高强混凝土锚固区的破坏损伤研究

摘要 文章围绕预应力混凝土锚固区的传力大小进行研究，为了确定UHPC明显区别于普通混凝土的特征，首先选取不同钢筋含量的构件，对应力分布、变形和PS锚固区开裂规律进行了试验研究；然后根据钢筋的不同类型，对破裂应力的分布、试样的应力和纵向位移进行了观察，确保所有试样均满足相应标准，且其应力分布与普通混凝土构件的后张法预应力PS锚具的应力分布一样。由于UHPC钢纤维的桥联作用，相较于普通混凝土应用时的情况，其纵向裂纹长度高达两倍且其横截面尺寸和宽度比普通混凝土还小。结果表明，对超高性能混凝土的高强度开发，确保在不需要特别的加强装置的同时能够保证锚固性能的安全。

关键词 UHPC；PS锚固区；荷载传递测试；爆破力；分裂力

中图分类号 U414 文献标识码 B 文章编号 2096-8949（2024）22-0120-03

0 引言

该文拟对使用了由成熟的UHPC材料构成的预应力混凝土构件的锚固区进行评估。为了达成这个目标并评估其适用性，分别制成无锚固装置和约束钢筋的试样、只有锚固装置的试样，以及有锚固装置且有约束钢筋锚固的试样，从而核对在试样中形成的拉力、纵向位移和裂纹，并对由UHPC材料构成的预应力混凝土构件的锚固区性能及其设计的载荷安全指数进行评估[1-3]。

1 锚固性能试验

1.1 测试变量

混合有UHPC的钢纤维的桥接作用，可以在锚固区实现由横向约束箍筋形成的约束效应，并且还能被利用以减少约束钢量[4]。因此，该研究选择测试变量评估，通过简化锚固区的钢筋配置细节，减少钢筋的数量和减少普通混凝土构件的尺寸，以实现预应力混凝土材料经济性设计的可能性。制成三种含有锚固区的试样和传统的后张混凝土试样，以比较其与普通混凝土的机械性能。为了验证超高性能混凝土的高强度并评估其适用性，制作了不含螺旋钢筋和锚固的试样、含有锚固但不含螺旋钢筋的试样。试样使用了K-UHPC材料，钢纤维混合比例分别为1%和2%，以评估钢纤维混合比对拉伸效果的影响。

1.2 试验方案

决定锚固区最终加固程度的标准是在锚固区的拉力分布情况[5]。在此，爆破力和边缘拉应力分别指在锚固区横向作用于筋轴的拉力，以及在锚固区作用于纵向竖边和侧边的拉应力，侧边是用于锚固的一面。换言之，沿侧边的拉力称为分裂力，而作用于沿纵向边缘的拉伸力定义为纵向边缘拉力。

测试的主要目的是评估拉伸力的大小，并确定最大拉应力发生的位置。通过对锚板相对尺寸的有限元分析，确定了在UHPC锚固区的爆破力和最大值位置的应力分布规律。后张法预应力UHPC材料的性能类似于普通混凝土，并证实了随着锚板尺寸与材料横截面积比例的增加，最大爆破应力发生位置更接近于承受面，这个位置在0.3b和0.5b之间进行变化（b为横截面的宽度）。此外，对于超过1.0b的位置，压力减小到一个接近于0 MPa的值，而承载方式看起来并没有明显效果。

2 超高性能混凝土强度试验

2.1 抗压强度试验

在抗压强度试验中，三个以120˚的角度摆放的100 mm的位移传感器被安放在试样的中心位置，以测量纵向位移。根据美国联邦公路局（FHWA）提出的方法，用在超高强混凝土钢纤维的应力-应变曲线中对应于10%和30%抗压强度极限的应力值，可用式（1）计算直线段的弹性模量。

Ec=σ2−σ1 " "ε2−ε1 （1）

式中：σ1和σ2——分别对应于极限抗压强度的10％和压缩应力的30％；ε1和ε2——分别对应于σ1和σ2的压缩应变，含1%钢纤维试样的抗压强度和弹性模量的平均值分别为183 MPa和46 583 MPa，而含2%钢纤维的试样分别为177 MPa和45 939 MPa。此外，含1%钢纤维的试样抗压强度和弹性模量的标准偏差分别为7.5 MPa和1 190 MPa，而含2%钢纤维的试样分别为5.3 MPa和2 940 MPa。抗压强度相应的变化系数分别为3%和4%，弹性模量的变化系数为2%和6%，这表明了其差量比普通混凝土低。

