扁形组合锚垫板传力和锚口摩阻性能试验研究

唐述辉,杨帆,左海宁,谢锦

摘要：扁形锚垫板由于其独特的扁平结构，广泛应用于桥梁、房建等工程项目的预应力混凝土结构中，主要承担传递和分散应力的作用。因此，扁形锚垫板的性能对于预应力混凝土结构的影响至关重要。本文通过有限元分析改进设计铸造承压垫板结构，利用荷载传递试验和锚口摩阻试验，验证新设计扁形组合锚垫板的性能可靠性，为扁形锚垫板的设计与性能分析提供参考。

关键词：扁形组合锚垫板；传力试验；锚口摩阻；预应力混凝土

Abstract:Due to its unique flat structure, the flat anchor plate is widely used in the prestressed concrete structure of bridges, building construction engineeringand other engineering projects, mainly to transfer and disperse the stress. Therefore, the performance of the flat anchor bearing plate is very important to the prestressed concrete structure. In this paper, the bearing plate made of the casting iron that structure is improved by finite element analysis , and the performance reliability of the newly designed flat composite anchor plate is verified by load transfer test and anchor port friction test, which provides reference for the design and performance analysis of the flat bearing anchor plate.

Keywords:flat bearing plate; load transfer test; anchor friction; prestressed concrete

1 引言

在预应力混凝土工程结构设计中, 一些扁平结构受到结构厚度尺寸的限制，无法设计使用圆锚型锚具，因此产生了扁锚体系，主要用于横向预应力、空心板、低高度箱梁等工程结构。扁锚体系将预应力钢绞线布置成扁平状，能够使应力分布更加均匀合理，减薄结构厚度，因此，预应力扁锚体系在工程中的应用越来越广泛[1-2]。

扁形锚垫板是扁锚体系的重要组成部分，施工时直接将扁形锚垫板埋入混凝土中，主要起荷载传递和应力分散作用[3]。扁形体系施工时，张拉锚具传递的应力通过锚垫板传递给锚固区混凝土，锚固区的安全性很大程度上取决于锚垫板的传力性能，如果锚具和锚固体系设计不合理，张拉时会出现混凝土开裂、摩擦损失大等不利因素[4-5]。因此，合理设计锚具结构至关重要，对锚垫板性能进行研究对提高工程质量具有重要意义。

 本文通过有限元分析改进设计铸造承压垫板结构，利用试验验证的方式验证新设计扁形组合锚垫板的性能可靠性，可供产品设计、检测和施工等单位参考。

2 扁形锚垫板结构设计与分析

2.1 常规扁形锚垫板和扁形组合锚垫板结构

1. 铸铁承压板  2.塑料连接套管

图1 组合型扁形锚垫板

扁形常规锚垫板（OVM.M15-nDTB型）采用灰铸铁一体铸造而成，具有承载能力好，与混凝土结构结合紧密而被广泛使用，但是很多厂商为了降低成本，极大的缩减锚垫板的结构长度，虽然承载能力能够满足要求，但是过短的锚垫板会造成钢绞线的偏转角度增大，同时也增加了钢绞线与锚具及波纹管的接触应力，这将导致张拉过程中摩阻系数和预应力损失增加，施加有效预应力达不到设计要求，以至于严重影响整个预应力结构的安全和使用寿命。

扁形组合型锚垫板（OVM.M15-nDY型）的结构，如图1所示，采用铸造承压垫板和塑料连接套管（喇叭管）相组合的方式形成整体。该结构是在铸造承压垫板的尾端设有一个凸台，这个凸台刚好与塑料连接套管（喇叭管）上的卡扣配合连接，这种连接方式连接紧密，不容易松脱。根据工程需要，塑料连接套管（喇叭管）也可以根据工程情况调整长度，使得整个锚垫板比常规锚垫板更长，穿入钢绞线的折角减小，锚口预应力摩阻也会损失减也降低。这种组合设计可以将铸铁承压板部分设计至极限值，再通过塑料连接套管补充偏转角度不足的问题，该结构形式不仅能降低锚具成本，还提高锚垫板的结构性能，保障整个结构的安全和使用寿命。

2.2 铸铁承压垫板结构分析

利用有限元分析软件选取4孔扁形铸铁承压垫板为典型孔位进行分析计算。建立模型时由于锚垫板、螺旋筋与锚下混凝土存在着复杂的传力关系，所以结合在一起建模。对混凝土和锚垫板及螺旋筋采用三维体单元，为了辨别结构薄弱点，建模时去除灌浆孔部分。基于混凝土强度C50进行设计分析，混凝土最小的承载面为310 mmX210mm，由于结构对称，取1/4进行计算，如图a所示。

锚垫板材料为HT200的铸铁件，标准抗拉强度为200Mpa, 弹模取E=120Gpa，泊松比μ=0.3；混凝土按C40取，弹模E=32.5Gpa，泊松比μ=0.167；螺旋筋为Q235, 弹模E=190Gpa，泊松比μ=0.3。

a混凝土最大拉应力云图                    b 锚垫板的最大主应力云图

图3 有限元分析后的应力云图

从图b 可以看出铸铁承压板大端面与喇叭管的过渡交界面的多处已经超出所用材料的标准抗拉强度，所以设计锚垫板的时候需要再这个交界面上增加加强肋，以增加结构过渡面的承压能力。

经过以上分析，充分考虑锚垫板与混凝土的粘结性，以及锚固区的传递荷载的能力，在铸铁承压板下端长轴方向均匀布置3条加强肋（1条粗肋和2条辅助肋），短轴方向一端设有灌浆管，另一端增加一个加强肋，采用这种间歇布置加强肋的方式，使得锚垫板的综合性能得到提高（如图4所示）。

