载试件的裂缝宽度为第10次循环的测试结果。
表3循环加载试件裂缝宽度试验结果
Table3Crackwidthresultsofcyclicloadingtest
试件
裂缝(mm)/循环次数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
D-2
0.08
0.10
0.14
0.16
0.18
0.20
0.20
0.22
0.22
0.22
0.22
D-4
0.10
0.12
0.16
0.20
0.20
0.20
0.22
0.22
0.22
0.24
0.24
D-6
0.20
0.24
0.26
0.26
0.26
0.28
0.28
0.30
0.30
0.30
0.32
A-8
0.18
0.20
0.22
0.23
0.25
0.25
0.26
0.27
0.27
0.27
0.27
表4主要试验结果
Table4Testresults
试件
裂缝宽度(mm)
试件
裂缝宽度(mm)
A-1
0.34
0.67
1.31
0.58
/
B-12
0.40
0.83
0.95
/
/
A-2
0.58
1.27
1.31
0.00
0.07
C-1
0.40
1.00
1.07
0.04
0.36
A-3
0.40
0.95
1.31
0.06
0.48
C-2
0.40
1.13
1.55
0.02
0.12
A-4
0.40
1.01
1.31
0.04
0.21
C-3
0.40
1.11
1.55
0.02
0.16
A-5
0.40
1.13
0.96
0.03
0.13
C-4
0.38
1.08
1.12
0.07
0.18
A-6
0.56
1.12
1.06
0.04
0.21
C-5
0.38
1.17
1.09
0.03
0.14
A-7
0.54
1.07
0.87
0.05
0.26
C-6
0.41
1.17
1.12
0.00
0.10
A-8
0.54
1.07
1.31
0.04
0.27
C-7
0.35
0.99
0.92
0.07
0.37
B-1
0.53
0.93
0.97
/
/
C-8
0.36
1.09
1.08
0.04
0.18
B-2
0.56
0.83
0.67
/
/
C-9
0.40
1.11
1.10
0.03
0.15
B-3
0.45
0.81
1.22
/
/
C-10
0.35
1.04
0.96
0.03
0.18
B-4
0.51
0.89
0.90
/
/
C-11
0.35
1.04
1.49
0.04
0.18
B-5
0.47
0.93
1.13
/
/
C-12
0.33
1.09
1.55
0.04
0.20
B-6
0.49
0.86
1.11
/
/
D-1
0.66
1.21
0.92
0.00
0.12
B-7
0.50
0.86
0.75
/
/
D-2
0.54
1.11
0.92
0.00
0.22
B-8
0.53
0.71
1.12
/
/
D-3
0.59
1.15
0.92
0.00
0.10
B-9
0.55
0.78
0.83
/
/
D-4
0.55
1.14
0.92
0.00
0.24
B-10
0.54
0.81
1.03
/
/
D-5
0.62
1.15
0.92
0.00
0.08
B-11
0.66
0.93
0.76
/
/
D-6
0.60
1.10
0.92
0.00
0.32
注:
由于第二阶段试验的混凝土强度偏低,导致试件的裂缝发展很快,故第二阶段的试件只观测了极限荷载,没有观测裂缝宽度。
3.2试件和垫板破坏模式
由于试件的尺寸、螺旋筋和表层钢筋配筋情况、垫板的形状以及混凝土强度的不同,在加载过程以及达到极限荷载后,各试件出现了形态各异的裂缝,而且其破坏模式也有差异。
这些裂缝形态和破坏模式主要有:
竖向劈裂裂缝、端部横向裂缝、锚下楔形裂缝、底部竖向裂缝、加载端面斜裂缝以及底部压碎等(图7)。
垫板承受两方面非常大的荷载,一方面承受锚板施加的局部压力,另一方面承受锚下混凝土产生的反向压力。
对于极限荷载大于1.0
的试件,在加载到1.0
时均未见有裂纹出现。
试件破坏时,对于试件配置大圈径螺旋筋的圆锚试件(如试件C-5、C-6和D1~6),垫板无可见裂纹且沉陷不明显,但其他试件破坏时,垫板也出现了以下三种情况的破坏:
(2)翼缘开裂且上翘,出现较为明显的沉陷(图8(a)),这种情况主要出现在配置小圈径螺旋筋的大端面方锚试件(如C-4);
(2)翼缘开裂,有一定沉陷(图8(b)),大多数配置原配螺旋筋的试件的垫板都出现这种破坏;(3)限位环根部冲切开裂(图8(c))。
(a)竖向劈裂裂缝(b)端部横向裂缝(c)锚下楔形裂缝
(d)底部竖向裂缝(e)底部压碎(f)端面斜裂缝
图7典型的裂缝形态和破坏模式
Fig.7Typicalcrackandfailurepatternsofspecimens
(a)垫板开裂且翼缘上翘(b)垫板开裂(c)限位环根部冲裂
图8垫板破坏情况
Fig.8Typicaldestructionpatternsofbearingplates
4试验结果分析
4.1压缩变形和裂缝宽度
图9和图10分别为部分试件荷载-轴向压缩变形变化曲线和荷载-裂缝宽度变化曲线,可以看到,加载到0.8
前,荷载-变形和荷载-裂缝宽度基本为线性变化,之后构件轴向刚度大为减小,荷载上升缓慢,变形增加迅速,裂缝宽度也明显增大,表现为一定的延性破坏特征。
按照美国后
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