錨固系統的深化設計探索范文
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作者：趙勇李東彬單位：同濟大學土木工程學院中國建筑科學研究院
預應力筋的連接
對于分段張拉錨固的預應力筋，常用的連接方式有:采用連接器連接、節點處交錯搭接以及利用后澆帶搭接等。
1)采用連接器連接通常采用連接器連接預應力筋有兩種情況:①僅是通過連接器接長預應力筋;②通過連接器將超長的預應力筋分段張拉錨固并連成連續的預應力筋。在分段施工的超長結構中，采用連接器連接預應力筋屬于第2種情況，因此，連接器僅僅是為了降低預應力筋的張拉長度。一般情況下，均按一定流程，從一端施工并張拉錨固后，再在連接器上連上下一段預應力筋并施工下一段預應力結構。由于工藝的限定，連接器接長預應力筋時，只能采用一端張拉。
2)節點處交錯搭接
在節點處交錯搭接是最為常用的預應力筋連接方式。《混凝土結構設計規范》GB50010—2010規定:“后張預應力筋的錨具、連接器不宜設置在梁柱節點核心區內”。因此，預應力筋往往需要穿過梁柱節點進行張拉，通常有兩種做法:①在梁頂留張拉槽，如圖1所示，根據梁寬情況，張拉槽可并排設置，也可錯開設置，此種做法適用于梁較寬或采用無粘結預應力筋的情況，無粘結預應力筋的張拉端還可以在梁側面留槽設置;②柱兩側梁寬加腋，如圖2所示，預應力筋張拉端處宜設置次梁，此種做法常用于采用群錨的有粘結預應力筋。
3)利用后澆帶搭接
在超長混凝土結構中，通常會設置混凝土后澆帶，可以利用后澆帶來搭接預應力筋，如圖3所示。圖3中后澆帶所在跨兩側的預應力筋分開張拉錨固時，其錨固區可根據具體情況設置。對于后澆帶所在跨的預應力筋，當跨度不大時，可采用一端張拉，而且張拉端和固定端可交錯設置。后澆帶跨的預應力筋或成孔管道在澆筑后澆帶兩側混凝土前就得埋設，成孔管道埋設到預應力筋張拉間隔時間比較長，應加強防護措施，因此宜采用“后穿法”施工工藝進行施工。
張拉端設置
張拉端可直接設置在構件端部或構件中間合適的位置，當構件端部截面尺寸偏小時，也可通過加腋增大構件端部來設置。設置張拉端時，應充分考慮錨墊板的排布空間、張拉設備的操作空間以及鋼筋避讓等問題。對位于建筑外表面的凸出式張拉端，可能會影響建筑立面效果，尚應得到建筑設計師的認可。此外，張拉端的預應力筋端部線形往往是空間曲線，其曲率半徑應符合相關標準的要求，且設計計算時摩擦引起的預應力損失應加以考慮。
1)構件端部留張拉端對于無粘結預應力構件，采用單孔錨墊板可方便在構件端部設置張拉端。對于懸臂構件，由于懸臂端鋼筋一般較少，也可方便設置張拉端。對于有粘結預應力框架梁，在其端部設置張拉端時，應特別注意鋼筋的避讓。預應力框架的梁、柱縱向鋼筋和節點箍筋應精心布置，以避免在施工現場為放置錨墊板和螺旋筋而切割鋼筋的情況發生。在圖4a中，錨墊板埋置在節點內，其端面可與柱外表面平齊，也可做成內凹式，在錨墊板放置處，柱外側縱筋凈距應足夠大以便放入錨墊板，另外部分梁面縱筋可以縮進下彎，但需滿足設計規范的錨固要求，此外，節點區的局部箍筋間距、肢距也需增大;在圖4b中，通過在柱邊設置外延伸的錨固端，將錨墊板埋置在柱外，對此柱縱筋的凈距只需大于波紋管的外徑即可。值得注意的是，根據GB50010—2010，柱縱筋凈距尚應≤300mm(有抗震要求時應≤200mm)。
