中欧预应力锚具疲劳性能试验研究

陈钰烨 蒋业东

【摘 要】文章介绍了国标GB/T 14370—2015、欧标ETAG 013和EN 13391：2004在预应力锚具疲劳性能试验方面的规定，并以国内某自主品牌锚具作为试验对象，参照ETAG 013、EN 13391：2004对其进行疲劳性能试验，在检验我国自主品牌锚具抗疲劳性能的同时，分析研究中、欧标准在锚具疲劳性能试验方面的差异性。疲劳试验结果表明，我国部分自主品牌锚具抗疲劳性能表现优异，能很好地满足欧洲疲劳性能试验要求，同时针对国标GB/T 14370—2015在锚具疲劳性能试验方面存在的不足提出改进建议。

【关键词】疲劳性能;预应力;锚具;试验

【中图分类号】TU378 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）05-0058-04

0 前言

随着我国预应力混凝土技术的不断发展，预应力锚具产品被广泛应用于道路、桥梁、房建等基础设施领域，其性能可靠性将直接影响工程结构的安全性，其重要性不言而喻。为确保预应力锚具产品质量，我国在1993年制定了自己的国家产品标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370—93），并结合国情相继在2000年、2007年、2015年进行了3次修订，不断完善预应力锚具产品标准，逐步向国际先进标准靠拢。

欧洲标准不仅在欧洲28国执行，国际大预应力公司也多在欧洲，它们在中东、东南亚、澳洲、非洲等国家修建的众多预应力工程也都执行欧洲标准[1]，因此《后张预应力体系欧洲技术认可准则》（ETAG 013）和《后张预应力体系的力学性能试验》（EN 13391：2004）成为当今世界上最获广泛认可与应用的预应力标准规范。《后张预应力体系欧洲技术认可准则》（ETAG 013）是欧洲技术认证组织（EOTA）在2002年发布的，随后欧洲标准化委员会（CEN）在2004年发布了《后张预应力体系的力学性能试验》（EN 13391：2004）。因EN 13391：2004是参考ETAG 013进行编制的，故二者认可准则基本相同，ETAG 013较EN 13391：2004操作规范更详细。

我国新修订的《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370—2015）自2016年8月实施至今已有3年，其在锚具静载锚固性能、锚固区传力性能等方面，已与ETAG 013和EN 13391：2004基本保持一致，但在疲劳性能试验方面仍存在较大差别。

本文拟通过对比GB/T 14370—2015与ETAG 013、EN 13391：2004在锚具疲劳性能试验方面的要求，并以国内某自主品牌锚具作为试验对象，参照ETAG 013、EN 13391：2004要求進行疲劳性能试验，在检验我国自主品牌锚具抗疲劳性能的同时，分析研究中、欧标准在锚具疲劳性能试验方面的具体差异。

1 中、欧疲劳性能试验要求对比

为清晰地对比GB/T 14370—2015与ETAG 013、EN 13391：2004在疲劳性能试验方面的差别，将其试验方法和要求分项列入表1。

从表1对比得出以下结论。

（1）GB/T 14370—2015与ETAG 013、EN 13391：2004在试验应力上限、最小应力幅、循环次数、试样破坏情况要求基本一致。

（2）在预应力筋安装根数要求方面，GB/T 14370—2015对于当疲劳试验机能力不够时，必须安装的预应力筋根数比ETAG 013、EN 13391：2004略多些，对试验效果影响不大。

（3）在试验次数方面，对于系列产品大中小试验规格的选取规则存在稍许差异，GB/T 14370—2015考虑到试验结果可能存在一定的偶然性，为保证试验结果的稳定性和准确性，因此规定每种规格需进行3次试验，试验组数较ETAG 013、EN 13391：2004多1～2组。

（4）在试验前试件安装要求方面，GB/T 14370—2015与ETAG 013、EN 13391：2004存在明显差异。具体表现如下：GB/T 14370—2015没有制定针对疲劳试验的具体安装要求，仅在“试验用预应力筋—锚具、夹具或连接器组装件”的一般规定中要求各根预应力筋应平行受拉;而ETAG 013、EN 13391：2004明确要求需模拟实际工况中预应力筋-锚具组装件的预应力筋在锚具内及在波纹管入口处发生的偏折和部件与预应力筋的相对运动，意味着锚具厂家不仅要保证在荷载变动下锚板与夹片对预应力筋具有良好的夹持锚固性能，还需考虑预应力筋偏折引发的局部应力集中及预应力筋在荷载作用下与锚口发生反复摩擦对整个试验的影响，故其试验难度相对GB/T 14370—2015更大，对预应力锚固体系的锚固性能提出更高的要求。

2 疲劳性能试验

2.1 试验方法

试验参照欧洲标准ETAG 013、EN 13391：2004有关规定进行。

2.2 试样选择

（1）锚具规格：选取最常用的产品规格型号为15系列12孔预应力锚具组件进行本次试验。

（2）钢绞线规格：选用欧洲国家常用规格型号1×7-15.70，强度级别为1 860 MPa，公称截面面积为150 mm2的钢绞线。

（3）产品厂家：锚具组件和预应力筋均选用国内自主品牌产品。

（4）制作混凝土试件的混凝土标号：采用项目张拉施工常用的C50混凝土。

2.3 试验前混凝土试件准备

（1）制作混凝土试件，混凝土试件内包含锚垫板、喇叭管、一小截波纹管、螺旋筋和辅助钢筋（如图1所示）。为更好地验证产品性能，消除偶然性因素对试验结果的影响，本次试验按ETAG 013、EN 13391：2004最高试验组数要求进行两组试验，同时制作2块混凝土试件。

