全 文 ：22卷 2期
2006年 6月
世　界　地　震　工　程
WORLD EARTHQUAKE ENG INEERING
Vo .l 22, No. 2
Jun. , 2006
收稿日期:2005 - 11 - 16;　修订日期:2006 - 03 - 16
　　作者简介:赵均(1954 -),男 ,北京人 ,教授 ,主要从事工程抗震和混凝土结构等方面的教学及研究工作.
文章编号:1007-6069(2006)02-0144-05
预应力混凝土双压花锚具性能的低周
重复荷载试验研究
赵 均　张志强　张高峰
(北京工业大学 建筑工程学院 ,北京 100022)
摘要:通过对预应力混凝土一种新型双压花锚具足尺寸试件的试验 ,研究了这种锚具在低周重复荷载
下的性能及其特点 、锚具受周期荷载后再次承受静力荷载作用时的性能以及周期荷载的不同应力循
环幅度对锚具性能的影响。试验结果表明:双压花锚具达到了国家标准规定的周期荷载性能要求;随
着周期荷载循环次数的增加 ,锚具每个循环的荷载与变形关系呈近似线弹性关系;锚具在历经 50次
重复加卸荷后 ,其静载性能发生了很大变化 , 而最大承载力和极限变形能力没有降低。
关键词:预应力混凝土;锚具;重复荷载;抗震性能
中图分类号:TU378;TU528. 571　　　文献标识码:A
An expermi ental study on the performance of the doub le-ball anchorage
system in prestressed concrete structures under repeated loads
ZHAO Jun ZHANG Zh i-qiang　ZHANG G ao-feng
(C ollege of Architecture and C ivi lEng ineering, Bei jing Un iversity of Technology, Bei jing 100022, C hina)
Abstract:Full-size specimens o f the double-ball ancho rage system used in prestressed concre te structuresw ere test-
ed. Its perfo rmance under repeated loads, the sta tic behavior of the anchorage eve r subjected to the repea ted loads
and the influence of different ranges of the stress fluctuation on its pe rfo rmance are stud ied. The tested resu lts are
show n that:the double-ball anchorage meets the requiremen t for the repea ted loading tests specified in the code;
w ith increasing numbers of the loading cyc le s, its load-defo rmation re lationship in each cyc le loading behaves nea rly
in linear-elastic;over the repeated loads of 50 cyc les is resu lted in significan t changes o f the sta tic behavio r of the
ancho rage, but itsm aximum load-carrying capacity and u ltimate deforma tion capacity a re not decreased.
Key words:prestressed concrete;anchorage;repea ted load;se ism ic behav ior
1　引言
预应力锚固体系是后张法预应力混凝土结构的重要组成部分 。它不但在技术上直接关系到结构体系的
性能与成败 ,而且对造价有重要影响 。因此 ,研制安全可靠 、构造简单 、施工方便 、价格低廉的新型锚具 ,一直
是预应力混凝土应用与推广的关键技术环节之一 ,成为国内外该领域研究的重要课题 。