2)構件表面留張拉槽對于無粘結預應力筋或孔數較少的群錨有粘結預應力筋，特別是板或寬扁梁，在構件表面留設張拉槽是較為簡便的張拉端設置方案，但需要采用變角張拉技術。對于預應力框架梁，梁頂留槽有可能將梁中縱筋和箍筋剪斷，因此張拉槽應留設在梁端箍筋加密區之外，且應對折斷的鋼筋進行補強，其中槽口處箍筋可采用開口箍筋并在張拉后焊接封閉，如圖5所示，另外還應考慮配置用于抵抗在構件中部設置錨固區所產生拉力的鋼筋。張拉槽尺寸應保證安裝張拉變角塊的空間，并應減少鋼筋剪斷。
3)構件端部加腋當梁端面較窄或鋼筋稠密時，張拉端可采取加腋處理。在實際工程中，構件端部水平加腋是最為常見的張拉端設置方式，而且文獻的試驗結果表明，水平加腋節點具有良好的延性和耗能能力，能夠滿足抗震設防要求。構件端部加腋可分為內加腋、外加腋兩種，其形狀常用的有三角形和矩形，如圖6所示。設計時也需要考慮柱縱筋凈距可穿過預應力筋束或波紋管。此外，為了張拉方便，在張拉端附近需要在板上設置張拉洞，洞口尺寸應根據施工要求確定，且板筋宜預留，張拉洞的后澆混凝土強度等級不應低于設計的混凝土強度等級，可摻膨脹劑并應加強養護。
2.4固定端設置
固定端可采用與張拉端相同的做法或采取內埋式。對于常用的鋼絞線內埋式固定端，可采用壓花錨具或擠壓錨具，但壓花錨具僅適用于有粘結預應力鋼絞線。內埋式固定端的位置應位于不需要預壓應力的截面外，且不宜小于100mm;對梁中多孔內埋設式固定端，宜采用錯開布置方式，且間距不宜小于500mm;對于板中單孔內埋設式固定端，當預應力筋間距＜300mm時，宜錯開布置，且固定端間距宜≥300mm。
錨墊板布置
錨墊板指用以承受錨具傳來的預加力并傳遞給混凝土的部件，其中將錨具傳來的預加力直接傳遞給混凝土的鋼板稱為普通墊板，而將端板和喇叭管鑄造為一體的錨墊板稱為鑄造墊板。錨墊板的布置主要考慮錨固區局部受壓承載力。對于普通錨墊板，應根據設計規范進行局部受壓承載力驗算。對于鑄造錨墊板，文獻的試驗結果表明，采用設計局部受壓承載力公式估算整體鑄造墊板錨固區的極限承載力與試驗值會有較大偏差。為此錨具按規程JGJ85—2010要求由錨具生產廠家提供“錨固區傳力性能檢驗報告”以及“錨具排布要求的錨具最小中心間距amin和錨具中心到構件邊緣的最小距離bmin”，且使用時，“應根據產品的技術參數要求選用與錨具配套的錨墊板和局部加強鋼筋，并應確定錨墊板間距、錨墊板到構件邊緣距離”，“當產品技術參數不滿足工程實際條件時，應由設計方專門設計，必要時應根據設計條件進行錨固區傳力性能試驗”。此外，CECS180∶2005規定，張拉端和內埋式固定端錨墊板邊緣至構件邊緣的距離分別不宜小于50mm和40mm。張拉端錨墊板的布置要求如圖7a所示，且錨墊板一般布置在縱向鋼筋下，因此，尚需考慮與縱向鋼筋的避讓問題，如圖7b所示。錨墊板、局部加強鋼筋和連接器應按設計要求的位置和方向安裝牢固，錨墊板豎向位置的允許偏差應不大于施工規范表6.3.7中預應力筋的豎向位置偏差。為保證錨固體系和預應力筋受力正常，錨墊板的承壓面應與預應力筋或孔道曲線末端的切線垂直，且預應力筋曲線起始點與張拉錨固點之間的直線段最小長度應符合施工規范表6.3.10的要求。另外，內埋式固定端錨墊板不應重疊，錨具與錨墊板應貼緊。
