国内外预应力混凝土锚固区设计规范对比分析*

孙福杰

预应力混凝土锚固区受力分析及设计问题一直是各国预应力混凝土领域研究的热点问题[1-6]，并提出了相应的设计规范，但各国研究方法和结果之间目前仍存在较大差异。不同国家的设计结果显示，各个设计参数的范围变化很大。劈裂力范围为49.5 kN～440 kN;劈裂力区范围为170 mm～850 mm;所需配筋面积范围为207 mm2～2 000 mm2。从中可以看出，在预应力锚固区设计问题上各国的规范之间存在较大差异，造成安全隐患是难免的。因此有必要从设计规范角度对其开裂原因进行探讨，以便提高今后的设计质量，增强结构的耐久性。

1 国内外混凝土局部承压设计

1.1 JTG D62-2004局部承压区设计

我国钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范为防止局部受压区配置过多的间接钢筋，在极限荷载作用下局部承压区产生过大的受压变形，第5.7.1条规定对配有间接钢筋的混凝土构件，其局部受压区的截面尺寸应满足下列要求:

对配置间接钢筋的局部承压构件，第5.7.2条规定其局部抗压承载力为:

式中各符号详见文献[8]。

1.2 AASHTO局部承压区设计

AASHTO规范将锚固区分为局部区(Local zone)和一般区(General zone)，在设计时应考虑锚固端面的胀裂力和偏心锚所引起的构件侧面纵向拉力效应，在设计一般区域时要考虑和局部区域的协调，在设计锚固区时可用以下方法:1)拉—压杆方法;2)精确的应力分析;3)其他的近似方法[9]。

1)局部区设计。

局部区如图1所示，其承载能力为:

其中，φ为抵抗系数;A为计算底面积;Ag为锚垫板的毛面积，没扣除孔道部分;Ab为锚垫板扣除了孔道后的面积;f′ci为张拉预应力时混凝土抗压强度。

2)一般区设计——拉—压杆法。

AASHTO规范认为在锚固区内的荷载传递路径可以通过拉—压杆来近似地模拟。所选取的拉—压杆模型应该能够考虑到所有的荷载作用效果，以便将施加在锚具上的荷载传递到整个结构中。在采用拉—压杆模型进行一般区设计时，压杆混凝土抗压强度不能超过0.7φ f′ci，拉杆由普通钢筋和预应力钢筋组成，钢筋应尽可能按照拉—压杆模型所假设的拉力方向和位置布置。

1.3 ACI318-05局部承压区设计

ACI318-05规范第18章关于后张法预应力锚固区设计的规定是1999版的更新，参考了AASHTO公路标准规范和NCHRP报告356，因此ACI318-05与AASHTO规范在锚固区的分析及设计上基本是一致的。与AASHTO不同的是ACI318对如图2所示的中间锚问题做了明确规定[10]。

ACI318第18.13.2款对于局部区规定混凝土的压应力应满足下列条件:

其中，Abrg为锚下混凝土面积，mm2;φ为强度折减系数，对于后张法锚固区取0.85;f′ci为张拉预应力时混凝土的抗压强度，M Pa;λ为混凝土密度调整系数;Ppu为倍乘后的张拉力，N;fpu为预应力钢筋的抗拉强度，MPa;Aps为预应力钢筋的截面积，mm2。

对于中间锚固情况，18.13.5.5款规定，在非端面锚后应布置足够的非预应力钢筋以提供不小于0.35倍的Ppu，即:

其中，fy为非预应力钢筋的屈服强度，MPa。

2 各规范局部承压设计分析及试验对比

2.1 各规范局部承压设计分析

1)我国公路桥规没有明确考虑锚下劈裂力作用，而是通过锚下配置间接钢筋对局部承载力提高系数的方式来体现锚下配筋作用，对集中荷载的偏心作用及其配筋没有明确规定。

2)AASHTO和ACI318-05规范在锚固区设计上基本一致，均将锚固区分为局部区(Local zone)和一般区(General zone)进行设计。在局部区承载力计算时考虑混凝土三向受力强度提高作用;在一般区考虑集中荷载的劈裂力作用，采用拉—压杆模型进行配筋设计。

3)与 JTG D62-2004，AASHTO 和 BS5400 相比，ACI318-05 考虑了中间锚的情况，提出中间锚锚后应布置足够的非预应力钢筋来承担不小于0.35P的牵拉荷载。

2.2 各规范局部承压设计试验对比

结合Sanders，David Howard等所做的试验[11]，分别按照我国公路桥规JTG D62-2004和AASHTO规范的规定进行极限承载力验算。结合具体试件设计资料，通过验算结果进行的分析可知:

1)通过两种规范关于极限承载力结果与施测结果的对比可知，JTG D62-2004规范的计算结果与AASHTO相比不但偏于不安全，且离散性较大。

2)由试件 B2，B5和B6的验算结果可知，JTG D62-2004规范对间接钢筋局部抗压承载力提高作用估计过高，而忽略了集中荷载作用下的劈裂效应，因此导致对试件B2和B5的计算极限承载力严重超过实测值，而试件B6的计算极限承载力过于保守。

3)通过中心直锚试验和偏心锚试验实测结果与计算值的对比可知:JTG D62-2004在对锚前劈裂力区域配有足够抗劈裂钢筋构件极限承载力计算是比较准确的。而对因锚前劈裂区配筋不足，造成锚前劈裂破坏试件，按照JTG D62-2004规范计算出的极限承载力是偏于不安全的;而采用AASHTO规范中的拉—压杆方法却可以比较准确地计算出其极限超载力。

4)拉—压杆方法可以比较准确地预测出破坏的形式，而JTG D62-2004对此却无能为力。

3 结语

1)我国公路桥规没有明确考虑锚下劈裂力作用，对集中荷载的偏心作用及其配筋也没有明确规定。AASHTO和ACI318-05规范在锚固区设计上基本一致，均将锚固区分为局部区(Local zone)和一般区(General zone)进行设计。在一般区考虑集中荷载的劈裂力作用，采用拉—压杆模型进行配筋设计。

2)我国公路桥规JTG D62-2004对锚固区极限承载力的计算结果与AASHTO规范相比不仅偏于不安全，且离散性较大;拉—压杆方法不仅可以比较准确地计算出破坏荷载，而且还可以预测出具体破坏的形式，而JTG D62-2004对此却无能为力。

[1] 张文学.预应力混凝土连续箱梁局部应力分析及拉—压杆设计[D].上海:同济大学桥梁工程系，2005.

[2] 张继尧，王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 浙江省交通厅公路管理局.预应力混凝土箱型连续梁桥裂缝调查分析及防治研究报告[R].2000.

[4] 李江山.预应力连续箱梁设计应注意的问题[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，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[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.