压花锚具属于粘结式锚具 。目前工程上采用的压花锚具的基本构造形式是将钢绞线端头用液压压花机
压成如同梨形的一个压花(单压花),浇筑在混凝土中 ,以此实现对预应力钢绞线的锚固 。它具有成本低 、构
造简单的突出优点。然而 ,这种单压花锚具由于其构造本身等方面的原因 ,在应用中也暴露了一些问
题 [ 1, 2] 。为了发挥压花锚具的优势 ,改进其不足 ,近年来 ,北京市建筑工程研究院等单位对压花锚具作了进
一步的开发研制 ,其中最主要的改进措施是将锚具中的压花个数由一个增加到两个 ,使其成为双压花锚具;
并就双压花锚具的构造设计 、力学性能等进行了一系列试验研究和分析工作 [ 3, 4] 。
本文所给出的是对这种新型的双压花锚具进行低周重复荷载试验的有关研究结果。通过对足尺寸试件
的试验 ,对该锚具除按国家标准 [ 5]进行周期荷载试验的检验外 ,其重点内容是 ,研究分析了锚具在低周重复
荷载作用下的性能特点 ,考察了不同荷载循环幅度对锚具性能的影响 ,并研究了锚具受低周重复荷载后再次
受到静力荷载作用时的性能。本文研究通过揭示这种新型锚具受到荷载重复循环作用影响时有关规律 ,有
助于进一步深化对其性能特点的认识 ,为在实际工程中 (特别是有抗震要求场合 )的应用提供了试验数据 ,
并可成为震后性能评估的参考性依据 。
2　试验概况
2. 1　试件构造
本文的双压花锚具试件均采用足尺寸试件 (见图 1)。试件长度(不包括外伸钢绞线部分)为 500mm ,截
面尺寸为 200mm ×200mm ,混凝土强度等级为 C30,钢绞线采用抗拉强度标准值为 1860MPa的 1×7标准型
15. 2钢绞线 。用于受荷载重复循环作用影响的试件数量为 5个 ,均采用相同的材料和构造设计 。
图 1给出了双压花锚具试件的构造形式。预应力钢绞线埋入混凝土的锚固段为平直段和前后两个压
花 ,第一个压花前端设有承压钢板 ,两个压花的直径最大处均设有支撑环 。双压花的总长度范围约 260mm ,
压花最大直径为 65 ～ 75mm。
图 1　双压花锚具试件的构造形式 图 2　试验装置示意
2. 2　试验方案及实施
上述 5个试件的试验分两批完成 。由于试验目的各有侧重 ,其试验方案也略有不同。
第一批 3个试件的试验在中冶集团建筑研究总院完成 (编号分别为 R1、R2和 R3),主要是为了按国家
标准[ 5]中的要求进行周期荷载性能测试。试验严格遵守该标准规定的周期荷载加载制度 ,试验应力上下限
控制值分别为 80%fp tk和 40%fp tk(相当于荷载的上下限值分别为 208. 32kN和 104. 16kN),重复循环不少于
50个周期 。为能从此试验结果中得到周期荷载下的锚具变形特点 ,还通过设置百分表 ,测出每个循环钢绞
线在试件张拉端尽可能贴近试件表面钢板处的拔出量。
第二批 2个试件的试验在北京市建筑工程研究院完成(编号分别为 R4和 R5)。采用的加载装置如图 2
所示。其试验目的 ,除继续检验锚具的周期荷载性能外 ,还研究荷载循环幅度的大小对锚具性能的影响以及
低周重复荷载对锚具静力性能的影响 。为此 ,每个试件的试验都分为两个阶段完成。首先进行不少于循环
50次的周期荷载试验 ,应力上下限值分别为 80%fptk和 0,即进行重复完全加卸载试验 ,并将其结果与第一批
3个试件比较;然后再进行单调静力拉拔试验至破坏 ,将其结果与无荷载循环经历而直接进行单调静力拉拔
试验的试件比较 。在试验中 ,测出钢绞线的拔出量 ,量测方法及位置与第一批试件大体相同。
3　试验结果及分析
3. 1　周期荷载试验的实测结果
表 1给出了各试件周期荷载试验实际采用的荷载上下限控制值及历经的循环次数。试验后 , 5个试件
1452期 赵　均等:预应力混凝土双压花锚具性能的低周重复荷载试验研究
全部保持完好 ,表明该锚具达到了国家标准[ 5]规定的周期荷载性能要求 。
表 1　周期荷载试验结果
试件号 荷载上限(kN) 荷载下限(kN) 循环次数
R1 208. 32 104. 16 53
R2 208. 32 104. 16 51
R3 208. 32 104. 16 51
R4 210. 00 0. 00 51
R5 210. 00 0. 00 50
图 3给出了试件 R1、R2和 R4的实测拉拔力 -拔出
量曲线 。应该说明的是 ,由于本试验未将每周加卸荷的
过程作为研究重点 ,第一批试件的每个循环只记录了与
应力水平上限和下限相对应的拔出量 ,因此每个循环的
曲线均为两段直线;第二批试件在每个循环加载和卸载