錨固區的加強鋼筋配置
預應力錨固區可能出現受壓破壞或受拉破壞，其中受壓破壞包括承壓面局部混凝土下陷、承壓面下混凝土局部壓酥、以及墊板碎裂等現象，受拉破壞包括劈裂、剝裂和偏心受拉等現象。為此，美國規范ACI318—08和AASHTO將后張預應力錨固區分為局部錨固區和總體錨固區兩部分，如圖8所示，其中局部錨固區的主要設計內容是驗算墊板后的局部受壓承載力以及局部錨固區端部的平均壓應力，而總體錨固區設計主要解決抗劈裂鋼筋、抗剝裂鋼筋以及偏心受拉鋼筋的配筋量及相應的構造措施等問題。
1錨固區局部受壓加強鋼筋
錨固區局部受壓加強鋼筋指在局部錨固區配置的用于提供局部受壓承載力的鋼筋，在GB50010—2010中也稱為局部受壓區的間接鋼筋，主要有兩種配筋形式:方格網式和螺旋式，配置在普通錨墊板的后部或鑄造墊板的周圍。螺旋筋的圈徑過小、材料強度偏低是目前我國預應力產品的質量通病。根據JGJ85—2010，“局部受壓加強鋼筋的體積配筋率應≥0.5%;螺旋筋的圈徑所圍面積與錨墊板端面面積不應小于1.25，螺旋筋應與錨墊板對中，螺旋筋的首圈鋼筋到錨墊板端面的距離宜≤25mm;網片筋的鋼筋間距宜≤150mm，首片網片筋至錨墊板端面的距離宜≤25mm，網片之間的間距宜≤150mm”，這是局部受壓加強鋼筋的基本要求，在設計與施工中應嚴格遵守。
2錨固區抗拉加強鋼筋
1)抗劈裂鋼筋、抗剝裂鋼筋和側邊抗拉鋼筋
如圖9b所示，為抵抗錨固區的劈裂力、剝裂力和側邊拉力，應配置相應的加強鋼筋。根據文獻等的研究結果，GB50010—2010給出了抗劈裂鋼筋和抗抗剝裂鋼筋的配筋計算公式和配筋構造要求。值得注意的是，GB50010—2010的有關規定與ACI318—08和AASHTO有一定差別，且總體上更嚴，如圖9和表1所示，其中:e為預應力筋合力點到鄰近邊緣的距離;h為構件端部截面高度;dsb為鋼筋直徑;P為預拉力設計值。文獻［指出，對于螺旋筋圈徑較小的試件，表層箍筋的配置對提高試件的極限承載力有明顯效果。因此當局部受壓加強鋼筋的混凝土保護層厚度較大時，建議將抗劈裂鋼筋的起始位置調整為靠近錨墊板端面。另外，對于密布錨具錨固區的抗拉加強鋼筋可采用“整體計算法”進行計算。對各種錨固區的加強鋼筋配筋形式及構造要求可參考文獻。
2)構件中間錨固抗拉鋼筋
圖1和圖7中，錨固區不在構件端部，在錨固裝置后面將由于錨固裝置前后區域變形的協調要求而產生局部拉應力，因此需要在緊靠錨墊板周圍布置抗拉鋼筋，以限制錨固裝置后面裂縫的擴展。對構件中間錨固抗拉鋼筋，ACI318—08要其承擔的拉力不應小于0.35P，且應圍繞錨固裝置對稱布置，并應有可靠錨固。
3)抗崩裂鋼筋