2.2 直接拉伸强度试验

该项测试利用了有缺口的试样，并采用KICT提出的测试法测定其直接拉伸强度。用一个载荷为3 000 kN的UTM（万能测量机），通过控制试样的位移（0.2 mm/min）进行拉伸实验，并把拉伸夹具放在中间。含1%钢纤维试样的最小断裂拉伸强度和极限抗拉强度分别为12.4 MPa和12.1 MPa，与标准值存在0.7 MPa的偏差；而含2%钢纤维试样分别为11.9 MPa和13 MPa，与标准值偏差为2.4 MPa和1.4 MPa。直接拉伸强度偏差这么大，可由并未发生缺口和被诱导开裂的缺口进行说明。

3 应力分布

3.1 爆破力

图1为加强件和钢纤维混合比的试样由其中心的应变计而测出的爆破应力分布，比较钢纤维比率分别为1％和2％的非增强（NTP-NSR）试样、半增强（TP-NSR）试样和充分增强（TP-SR）试样的爆裂压力值。

图1 应力分布

比较钢纤维含量为1％和2％的非增强（NTP-NSR）试样表明，根据钢纤维为1.50 MPa和1.48 MPa的混合比试样，靠近顶部位置（距顶部10 mm）的压应力有些不同，在0.3b（b=横截面宽度）测定其拉应力分别为8.41 MPa和6.32 MPa，在0.5b测定的拉应力则为8.07 MPa和9.11 MPa，在加压过程中观察钢纤维含量为1％的试样变化，而大于2 MPa的差别发生在钢纤维含量为2％的试样上。极限拉应力发生在钢纤维含量为1%试样的0.3b处，而钢纤维含量2%试样的极限拉应力为9.11 MPa。在1.0b处的拉应力减少到0.5b处的一半。

对于半增强（TP-NSR）试件，通过强化无约束钢喇叭型锚具，根据钢纤维的混合比率，在靠近顶端位置测定其压缩应力分别为4.65 MPa和1.48 MPa，显示有约3 MPa的差异。钢纤维含量为1%的试样和2%的试样的拉应力在0.3b处分别增加到10.01 MPa和8.07 MPa，且在0.5b处分别为10.01 MPa和7.55 MPa。类似于非增强试件（NTP-NSR），钢纤维含量为1％试件的应力经历0.3b～0.5b的相对较小的变化。在此，1％和2％这两种钢纤维比率试件的极限拉应力均发生在0.3b的位置。两种钢纤维混合比的试件在1.0b处的拉应力减少到0.5b处的一半，拉应力值分别为4.43 MPa和4.31 MPa。

3.2 分裂力

图2为根据加固方式和钢纤维混合比显示的在接近顶部位置的剥落力分布情况。采用如图1所示的从左边起分别按10 mm、60 mm和110 mm间隔摆放的3个横向计量器测量其所受的压力大小。

图2 应力分布

对于未加固的含1%和2%钢纤维试样，靠近顶部的拉应力（距顶部的距离超过10 mm）达到了0.24 MPa、

0.01 MPa，这表明未加固的含1%和2%钢纤维的试样所受的应力并没有发生实际变化。测量出60 mm位置的拉伸应力分别为0.26 MPa（含1%钢纤维）和0.94 MPa（含2%钢纤维），而在110 mm位置拉伸应力分别为1.18 MPa（含1%钢纤维）和2.26 MPa（含2%钢纤维）。即使含1%和2%钢纤维的试样表现出相同的应力分布情况，但在设计荷载承载的条件下，60 mm和110 mm的应力大小差异似乎由看不见的裂缝造成。

由于半加固的试样在10 mm的拉伸应力达到了1.28 MPa和1.37 MPa，这与在不同的钢纤维混合比下形成的应力差异大小相符。在60 mm位置时，含1%钢纤维和含2%钢纤维试样所受的应力分别变成了1.61 MPa和2.96MPa的压缩应力，且在110 mm位置，这些压缩应力分别增加到4.65 MPa和1.48 MPa。这些试样与未加固的试样相比，在拉伸和压缩应力之间表现出较大差异。