过程中各增加了 2个拔出量记录点 ,形成了环状曲线。
由图 3可以看出 ,在周期荷载试验的第一次荷载循环时 ,由于各试件的实际初始条件有所不同 ,种种偶
然因素导致试件与加载装置之间未完全夹紧 ,造成第一次加载的拔出量都比较大 ,且有较大离散性。从第二
次循环开始 ,由于上述初始条件所导致的离散性的消除 ,拔出量与拉拔力的关系则逐渐呈现出一定的规律
性 。其突出特点是 ,随着荷载循环次数的增加 ,各循环加卸荷曲线的间距逐渐由疏变密 ,单个循环的加卸荷
曲线形状逐渐由曲变直。这说明 ,每个循环新增加的拔出量随着荷载循环次数的增加而趋于减小 ,周期荷载
的作用使锚具的荷载与变形关系由明显的非线性弹塑性关系逐渐变为接近线弹性关系。
(a) R1 (b)R2 (c)R4
图 3　拉拔力 -拔出量关系
3. 2　周期荷载下双压花锚具的变形分析
锚具的变形可以分为弹性变形和塑性变形两部分。每个荷载循环的上限与下限拔出量之差为这个循环
的弹性变形 ,两个相邻荷载循环的上限拔出量之差为两个循环之间的总变形增量 、下限拔出量之差为两个循
环之间塑性变形的增量。某一循环加载达到上限值及卸载后 ,百分表所量测出来的拔出量 ,分别为至该荷载
循环为止的锚具总变形量以及累计的塑性变形总量 。由实测数据可以得到上述各种变形量与荷载循环次数
之间的关系曲线 ,并据此进行周期荷载下双压花锚具的变形分析。
(1)各荷载循环的弹性变形
图 4　各循环弹性变形与循环次数关系
在图 4中分别给出了试件 R1、R2和 R4在各荷载循环中弹性变形
与循环次数之间的关系曲线 。可以看出 ,对同一试件来说 ,每个荷载循
环的弹性变形实测值在不同循环中虽有某种程度的差异 ,但基本上一直
围绕某一固定的弹性变形值作幅度不大的波动 (试验设备条件及数据量
测采集误差对这种波动有一定影响)。根据实测结果 ,试件 R1和 R2的
这种弹性变形值接近 ,而试件 R4则高出约一倍左右。联系到 R4在各
荷载循环时 ,应力上限与 R1和 R2相同 ,而循环幅度范围也高出一倍 ,
说明这些试件在周期荷载下的弹性刚度大体相同 ,应力幅度的不同对此
无明显影响 。同时也表明 ,在两种应力幅度下 , 50次的荷载循环均未使
双压花锚具弹性刚度发生明显变化。
(2)各荷载循环的塑性变形
图 5分别给出了 R1、R2和 R4三个试件在各荷载循环中的塑性变形与循环次数之间的关系曲线 。可以
看出 ,在开始荷载循环时每个循环产生的塑性变形增量相对较大 ,随着循环次数的增加逐渐减小 ,最后每个
循环接近于零增量并在很小的范围内波动 。将两种应力幅度的试件加以比较 ,上述规律没有明显差别。这
表明这些试件后来每个荷载循环变形中的塑性变形成份很少 。
146 　　　　　　　　世　界　地　震　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　22卷
(a) R1 (b)R2 (c)R4
图 5　各循环塑性变形与循环次数关系
(3)荷载循环的累计拔出量
(a) R1 (b)R2 (c)R4
图 6　累计拔出量与循环次数关系
　　图 6分别给出了 R1、R2和 R4三个试件在各荷载循环中实测拔出量的上下限值变化与循环次数之间的
关系曲线。将各循环的应力下限拔出量值相连得到的包络线 ,反映的是荷载循环次数与累计塑性变形的关
系;将各循环的应力上限拔出量值相连得到的包络线 ,反映的是荷载循环次数与总变形的关系。由图中能够
明显看出 ,这两条包络线形状相似 ,其共同特点是:在开始的几个荷载循环 ,二者都随循环次数的增加而迅速
增长;然后就逐渐变得增长缓慢并呈互相平行之势 。它们之间纵坐标的差值就是每次荷载循环的弹性变形 ,
应力循环幅度范围一定时 ,大体为常量。
图 7　由荷载循环产生的累计塑性变形
　　为研究仅由周期荷载循环反复所产生的累计塑性变形总量 ,应消
除初始状态的影响 ,为此扣除了 R1、R2和 R4三个试件前两个循环产
生的残余变形 ,在此基础上得到图 7。观察这种累计塑性变形的最终
值 , R1为 0. 84mm , R2为 0. 44mm , R4为 1. 09mm。应力循环幅度相
同的 R1、R2的实测结果虽然有较大离散性 ,但若将其与 R4相比 ,仍
可反映出这样一种趋势:当应力幅度加大后 ,由周期荷载的循环反复
所产生的累计塑性变形总量有所增加 。本试验的量测结果还表明 ,一
般情况下 ,由周期荷载所产生的这种累计塑性变形 ,在量值上比试件
静力拉拔破坏时的锚具总变形小得多 ,影响不大。
