锚固系统的深化设计探索范文

作者：赵勇李东彬单位：同济大学土木工程学院中国建筑科学研究院

预应力筋的连接

对于分段张拉锚固的预应力筋，常用的连接方式有:采用连接器连接、节点处交错搭接以及利用后浇带搭接等。

1)采用连接器连接通常采用连接器连接预应力筋有两种情况:①仅是通过连接器接长预应力筋;②通过连接器将超长的预应力筋分段张拉锚固并连成连续的预应力筋。在分段施工的超长结构中，采用连接器连接预应力筋属于第2种情况，因此，连接器仅仅是为了降低预应力筋的张拉长度。一般情况下，均按一定流程，从一端施工并张拉锚固后，再在连接器上连上下一段预应力筋并施工下一段预应力结构。由于工艺的限定，连接器接长预应力筋时，只能采用一端张拉。

2)节点处交错搭接

在节点处交错搭接是最为常用的预应力筋连接方式。《混凝土结构设计规范》GB50010—2010规定:“后张预应力筋的锚具、连接器不宜设置在梁柱节点核心区内”。因此，预应力筋往往需要穿过梁柱节点进行张拉，通常有两种做法:①在梁顶留张拉槽，如图1所示，根据梁宽情况，张拉槽可并排设置，也可错开设置，此种做法适用于梁较宽或采用无粘结预应力筋的情况，无粘结预应力筋的张拉端还可以在梁侧面留槽设置;②柱两侧梁宽加腋，如图2所示，预应力筋张拉端处宜设置次梁，此种做法常用于采用群锚的有粘结预应力筋。

3)利用后浇带搭接

在超长混凝土结构中，通常会设置混凝土后浇带，可以利用后浇带来搭接预应力筋，如图3所示。图3中后浇带所在跨两侧的预应力筋分开张拉锚固时，其锚固区可根据具体情况设置。对于后浇带所在跨的预应力筋，当跨度不大时，可采用一端张拉，而且张拉端和固定端可交错设置。后浇带跨的预应力筋或成孔管道在浇筑后浇带两侧混凝土前就得埋设，成孔管道埋设到预应力筋张拉间隔时间比较长，应加强防护措施，因此宜采用“后穿法”施工工艺进行施工。

张拉端设置

张拉端可直接设置在构件端部或构件中间合适的位置，当构件端部截面尺寸偏小时，也可通过加腋增大构件端部来设置。设置张拉端时，应充分考虑锚垫板的排布空间、张拉设备的操作空间以及钢筋避让等问题。对位于建筑外表面的凸出式张拉端，可能会影响建筑立面效果，尚应得到建筑设计师的认可。此外，张拉端的预应力筋端部线形往往是空间曲线，其曲率半径应符合相关标准的要求，且设计计算时摩擦引起的预应力损失应加以考虑。

1)构件端部留张拉端对于无粘结预应力构件，采用单孔锚垫板可方便在构件端部设置张拉端。对于悬臂构件，由于悬臂端钢筋一般较少，也可方便设置张拉端。对于有粘结预应力框架梁，在其端部设置张拉端时，应特别注意钢筋的避让。预应力框架的梁、柱纵向钢筋和节点箍筋应精心布置，以避免在施工现场为放置锚垫板和螺旋筋而切割钢筋的情况发生。在图4a中，锚垫板埋置在节点内，其端面可与柱外表面平齐，也可做成内凹式，在锚垫板放置处，柱外侧纵筋净距应足够大以便放入锚垫板，另外部分梁面纵筋可以缩进下弯，但需满足设计规范的锚固要求，此外，节点区的局部箍筋间距、肢距也需增大;在图4b中，通过在柱边设置外延伸的锚固端，将锚垫板埋置在柱外，对此柱纵筋的净距只需大于波纹管的外径即可。值得注意的是，根据GB50010—2010，柱纵筋净距尚应≤300mm(有抗震要求时应≤200mm)。

2)构件表面留张拉槽对于无粘结预应力筋或孔数较少的群锚有粘结预应力筋，特别是板或宽扁梁，在构件表面留设张拉槽是较为简便的张拉端设置方案，但需要采用变角张拉技术。对于预应力框架梁，梁顶留槽有可能将梁中纵筋和箍筋剪断，因此张拉槽应留设在梁端箍筋加密区之外，且应对折断的钢筋进行补强，其中槽口处箍筋可采用开口箍筋并在张拉后焊接封闭，如图5所示，另外还应考虑配置用于抵抗在构件中部设置锚固区所产生拉力的钢筋。张拉槽尺寸应保证安装张拉变角块的空间，并应减少钢筋剪断。