在对全加固试样的试验中，其在拉应力为0.19 MPa和0.13 MPa时与未加固的试样在10 mm时所测的值一样。这些拉应力在60 mm和100 mm位置的压缩应力分别为2.99 MPa和2.54 MPa，2.90 MPa和3.16 MPa。

除了含1%钢纤维的试样，所有未加固的试样都得到了在10 mm时的拉伸应力分布情况；当其位置向试样中心移动的时候，拉伸应力转化为压缩应力。在含1%钢纤维的试样上所观察到的应力分布情况的变化均由测量点所出现的裂缝所引起。

3.3 纵向边缘拉应力

图3显示了边缘拉应力随试样长度的变化情况。应力分布情况则用与顶部分别相距0.3b、0.5b和1.0b，彼此间隔10 mm的3个纵向计量器进行测量。

图3 纵向边缘拉应力分布

未加固的试样与含1%、2%钢纤维试样之间的比较表明，在10 mm测量的拉伸应力分别为1.78 MPa和1.35 MPa，在0.3b观测到的压缩应力分别为1.93 MPa和0.11 MPa；而在0.5b时，压缩应力分别增加到10.51 MPa和3.87 MPa。从钢纤维的混合比来说，在0.5b处发生的巨大应力变化是由与爆破力相似的看不到的微裂纹造成。在1.0b处的压缩应力分别为16.12 MPa和11.68 MPa。随后观察到随着试样长度的减小，未加固的和含1%、2%钢纤维的试样中靠近顶部的拉伸应力转变成压缩应力。

半加固的试样在10 mm处测到的拉伸应力分别为2.53 MPa（含1%钢纤维）和2.85 MPa（含2%钢纤维），并与未加固试样不同的是其在0.3b处的应力依然为3.24 MPa和2.44 MPa的拉伸应力。在0.5b处，两个试样（TP-NSR-1和TP-NSR-2）产生了急剧的变化，并转变成大小分别为6.90 MPa和7.53 MPa的压缩应力，而在1.0b处分别增加到19.43 MPa和19.66 MPa。

在对全加固的（TP-SR）试样的测试中，在10 mm处测到的拉伸应力分别为1.34 MPa和1.92 MPa，而在0.3b处分别为3.83 MPa和1.43 MPa，这与半加固（TP-NSR）试样所得的结果相同。在0.5b处，应力转变成大小分别为19.19 MPa和19.99 MPa的压缩应力。

对于所有的三种试样，均对其靠近顶部的拉伸应力进行了实验，其结论为随着试样长度的减小，其拉伸应力则会转变成较大的压缩应力。

3.4 纵向位移

一共有4个位移传感器（DT），分别安装在试样的左边、右边、底部和顶部，以测量其整体位移。

在对含1%钢纤维的未加固试样施加3 300 kN的最大负荷时，其纵向位移为0.151 mm；而对含2%钢纤维的未加固试样施加3 800 kN的最大负荷时，其纵向位移为0.174 mm。这个细小的差异可能是由所施加的载荷大小不同所造成的。

在对含1%和2%钢纤维的半加固试样施加3 800 kN的最大荷载时，其所测量的纵向位移分别为0.122 mm和0.142 mm；而含1%和2%钢纤维的全加固试样（TP-SR）在3 900 kN最大负荷下的纵向位移分别为0.153 mm和0.143 mm。当承载相同的负载时，三种不同钢纤维混合率的试样的纵向位移相差大约0.01 mm，这表明钢纤维的混合比例对位移大小的影响微乎其微。

4 结论

该研究进行了荷载传递测试，使用含UHPC的PS锚具后张实验评估它们的破坏行为，采用三种含1%和2%钢纤维配合比的不同类型钢筋试样——无锚固和螺箍筋的非增强试样（NTP-NSR）、有锚固但没有螺箍筋的半增强试样（TP-NSR）、有锚固和螺箍筋的完全增强试样（TP-SR），根据钢筋类型进行了加工和荷载转换测试，以观察试样的破裂应力分布、分裂应力、纵向边缘压力，并对纵向位移和裂痕形态进行了比较。通过对使用UHPC材料的PS锚具进行了荷载传递测试，并证实了由UHPC的高强度所导致的无锚固和特殊约束加固的PS锚具的抗拉伸能力。结果显示，当使用了UHPC材料时，在对PS锚固的设计中进一步减小横截面尺寸和简化钢筋布置细节则具有可行性。

参考文献

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