（2）混凝土试件在浇筑1 d后拆模进行湿养护，待混凝土试件强度达到设计强度50 MPa后开始试验。

2.4 试验步骤

（1）把锚具组装件（如图2所示）装到疲劳试验机上，预紧每根钢绞线，并加载至80% fpk。在试验正式开始前加载应力至80% fpk，其目的是为了让夹片能稳定地夹紧钢绞线，降低夹片在试验过程中在交变应力作用下发生松脱导致夹持失效的概率。

说明：受疲劳试验机安装空间所限，疲劳试验机下端高度不够，无法安装混凝土试件，因此在疲劳试验机上端操作平台上安装混凝土试件、工作锚板和工作夹片，在疲劳试验机的下端仅安装工作锚板和工作夹片，为更贴近实际使用工况，在此端增设一个与波纹管材质、内径尺寸完全相同的约束圈，用来模拟预应力筋在波纹管入口处发生的偏折，约束圈到工作锚板的距离L与混凝土试件中工作锚板到波纹管入口的距离保持一致。

（2）卸载，以不超过10 Hz的恒定加载频率加载至试验应力上限值maxF=6×279×0.65=1 088.1 kN。应力幅度ΔF=maxF-minF=72 kN在整个试验过程中保持不变。在应力幅度为80 MPa的水平上进行200万次荷载循环试验。

试件在试验中应避免二次摆动。在组装试件并将试件安装上试验机时应特别注意，以确保加载力能均匀地分配给受拉预应力筋。

2.5 试验结果及分析

2.5.1 混凝土立方体试块抗压强度

试验开始时同条件养护混凝土立方体试块（150 mm×150 mm×150 mm）抗压强度见表2。

2.5.2 疲劳性能试验结果及分析

2.5.2.1 疲劳性能试验结果

两组试件的疲劳性能试验结果见表3，试验后试样情况如图4所示。

2.5.2.2 试验结果分析

（1）完成疲劳性能试验后，拆除钢绞线，拆开锚具组装件，仔细检查工作锚板、工作夹片和钢绞线等零件情况发现，钢绞线表面除了有正常的夹片夹持咬合痕迹，以及在与波纹管贴合处有轻微刮痕外，各零件无破损，试验完全满足标准要求，证明国内一些自主品牌锚具的抗疲劳性能表现优异，能很好地满足欧洲疲劳试验要求。

（2）试验后钢绞线表面与波纹管贴合处有刮痕，证明锚具锚口处设计也是影响锚具抗疲劳性能的因素之一，如锚垫板高度设计过低，易导致预应力筋在锚垫板喇叭口转角处的弯折角度偏大，当预应力筋在此处受到的挤压应力超过限值时，极易产生微裂纹，微裂纹在交变应力作用下逐渐缓慢扩展，最终导致预应力筋发生剪切破坏，试验失敗。欧标ETAG 013、EN 13391：2004的疲劳性能试验综合考虑了锚口处对锚具抗疲劳性能的影响，检验了锚具的锚口设计是否合理，更具科学性，而国标GB/T 14370—2015虽提出“与预应力筋中心线偏角最大的预应力筋应包含在试验范围内，但在具体试验安装操作方法上却没有给出详细、明确的要求，造成在实际试验操作时存在不确定性，易被一些不法锚具厂家钻空子，这些不法锚具厂家为降低产品成本，随意减小锚垫板高度，而在疲劳性能试验中仅采用锚板和夹片进行试验，致使锚垫板高度减小后产品依然能顺利通过国标GB/T 14370—2015疲劳性能试验。这些问题产品如果被应用在工程上，将给工程带来严重的安全隐患。建议国标GB/T 14370—2015在今后修订中增加具体试验方法要求，以减少由于试验方法不明确所造成的试验结果差异，同时消除产品安全隐患。

（3）在两组试验结束后，观测到约束圈一端的钢绞线，其与约束圈接触面表面刮痕均较波纹管处端浅，其深度约为波纹管处的1/3，反映出约束圈与混凝土试件两者在对试验效果影响方面存在一定的差异性，约束圈较混凝土试件更有利于试验的通过。目前，一些项目因受到试验筹备期较短或受试验条件所限，或锚具厂家基于试验时间、试验成本等方面的考虑，在进行锚具疲劳性能试验时，采用在锚具两端均安装约束圈的方式替代混凝土试件进行试验。本次试验结果表明在锚具两端完全采用约束圈模拟混凝土试件进行试验的方法有待商榷。

3 结语

我国属强震多发国家，预应力锚具疲劳性能试验作为预应力筋-锚具组装件可靠性和耐久性的重要评判指标，更值得我们加以关注和重视。国内预应力技术经过几十年的发展，取得了长足的进展，技术水平获得显著地提升，部分产品性能已经完全达到甚至超过国际标准要求，但由于我国标准指标要求低于国际相关标准要求，所以当锚具厂家拟进行锚具产品出口时，按我国标准进行的试验报告不被国外客户所接受，需要重新按国际先进标准进行检验，标准不接轨在一定程度上制约了锚具产品出口，不利于我国锚具产品走出国门参与国际市场的竞争，建议在今后国标GB/T 14370—2015修订中，对标国际先进标准，提高我国在锚具疲劳性能方面的要求，在进一步提高产品安全性的同时，提升中国标准与国际先进标准的一致性水平，助推中国制造、中国品牌国际竞争力提升。

参 考 文 献

[1]陈茜，冯大斌，于滨，等.国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》新增内容解读[J].建筑科学，2015，31（9）.

[2]GB/T 14370—2015，预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].

[3]ETAG 013：2002，Guideline for European Techanical Approval of Post-tensioning Kits for Prestressing of Structures[S].

[4]EN 13391：2004，Mechanical Tests for Post-tensi-oning Systems[S].