3)构件端部加腋当梁端面较窄或钢筋稠密时，张拉端可采取加腋处理。在实际工程中，构件端部水平加腋是最为常见的张拉端设置方式，而且文献的试验结果表明，水平加腋节点具有良好的延性和耗能能力，能够满足抗震设防要求。构件端部加腋可分为内加腋、外加腋两种，其形状常用的有三角形和矩形，如图6所示。设计时也需要考虑柱纵筋净距可穿过预应力筋束或波纹管。此外，为了张拉方便，在张拉端附近需要在板上设置张拉洞，洞口尺寸应根据施工要求确定，且板筋宜预留，张拉洞的后浇混凝土强度等级不应低于设计的混凝土强度等级，可掺膨胀剂并应加强养护。

2.4固定端设置

固定端可采用与张拉端相同的做法或采取内埋式。对于常用的钢绞线内埋式固定端，可采用压花锚具或挤压锚具，但压花锚具仅适用于有粘结预应力钢绞线。内埋式固定端的位置应位于不需要预压应力的截面外，且不宜小于100mm;对梁中多孔内埋设式固定端，宜采用错开布置方式，且间距不宜小于500mm;对于板中单孔内埋设式固定端，当预应力筋间距＜300mm时，宜错开布置，且固定端间距宜≥300mm。

锚垫板布置

锚垫板指用以承受锚具传来的预加力并传递给混凝土的部件，其中将锚具传来的预加力直接传递给混凝土的钢板称为普通垫板，而将端板和喇叭管铸造为一体的锚垫板称为铸造垫板。锚垫板的布置主要考虑锚固区局部受压承载力。对于普通锚垫板，应根据设计规范进行局部受压承载力验算。对于铸造锚垫板，文献的试验结果表明，采用设计局部受压承载力公式估算整体铸造垫板锚固区的极限承载力与试验值会有较大偏差。为此锚具按规程JGJ85—2010要求由锚具生产厂家提供“锚固区传力性能检验报告”以及“锚具排布要求的锚具最小中心间距amin和锚具中心到构件边缘的最小距离bmin”，且使用时，“应根据产品的技术参数要求选用与锚具配套的锚垫板和局部加强钢筋，并应确定锚垫板间距、锚垫板到构件边缘距离”，“当产品技术参数不满足工程实际条件时，应由设计方专门设计，必要时应根据设计条件进行锚固区传力性能试验”。此外，CECS180∶2005规定，张拉端和内埋式固定端锚垫板边缘至构件边缘的距离分别不宜小于50mm和40mm。张拉端锚垫板的布置要求如图7a所示，且锚垫板一般布置在纵向钢筋下，因此，尚需考虑与纵向钢筋的避让问题，如图7b所示。锚垫板、局部加强钢筋和连接器应按设计要求的位置和方向安装牢固，锚垫板竖向位置的允许偏差应不大于施工规范表6.3.7中预应力筋的竖向位置偏差。为保证锚固体系和预应力筋受力正常，锚垫板的承压面应与预应力筋或孔道曲线末端的切线垂直，且预应力筋曲线起始点与张拉锚固点之间的直线段最小长度应符合施工规范表6.3.10的要求。另外，内埋式固定端锚垫板不应重叠，锚具与锚垫板应贴紧。

锚固区的加强钢筋配置

预应力锚固区可能出现受压破坏或受拉破坏，其中受压破坏包括承压面局部混凝土下陷、承压面下混凝土局部压酥、以及垫板碎裂等现象，受拉破坏包括劈裂、剥裂和偏心受拉等现象。为此，美国规范ACI318—08和AASHTO将后张预应力锚固区分为局部锚固区和总体锚固区两部分，如图8所示，其中局部锚固区的主要设计内容是验算垫板后的局部受压承载力以及局部锚固区端部的平均压应力，而总体锚固区设计主要解决抗劈裂钢筋、抗剥裂钢筋以及偏心受拉钢筋的配筋量及相应的构造措施等问题。

1锚固区局部受压加强钢筋

锚固区局部受压加强钢筋指在局部锚固区配置的用于提供局部受压承载力的钢筋，在GB50010—2010中也称为局部受压区的间接钢筋，主要有两种配筋形式:方格网式和螺旋式，配置在普通锚垫板的后部或铸造垫板的周围。螺旋筋的圈径过小、材料强度偏低是目前我国预应力产品的质量通病。根据JGJ85—2010，“局部受压加强钢筋的体积配筋率应≥0.5%;螺旋筋的圈径所围面积与锚垫板端面面积不应小于1.25，螺旋筋应与锚垫板对中，螺旋筋的首圈钢筋到锚垫板端面的距离宜≤25mm;网片筋的钢筋间距宜≤150mm，首片网片筋至锚垫板端面的距离宜≤25mm，网片之间的间距宜≤150mm”，这是局部受压加强钢筋的基本要求，在设计与施工中应严格遵守。

