预应力深埋锚具结构设计及施工技术研究

曾航宇

【摘 要】深埋锚具作为一种新型的锚固体系形式，有着诸多优点，越来越多的预应力桥梁工程应用深埋锚具取代常规的锚具结构。文章对深埋锚具的结构设计和施工应用进行研究，为深埋形式的锚具体系的优化及工程施工工艺的改善提供有益的参考。

【关键词】预应力;深埋锚具;结构设计;施工技术

【中图分类号】TG502 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0125-03

0 引言

目前，我国公路桥梁使用的后张法预应力简支梁构件大多采用二次封锚的施工工艺，即以两端锚垫板为界分段浇筑，把两端锚垫板以内（预应力结构段）作为一个整体一次浇筑成型，锚垫板外侧这段暂不浇筑，待张拉压浆后再立侧模、端模，然后浇筑封锚、封端混凝土。采用这种施工方法生产预制梁构件存在诸多弊端，主要表现在以下几个方面：一片预制梁分3段浇筑多了2条接缝，并且这类大平面接缝很难控制其平整度。一片预制梁分期、分段浇筑，强度上升不一致，外观颜色反差太大。预制梁中段（即两端锚垫板之间）为预应力结构，两端为普通钢筋混凝土，结构不一样，受力状态各异。张拉压浆后再二次立模浇筑封端混凝土，多了几道工序，延长了生产周期，增加了台座的负担。

为了克服目前预制梁二次封锚产生的各种质量缺陷，越来越多的工程采用一次浇筑成型，即采用深埋锚的封锚施工工艺。在主梁预制的时候，通过在梁端预埋钢套筒为张拉预应力钢束留出空间，主梁一次浇筑成型;张拉时采用改进的深埋锚具将千斤顶引出混凝土外壁，在梁端进行张拉;张拉完毕后，按设计规范对钢套筒进行切割，然后完成注浆、封锚等工序。

深埋锚的施工工艺由于避免了二次立模浇筑、普通锚所需的预应力张拉端槽口过大，因此张拉前需切断结构主筋及劲性骨架，张拉完毕后将劲性骨架焊接回原处，解决了操作烦琐等难题，简化了施工工艺，能够最大限度地减少对主梁截面的削弱，确保了预制主梁的整体受力性能和施工质量。

1 深埋锚具结构设计要点

深埋锚具一般由锚具四件套（工作锚板、工作夹片、锚垫板、螺旋筋）和深埋套筒组成。锚具四件套即为工程中常用的常规锚具，其中锚垫板与深埋套筒组合安装，预埋于预应力梁体内。浇筑混凝土后，深埋套筒处形成一个空腔，用于张拉时安装工作锚板、夹片和钢绞线穿束张拉等。在进行深埋锚固端张拉时，不需要破坏混凝土自身结构，同时能方便快捷地完成张拉作业，大幅提高预应力构件施工效率及安全性。

对于深埋锚具的各个部件，其性能需满足以下几点要求：静载性能达到《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370—2015）和《后张预应力体系验收建议》（FIP—1993）的要求，锚具效率系数ηa≥0.95，极限延伸率εapu≥2%的要求[1]。锚垫板性能满足《后张预应力体系验收建议》（FIP—1993）[2]。深埋锚固体系的锚具及辅助张拉装置能满足实际工程施工需要。所设计的产品应易于生产，结构形式经济、合理。

深埋锚具配套的深埋套筒主要分为大套筒结构和小套筒结构两种类型。为了避免安装套筒时，套筒挡住锚垫板的灌浆孔，干涉灌浆管的安装，大套筒结构类型的套筒外径设计得较大，能将工作锚板、灌浆管、锚垫板安装螺栓包含在套筒内。以12孔的深埋锚具为例，大套筒结构形式如图1所示。

小套筒结构类型的套筒外径较小，相对于钢制大套筒类型，小套筒类型的设计多了一个过渡垫环零件。套筒安装时会挡住锚垫板的灌浆孔，过渡垫环的作用是避免套筒与灌浆管和安装锚垫板的螺栓干涉。以15孔深埋锚具为例，小套筒类型的结构如图2所示，锚垫板安装螺栓埋于套筒底板法兰盘之下，过渡垫环还利用错位孔结构使得锚垫板上的灌浆孔与深埋套筒底板法兰盘上的灌浆管安装孔相互连通，确保不干涉灌浆管的安装。

