后张预应力构件的锚固区设计浅析

贾凡鑫

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳110166）

1 概述

后张预应力混凝土的锚固区受到预应力锚固集中力的作用，存在局部承压和应力扩散两类问题，这一区域的应力状态复杂，是混凝土桥梁中的最为典型应力扰动区（Disturbance，D区）之一。

2 基本概念

《公预规》和《AASHTO》两套规范，均将后张预应力混凝土锚固区划分为：局部区（local zone）和总体区（general zone）两个区域，并要求设计者根据其各自的受力特点分别进行计算和设计。

图1 总体区和局部区的划分

2.1 锚下局部区

锚下混凝土受到较大的局部压应力，实际设计中通常采用配置间接钢筋（锚下钢筋网）的方式，使锚下核心区混凝土因处于三向受压状态而提高受压强度，从而提高局部区域混凝土受压承载能力，以满足局部受压的要求。

2.2 锚下总体区

该区域，预应力扩散引起拉应力，包括劈裂力、剥裂力和边缘拉应力，如图所示。

图2 锚固总体区的受拉效应

3 锚下总体区

3.1 劈裂力

后张预应力混凝土梁端部锚固区的总体区内，锚固力从锚垫板向全截面扩散的过程中，会产生横向拉应力，即劈裂力。

图3 锚固总体区劈裂力产生原理

应用力流线数学模型，并引入适当假定，就可以得到锚下劈裂力的数学近似表达式。《公预规》中给出放入单个锚头作用下的劈裂力计算公式为：

对于多锚头情况，《公预规》分别按照“密集锚头”和“非密集锚头”两种不同情形，给出了不同的计算原则和方法。

《公预规》中劈裂力的计算公式与《AASHTO》的对应公式相差不大，但是《公预规》的计算公式进一步考虑了锚点偏心距γ的影响。

3.2 剥裂力

端锚固区内，由锚固力引起的局部压陷和周边变形协调，产生表面剥裂应力，其应力峰值可能高达0.5 倍该锚固力引起的全截面平均压应力，但由表及里迅速衰减。

图4 锚固区附近的变形和表面剥裂力

《公预规》中给出的单个锚头作用下的剥裂力计算公式为：

①普通锚垫板间表面剥裂力计算公式：

②锚垫板间距较大时(S＞0.5h)端面剥裂力公式：

对于剥裂力的计算，《AASHTO》中并未给出具体的计算公式，但给出了取值建议（h 为截面梁高）：“锚垫板间距S＜0.4h时，剥裂力应不小于调整后张拉力的2%；锚垫板间距S≥0.4h时，剥裂力应特殊分析”。

3.3 边缘拉应力

（施工期间分批张拉时）锚垫板在锚固截面偏心距（h/6）较大，在锚垫板对侧混凝土边缘产生拉应力。

图5 端部锚固区的锚固面边缘拉应力

《公预规》中给出的锚下总体区的边缘拉应力计算公式为：

图6 端部锚固区的锚固面边缘拉应力

对于边缘拉应力的计算，《AASHTO》中同样并未给出具体的计算公式，但提供了三种求解方法：即拉- 压杆模型法、弹性分析法以及近似分析法。

3.4 齿块锚固区的局部拉应力

后张预应力三角齿块锚固区存在着集中锚固力的作用、几何形体上的突变以及预应力钢束弯曲引起的径向力作用，是一个受力十分复杂的典型应力扰动区，需要配置钢筋以满足抗裂和承载力的要求。

图7 后张预应力齿块锚固区的五种局部受拉作用

《公预规》根据后张预应力齿块锚固区的五种局部受拉效应：锚下劈裂效应、齿根受拉效应、锚后牵拉效应、局部弯曲效应和径向力效应，并分别给出了相应的计算公式。

相比之下，《AASHTO》中仅给出了锚后牵拉效应的设计原则和具体计算公式。

4 结论

近年来，越来越多的工程实例已经证明，后张预应力构件锚固区应力状态复杂，容易开裂，广大工程师在结构设计时应对其给予足够的重视。

相较《AASHTO》规范而言，新版《公预规》对于后张预应力构件锚固区域设计的各项规定和指导更为全面和具体，所给出的设计原则和计算公式也更具有工程实践的可操作性。

在实际结构设计中，设计者应通过计算分析，确保锚固区相应位置布置的受力钢筋和构造钢筋，可以满足构件整体受力和锚固区局部受力的共同要求。