2锚固区抗拉加强钢筋

1)抗劈裂钢筋、抗剥裂钢筋和侧边抗拉钢筋

如图9b所示，为抵抗锚固区的劈裂力、剥裂力和侧边拉力，应配置相应的加强钢筋。根据文献等的研究结果，GB50010—2010给出了抗劈裂钢筋和抗抗剥裂钢筋的配筋计算公式和配筋构造要求。值得注意的是，GB50010—2010的有关规定与ACI318—08和AASHTO有一定差别，且总体上更严，如图9和表1所示，其中:e为预应力筋合力点到邻近边缘的距离;h为构件端部截面高度;dsb为钢筋直径;P为预拉力设计值。文献［指出，对于螺旋筋圈径较小的试件，表层箍筋的配置对提高试件的极限承载力有明显效果。因此当局部受压加强钢筋的混凝土保护层厚度较大时，建议将抗劈裂钢筋的起始位置调整为靠近锚垫板端面。另外，对于密布锚具锚固区的抗拉加强钢筋可采用“整体计算法”进行计算。对各种锚固区的加强钢筋配筋形式及构造要求可参考文献。

2)构件中间锚固抗拉钢筋

图1和图7中，锚固区不在构件端部，在锚固装置后面将由于锚固装置前后区域变形的协调要求而产生局部拉应力，因此需要在紧靠锚垫板周围布置抗拉钢筋，以限制锚固装置后面裂缝的扩展。对构件中间锚固抗拉钢筋，ACI318—08要其承担的拉力不应小于0.35P，且应围绕锚固装置对称布置，并应有可靠锚固。

3)抗崩裂钢筋

在预应力混凝土结构中，当沿构件凹面布置曲线预应力束时，应进行防崩裂设计。GB50010—2010在工程经验的基础上，参考日本预应力混凝土设计施工规范及美国规范AASHTO，提出了防崩裂设计要求和抗崩裂钢筋的配置要求。

4)预应力梁端板加强钢筋

对于预应力混凝土框架结构，当框架梁跨度较大、预应力筋配筋量较大时，由于变形协调，在框架端部的板上会产生斜向裂缝，对此，建议在预应力梁端l1/4(l1为板区格的短跨计算长度)的板内配置双层双向加强钢筋，且钢筋直径宜≥8mm，钢筋间距宜≥100mm，并应有可靠的锚固(见图10)。

锚具封闭与保护

后张预应力混凝土外露金属锚具，应采取可靠的防腐及防火措施。GB50010—2010，GB50666—2011及JGJ85—2010，JGJ92—2005，CECS180∶2005中均给出了锚具封闭与保护的要求和措施。结合工程应用经验，将相关标准的规定总结整理如下。

1外露预应力筋多余长度切除

后张法预应力筋锚固后的其外露长度le不宜小于预应力筋直径的1.5倍，且不应小于30mm。外露多余长度宜采用机械方法切割，也可采用乙炔焰切割，当采用乙炔焰切割时，宜适当加大外露预应力筋的长度或采取对锚具降温等措施。

2封锚端尺寸

确定封锚端尺寸时，应该考虑锚固体系的相关参数，包括锚具直径G、锚具厚度H、锚具的间距a、锚具及预应力筋端部的保护层厚度ca、预应力筋外露长度le等。对于内凹式封锚端，尚应考虑张拉空间的要求。为便于张拉千斤顶安装，宜将封锚端侧边做成20°～30°的倒角，且锚垫板距离边距倒角根部宜≥20mm。

3封锚端的混凝土

采用混凝土封闭锚具时，混凝土强度等级宜与构件混凝土强度等级一致，且不应低于C30。采用无收缩砂浆或混凝土封闭保护时，其锚具及预应力筋端部的保护层厚度ca不应小于:一类环境时20mm，二类a、二类b环境时50mm，三类a、三类b环境时80mm。封锚混凝土与构件混凝土应可靠粘结，如锚具在封闭之前应将周围混凝土界面凿毛并冲洗干净。

4外凸式封锚端钢筋配置

外凸式封锚端周边应配置钢筋与构件相连接，连接钢筋直径宜≥12mm，间距宜≥150mm，锚固长度应满足设计规范的要求，可在混凝土浇筑前预埋，也可在封锚前通过植筋设置。外凸式封锚端内宜配置1～2片钢筋网。连接钢筋与钢筋网的混凝土保护层厚度宜≥20mm。

5无粘结预应力的特殊要求

无粘结预应力筋宜采用内凹式张拉端，也可用后浇的钢筋混凝土外包圈梁进行封闭。无粘结预应力筋外露锚具应采用注有足量防腐油脂的塑料帽封闭锚具，并应采用无收缩砂浆或混凝土封闭。对处于二类、三类a、三类b环境条件下的无粘结预应力锚固系统，应采用全封闭的防腐蚀体系，其封锚端及各连接部位应能承受10kPa的静水压力而不得透水。图11c的无粘结预应力筋封锚端做法1仅适用于一类环境条件。

结语

本文针对我国工程应用的特点，并根据国内外相关标准的规定，对后张预应力混凝土锚固区的深化设计方法和要求进行了总结并提出了相关建议，讨论了锚固体系的选择、锚固区的设置、锚垫板的布置、锚固区加强钢筋的配置、锚具的封闭与保护等锚固区深化设计的相关问题，可为施工人员提供参考。