在預應力混凝土結構中，當沿構件凹面布置曲線預應力束時，應進行防崩裂設計。GB50010—2010在工程經驗的基礎上，參考日本預應力混凝土設計施工規范及美國規范AASHTO，提出了防崩裂設計要求和抗崩裂鋼筋的配置要求。
4)預應力梁端板加強鋼筋
對于預應力混凝土框架結構，當框架梁跨度較大、預應力筋配筋量較大時，由于變形協調，在框架端部的板上會產生斜向裂縫，對此，建議在預應力梁端l1/4(l1為板區格的短跨計算長度)的板內配置雙層雙向加強鋼筋，且鋼筋直徑宜≥8mm，鋼筋間距宜≥100mm，并應有可靠的錨固(見圖10)。
錨具封閉與保護
后張預應力混凝土外露金屬錨具，應采取可靠的防腐及防火措施。GB50010—2010，GB50666—2011及JGJ85—2010，JGJ92—2005，CECS180∶2005中均給出了錨具封閉與保護的要求和措施。結合工程應用經驗，將相關標準的規定總結整理如下。
1外露預應力筋多余長度切除
后張法預應力筋錨固后的其外露長度le不宜小于預應力筋直徑的1.5倍，且不應小于30mm。外露多余長度宜采用機械方法切割，也可采用乙炔焰切割，當采用乙炔焰切割時，宜適當加大外露預應力筋的長度或采取對錨具降溫等措施。
2封錨端尺寸
確定封錨端尺寸時，應該考慮錨固體系的相關參數，包括錨具直徑G、錨具厚度H、錨具的間距a、錨具及預應力筋端部的保護層厚度ca、預應力筋外露長度le等。對于內凹式封錨端，尚應考慮張拉空間的要求。為便于張拉千斤頂安裝，宜將封錨端側邊做成20°～30°的倒角，且錨墊板距離邊距倒角根部宜≥20mm。
3封錨端的混凝土
采用混凝土封閉錨具時，混凝土強度等級宜與構件混凝土強度等級一致，且不應低于C30。采用無收縮砂漿或混凝土封閉保護時，其錨具及預應力筋端部的保護層厚度ca不應小于:一類環境時20mm，二類a、二類b環境時50mm，三類a、三類b環境時80mm。封錨混凝土與構件混凝土應可靠粘結，如錨具在封閉之前應將周圍混凝土界面鑿毛并沖洗干凈。
4外凸式封錨端鋼筋配置
外凸式封錨端周邊應配置鋼筋與構件相連接，連接鋼筋直徑宜≥12mm，間距宜≥150mm，錨固長度應滿足設計規范的要求，可在混凝土澆筑前預埋，也可在封錨前通過植筋設置。外凸式封錨端內宜配置1～2片鋼筋網。連接鋼筋與鋼筋網的混凝土保護層厚度宜≥20mm。
5無粘結預應力的特殊要求
無粘結預應力筋宜采用內凹式張拉端，也可用后澆的鋼筋混凝土外包圈梁進行封閉。無粘結預應力筋外露錨具應采用注有足量防腐油脂的塑料帽封閉錨具，并應采用無收縮砂漿或混凝土封閉。對處于二類、三類a、三類b環境條件下的無粘結預應力錨固系統，應采用全封閉的防腐蝕體系，其封錨端及各連接部位應能承受10kPa的靜水壓力而不得透水。圖11c的無粘結預應力筋封錨端做法1僅適用于一類環境條件。
結語
本文針對我國工程應用的特點，并根據國內外相關標準的規定，對后張預應力混凝土錨固區的深化設計方法和要求進行了總結并提出了相關建議，討論了錨固體系的選擇、錨固區的設置、錨墊板的布置、錨固區加強鋼筋的配置、錨具的封閉與保護等錨固區深化設計的相關問題，可為施工人員提供參考。