1.1 大套筒结构设计要点

深埋套筒一般采用Q235钢材，大套筒结构类型由套筒和底板2个部分组成，套筒和底板采用焊接工艺焊接为一个整体。以配套公路标准的系列锚具为例，对深埋套筒的设计思路参考以下几个要点：底板内径φC需至少比所配套锚板外径大4 mm，以便锚板安装;配套低回缩锚具时，套筒内径需保证留有足够进行旋紧低回缩螺母的操作空间。底板上与锚垫板灌浆孔配合的通孔为φ32 mm，便于M27的灌浆管的安装。为了便于底板与锚垫板通过螺栓连接，底板上的4个通孔为4×φ12 mm，配合4×M10螺栓。这4个通孔可设计为长孔形式，增大与锚垫板连接安装时的容错率。为便于灌浆管的安装，套筒内壁与锚垫板灌浆孔（即底板上的φ32 mm通孔）中心点距离应不小于20 mm，以此为依据确定套筒的内径φD。在浇筑混凝土时，为保证套筒承受的压应力不会导致套筒产生形变、开裂，套筒的壁厚应不小于3 mm。深埋套筒底板与锚垫板端面为螺栓连接，套筒越长，受剪力越大，同时要考虑底板的平整度，保证底板与锚垫板端面贴合紧密，因此底板厚度设计为不小于6 mm。底板外径需比套筒的外径大10 mm，即单边比套筒宽出5 mm，方便从套筒外焊接套筒与底板的连接处。套筒的长度L1、L2需根据具体工程中梁体的外形，以及对锚垫板预埋位置的设计需求确定。符合《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）標准的要求;也可选用尺寸合适的φ20 mm无缝管，符合《结构用无缝钢管》（GB/T 8162—2008）标准的要求。

1.2 小套筒结构设计要点

埋套筒一般采用Q235钢材，由套筒、底板和过渡垫环3个零件组成，套筒和底板采用焊接工艺焊接为一个整体，施工时通过螺栓连接，将套筒、过渡垫环、锚垫板连接安装牢固。相对于钢制大套筒类型，小套筒类型多了一个过渡垫环零件，过渡垫环的作用是避免套筒壁与灌浆管和安装锚垫板的螺栓干涉。以配套公路标准的系列锚具为例，对深埋套筒的设计思路参考以下几个要点：为了施工方便且满足尽量减小套筒外形尺寸的需求，套筒的内径设计为比配套锚板的外径大10 mm。在浇筑混凝土时，为保证套筒承受的压应力不会导致套筒产生形变，套筒的壁厚需不小于3 mm。深埋套筒底板与锚垫板端面为螺栓连接，套筒越长，受剪切力越大，同时要考虑底板的平整度，保证底板与垫环端面贴合紧密，因此底板厚度设计为不小于6 mm。套筒的长度L1、L2需根据具体工程中梁体的外形和梁体预应力设计确定。过渡垫环如图3所示，其内径φD需至少比所配套锚板外径大4 mm。4×φ12 mm为螺栓安装孔，用于螺钉穿过将垫环和锚垫板连接，为了螺钉头不突出垫环平面，4×φ18 mm沉孔深度为12 mm。交错相通的孔φ28 mm和M27，其中心距离不宜大过14 mm，钻孔深度为15 mm，以免因错孔影响灌浆时浆体流量。过渡垫环厚度设计为25 mm左右，以保证各孔的深度。筒体、底板和垫板一般都采用Q235钢，符合《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）标准的要求;也可选用尺寸合适的20 mm无缝管，符合《结构用无缝钢管》（GB/T 8162—2008）标准的要求。

1.3 深埋锚具配套工具设计要点

工程采用深埋锚具时，张拉施工需配套专用的施工工具：延长筒或限位延长筒。配套大套筒类型的深埋套筒时，延长筒和限位板为分体式，限位板为常规的对应孔位限位板，张拉时先装限位板，然后装延长筒抵住限位板，进行张拉。配套小套筒类型的深埋锚具时，由于张拉空间小，需特制限位延长筒，将限位板和延长筒组焊為一个整体。限位延长筒如图4所示。