3试验

2.1 试验准备

试验验证过程采用4孔扁形锚垫板（OVM.M15-4DY）进行荷载传递试验和锚口摩阻试验，混凝土试件大小为310mmx210mm，混凝土构建高度为620mm体积配筋率为49.8kg/m3， 螺旋筋采用Q235B绕制而成，制备混凝土试件采用强度为C50商用砼进行浇筑，为满足荷载传递试验和锚口摩阻试验，共浇筑6件试件（11#、12#13#和21#、22#、23#）。

图5 试验用试件

2.2 试验结果与分析

2.2.1荷载传递试验

依据国家标准GB/T 14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》中附录A锚固区传力性能试验方法对21#、22#和23#3组试件进行荷载传递性能试验[6]。

a荷载传递试验                  b 锚口摩阻试验

图6 荷载传递和锚口摩阻试验

荷载传递试验在OVM公司试验中进行，如图6a所示，根据标准GB/T 14370-2015要求对锚垫板传力能力施加了10次循环荷载，循环荷载的上限0.8Fptk，下限为0.12Fptk。当加载的力值稳定后，采用裂缝测宽仪测定混凝土试件开裂情况；当10次循环加载稳定后，对混凝土试件施加破坏荷载，测试结果如表1所示。

表1 循环加载过程中裂缝开裂情况

循环次数/试样		裂缝宽度mm
		1＃	2＃	3＃
第一次达到0.8FPtK	835	0.08	0.02	0.04
第一次达到0.12FPtK	125	0	0	0
……	……	……	……	……
第八次循环0.12FPtK	125	0.06	0.02	0.04
第八次循环0.8FPtK	835	0.06	0.04	0.06
第九次循环0.12FPtK	125	0.06	0.02	0.04
第九次循环0.8FPtK	835	0.06	0.04	0.06
第十次循环0.12FPtK	125	0.06	0.02	0.04
第十次循环0.8FPtK	835	0.06	0.04	0.06
最大破坏荷载 Fu	/	1148	1152	1149

从试验结果可以看出，实测破坏荷载Fu≥1.1Fptk*fcm，e/fcm，0，因此荷载传递试验后的传力性能扁形组合锚垫板的荷载传力性能满足标准要求，试验过程中裂缝宽度也控制在0.06mm以内，满足标准中各阶段测试裂缝款的要求。

2.2.2锚口摩阻损失试验

锚口摩阻损失试验是通过模拟实际工程中预应力孔道穿入钢绞线和安装锚具后，钢绞线在预应力孔道内形偏折，就会与工作夹片、锚垫板及波纹管等产生摩擦损失，从而导致实际施加的预应力不足。

试验采用#11、#12、#13共3个试件分别进行试验，试验在OVM试验中心进行，如图6b所示，试验参考国家标准GB/T 14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》中附录D锚口摩阻损失试验方法[6]。试验安装与张拉如图7所示。

对#11、#12、#13三个混凝土试件进行试验时，分别按0.75Fptk和0.8Fptk进行分级张拉，每级持荷试件不少于1min，通过两端的荷载传感器读取得数据及预应力损失情况，详见表2。

表2 张拉受力与锚口摩阻损失

试验编号/施加荷载		主动端荷载 P1 kN	主动端荷载 P2 kN	荷载差值 P1-P2 kN	锚口损失率δ (P1-P2)/P1x100%	损失率δ 平均值
11# 第一组	0.75Fptk	810	782.9	27.1	3.3%	3.1%
	0.80Fptk	865	840.5	24.5	2.8%
12# 第二组	0.75Fptk	784	755	29	3.7%	3.8%
	0.80Fptk	833.6	800.7	32.9	3.9%
13# 第三组	0.75Fptk	784	757.6	26.4	3.4%	3.4%
	0.80Fptk	835	806.9	28.1	3.4%
三组试验锚口摩阻损失率δ平均值						3.4%

从表2可以看出三组试验锚口摩阻损失率δ平均值为3.4%，远低于标准GB/T 14370-2015中夹片式锚具的锚口摩阻损失不宜大于6%的要求，因此采用组合锚垫板能够极大的降低预应力筋的锚口摩阻损失。

4 总结

本文通过有限元分析对扁形组合锚垫板的铸造部件进行结构分析，优化设计了铸造承压垫板的结构，为了改善短的铸造垫板结构造成摩擦损失过大，采用增加塑料连接套管（喇叭管）方式延长锚垫板长度，从而减小钢绞线偏转角度过大的问题，提高扁形锚垫板的综合性能力，根据规范要求对扁形组合锚垫板进行荷载传递试验和锚口摩阻试验，试验表明这种扁形组合锚垫板性能能够满足标准要求。

参考文献

[1]江倩敏,扁形焊接锚垫板性能研究[M],广西科技大学,2020.

[2]左海宁,秦瑜,蒋业东等,扁型螺旋筋截面线型对锚固区影响的试验研究[S],科技创新与应用，2020.

[3]吴健宏,后张预应力混凝土锚固区设计方法研究[M]，上海：同济大学土木工程学院,

[4]米艳彬,桥梁预应力摩阻损失试验研究[S],现代城市轨道交通,2019.

[5]陈绪刚,赵斌,卢文胜,多级传力预应力端锚荷载传递性能试验研究与分析[S],结构工程师,2009.

[6]国家标准：GB/T 14370-2015《预应力筋用锚具、夹具和连接器》[S],2015.

第一作者：

唐述辉，（1982-），男，汉，广西全州，本科，研究方向：预应力锚固体系研究与应用。