(a) R4 (b)R5
图 8　周期试验后的静载拔出试验曲线 图 9　直接静载试验的典型曲线 [ 6]
1472期 赵　均等:预应力混凝土双压花锚具性能的低周重复荷载试验研究
3. 3　双压花锚具受低周重复荷载后的静力荷载性能
为研究双压花锚具在经历过多次重复加卸荷后的静力性能 ,对 R4和 R5两个试件在进行了周期荷载试
验后 ,又继续进行了静力拉拔试验直到最后破坏。这两个试件在周期荷载试验后的静载试验拉拔力 -拔出
量曲线见图 8。
将图 8与同一批试件中直接进行静载试验得到的典型拉拔力 -拔出量曲线图 9[ 6]比较可以看到 ,周期
荷载试验对锚具静载性能的影响主要表现在以下几个方面。
(1)拉拔力 -拔出量曲线的形状不同
直接静载试验的拔出量与拉拔力曲线关系在总体上类似于抛物线状 ,变化较为连续 ,而周期荷载试验后
的静载试验拔出量 -拉拔力曲线可分为界限较为明显的三段 ,第一段基本上是线弹性 ,第二段为很短的弹塑
性曲线关系 ,第三段接近于水平直线 ,略有强化;整个曲线接近于理想弹塑性曲线 。
　　(2)弹性变形阶段范围扩大 ,刚度增大
　　直接静载试验的拔出量 -拉拔力曲线在 0 ～ 150kN这一阶段可近似当作直线变化的;而在周期荷载试
验后的静载试验中 ,这一阶段的拔出量 -拉拔力关系几乎就是线弹性关系 ,而且其范围扩大到拉拔力 200kN
以上。对比两者的斜率 ,可以看出:周期荷载试验后静载试验曲线弹性阶段的刚度明显大于直接静载试验 ,
弹性变形减小。
　　(3)塑性变形阶段的塑性变形增大
　　在直接静载试验中 ,只有在钢绞线将要被拉断的前一两个荷载级别时 ,曲线有时才出现拉拔力增大不多
而拔出量增长较快的现象 ,但其长度很短;而周期荷载试验后的静载试验曲线超过弹性极限并经历较短的非
弹性曲线变化后 ,出现了很长的塑性变形阶段 ,拉拔力增大不多 ,而拔出量迅速发展 ,最终达到了很大的塑性
变形值 (R4为 16mm , R5为 18mm)。
　　(4)锚具的最大承载力和变形能力
　　将同一批试件的直接静载试验 [ 6]与本文试件 R4、R5的实测数据比较 ,两种试验时的试件最大承载力基
本相同 ,后者的最大拔出量略大于前者。因此可以认为:经历了周期荷载试验后 ,锚具的最大静载承载力和
极限变形能力没有降低。
4　主要结论
本文通过对 5个足尺寸双压花锚具试件的上述试验研究 ,可以得出以下结论:
(1)本文试验采用的双压花锚具达到了国家标准 [ 5]规定的周期荷载性能要求;
(2) 50次循环的周期荷载试验中 ,每个循环的塑性变形开始较大 ,但随着循环次数的增加而减小 ,并很
快稳定为接近于零 ,而弹性变形和弹性刚度不变。因此 ,荷载循环的作用 ,使每个循环中锚具的荷载与变形
关系由明显的非线性弹塑性关系逐渐变为接近线弹性关系。荷载循环幅度的不同 ,对这种规律无明显影响;
(3)经历了周期试验后 ,锚具的最大静载承载力和极限变形能力没有降低 。周期荷载对锚具静载性能
的影响主要体现在如下方面:周期荷载试验后的锚具静载拔出量 -拉拔力曲线可分为界限较为明显的三段 ,
整个曲线接近于理想弹塑性曲线;曲线弹性变形阶段的范围扩大 ,刚度增大 ,弹性变形减小;曲线有很长的塑
性变形阶段 。
致谢:北京市建筑工程研究院为本文研究提供了试件和试验条件等 ,张然 、冯蕾 、王丰 、秦杰 、徐瑞龙等同
志参加了试验工作 ,谨表感谢。
参考文献:
[ 1] 　郑文忠 ,祝庆俊.对预应力钢绞线压花锚具性能的研究 [ J] .哈尔滨建筑大学学报 , 1997, 30(1):15 - 20.
[ 2] 　李文利 ,柴文革.预应力混凝土压花锚具力学性能试验研究 [ J] .建筑技术 , 2002, 33(9):692 - 693.
[ 3] 　赵国景 ,李文利 ,等.预应力混凝土双压花锚具的试验研究 [ A ] .第十届结构工程学术会议论文集 [ C] .北京:清华大学出版社 , 2002, 468
- 470.
[ 4] 　冯蕾.双压花锚具的试验研究 [ J] .工业建筑 , 2005, 35(3):49 - 52.
[ 5] 　GB /T 14370 - 2000,预应力筋用锚具 、夹具和连接器 [ S] .
[ 6] 　张志强.预应力混凝土双压花锚具性能试验研究 [ D ] . 北京:北京工业大学 , 2005.
148 　　　　　　　　世　界　地　震　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　22卷