限位延长筒是将延长筒与限位板组焊为一个整体，限位板需结合需求进行特殊设计。设计思路参考以下几点要求：延长筒的底座外径φA，需与张拉用的千斤顶底部止口配合，φA小于止口直径2～5 mm为宜。延长筒在张拉时受压应力，根据张拉力、延长筒的筒体外径φD、内径φB确定延长筒所受的压应力σ，安全系数取1.2，保证1.2σ≤延长筒材料的屈服强度，φD应小于配套的深埋套筒内径4 mm。限位板外径=延长筒外径=φD。为保证钢绞线能顺利穿过延长筒内腔，采用φ15.2 mm钢绞线时，延长筒内径，φB≥锚具锥孔中心排布最大分度圆+20 mm。由于套筒内空间限制，特制的限位板可不设计与工作锚板配合的止口。？譾？訛在延长筒的筒身上需钻攻2×M12的螺纹孔，方便施工时安装吊环螺钉进行吊装。？譿？訛限位延长筒的总长度L，应大于所配套的深埋锚具套筒长度约50 mm，同时需考虑张拉时，混凝土端面是否与千斤顶成角度，以保证延长筒底座与千斤顶配合安装时不会干涉混凝土外表面为原则，确定限位延长筒的具体长度。延长筒和限位延长筒在张拉过程中为受力件，一般采用40Cr合金结构钢，符合《合金结构钢》（GB/T 3077—2015）标准要求。

2 深埋锚具施工技术要点

深埋锚具属于后张预应力锚具中的一种，由于是将锚具深埋于构件混凝土中，因此在张拉端预留的张拉孔道较小，需将千斤顶引出构件端面进行张拉施工，其施工工艺流程及要点主要有以下几点。

（1）安装锚垫板：在构件要求的位置准确安装锚垫板，并安装定位螺栓和波纹管。

（2）安装深埋套筒：用螺栓将套筒固定安装在锚垫板上，套筒靠近构件外表面的端面，需用连接扣件与端面模板安装定位，各端面的连接处需保证密封，防止浇筑混凝土时浆体流入套筒内。

（3）安装灌浆管：在锚垫板的灌浆孔上安装灌浆管，伸出构件端面以便张拉锚固后对孔道进行压浆作业。

（4）预应力张拉：浇筑完混凝土，待混凝土强度达到设计要求后，进行预应力筋穿束，预应力筋应预留足够的张拉长度。安装工作锚板和工作夹片，安装工作锚板时注意查看锚板是否进入锚垫板止口内，夹片应用合适的钢管均匀打紧，使夹片的外露长度基本一致。安装配套的张拉工具限位延长筒，限位板一侧伸入套筒中压住锚板进行限位张拉，另一侧与千斤顶配合安装。安装千斤顶和工具锚板、工具夹片，在安装工具锚时注意钢绞线不要打绞。按要求进行预应力张拉操作。

（5）进行孔道压浆和封锚作业。封锚时，锚头周围套筒的空腔处可适当布置钢筋网片，钢筋与套筒焊接，然后填充混凝土封锚。

深埋锚具为后张预应力锚具的一种，本研究只是对深埋锚具施工技术要点做了分析，具体的施工工艺参考《公路桥涵施工技术规范》[3]。

3 结束语

深埋锚具对预应力梁的作用较大，使其得到越来越多的应用。设计者在桥梁的预应力结构设计中，更倾向于选用深埋锚具取代普通锚具。相比普通锚具，深埋锚具的成本虽然略高，但是其众多优点足以抵消成本上的劣势。目前，大多数工程项目中使用的深埋锚具一般都是配套钢制的深埋套筒，但深埋套筒在结构中实际上只承受混凝土内部自身的压应力，钢质材料的套筒，其材料性能相对需求是有过分冗余的。

预应力技术在不断提高，深埋锚固技术也在不断发展，目前市场上对深埋锚固体系产品提出了更高要求，如性价比高、标准化程度高等，因此在深埋锚固技术上我们还有许多研究工作要做。在今后的发展中，不论是材料还是结构形式、制造方式，深埋锚具仍有很多优化、改进和发展的空间。深埋锚具或将成为一种最常用的预应力锚具。

参 考 文 献

[1]GB/T 14370—2015，预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].

[2]FIP—1993，后张预应力体系验收建议[S].

[3]JTG/T 3650—2020，公路桥涵施工技术规范[S].