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预应力CFRP筋锚具的开发设计

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            预应力CFRP筋锚具的开发设计


    碳纤维复合材料(CFRP)是纤维复合材料(FRP)的一种,与工程中普遍使用的钢材相比,具有高强、质轻、耐电磁、耐腐蚀及减震性能好等特点,应用前景非常广阔,尤其是应用在超大跨桥中(如超大跨悬索桥的主缆,超大跨斜拉桥的拉索等)。在预应力梁中用它来代替易受环境腐蚀而失效且松弛损失大的预应力钢筋也有着很好的经济效益。然而,由于其横向抗剪强度较低,仅为纵向抗剪强度的10%左右[1]。在很多使用过程中,锚具的性能起控制作用而不是CFRP筋本身的强度,因此,需要研发新型CFRP筋专用锚具以提高CFRP筋的横向抗剪强度。国内外众多学者在CFRP筋锚固体系方面已做了很多研究工作,相继研究出了各种新型锚具,但在技术上还不够成熟。在工程应用中往往因锚具施工时夹片不能完整进入锚环或分离式夹片错位进入锚环而导致锚具失效,表明在这方面有待进一步研究。

  1 国内外CFRP筋锚具的研究现状

  1.1 国外研究现状

  CFRP筋锚具是在早期各种纤维聚合物(FRP)筋锚具的基础上发展起来的。1989年,Wolff和Miesser等提出了采用环氧砂锚固FRP筋;20世纪90年代初至90年代末期间Hod-hod、Uomoto、Nanni、Reda、Sayed-Ahmed等人采用夹持式锚具分别对各种FRP筋材进行锚固试验研究,,Erki和Rizkalla1993年在对FRP筋进行锚固研究时,在锚固区加设软金属套管包住FRP筋材以避免局部咬伤。

  20世纪90年代,日本、加拿大和美国等国的学者纷纷对传统的夹片式锚具进行了改进研究,并取得了丰富的成果[1]。1998年,Sayed-Ahmed和Shrive等研究了一种新型夹片式锚具,由锚杯、四片式的夹片以及铜软套管等组成,其中锚杯和夹片均采用不锈钢材料如图1所示[3]。该锚固系统属于楔型锚具系统,锚杯和夹片存在着较小的角度差以及在FRP筋的锚固区套上软套筒等措施有利于提高锚固性能[3]。1998年,Kerstens等在夹片式锚具的研究中,夹片采用尼龙材料,锚杯采用钢材,试验研究结果表明锚固效率系数达到了90%。2003年,Mahmoud等试验研究了新型混凝土楔型锚固系统,其中夹片以及锚杯的组成材料为超高强混凝土材料,且锚杯外侧用CFRP布包裹以提高锚杯的抗裂能力如图2所示[6]。试验表明,新型混凝土锚具具有较高的承荷能力和较强的抗腐蚀能力[6]。

  1.2 国内研究现状

  对于CFRP筋锚固体系的研究,我国不少学者也作出很大努力,文章简单概述如下:2007年,同济大学薛伟辰和张蜀泸研制开发了适用于CFRP锚杆的夹片式锚具,通过拉拔试验研究了CFRP筋与不同介质之间的界面粘结强度;湖南大学的蒋田勇、方志对机械夹持式锚具进行了研究,河海大学的张作诚对CFRP筋灌浆式锚具和夹片式锚具分别进行了研究。宁波大学的诸葛萍等研制了CFRP筋夹片式锚具,并对不同齿距的夹片、不同材质和壁厚的套管以及不同的预紧力进行了正交试验,以考察不同参数对CFRP筋夹片式锚具综合锚固性能的影响。东南大学的郭范波在吕国玉关于碳纤维增强塑料预应力筋锚具的设计基础上,通过理论分析和试验得出,锚具预紧力的大小与碳筋的滑移量有关,对碳筋的极限张拉强度没有影响。

  目前,国内的研究主要集中在CFRP筋粘结式锚具方面,而对于CFRP筋夹片式锚具的研究还较少。为了加快CFRP筋在中国实际工程中的应用,应在国外现有研究成果的基础上,对传统的夹片式锚具进行改进,使之适合锚固CFRP筋[1]。

  2 现有CFRP筋锚具综述

  对CFRP筋锚具的研究主要基于减小CFRP筋的径向剪切应力峰值和增大锚固区化学胶结力、摩擦力、机械咬合力等锚固力的思想[1]。目前,针对CFRP筋的横向效应,国内外一些研究机构相继研制了一系列新型锚具,从锚固原理上,基本可分为三类:楔形夹持式锚具、粘结型锚具、复合型锚具。

  2.1 楔形夹持式锚具

  2.1.1 分离夹片式锚具

  分离夹片式锚具由传统钢绞线锚具发展而来,主要由锚环、夹片、软金属套管、CFRP筋等部分组成,在夹片的内锥作用下,由摩擦力和机械咬合力对CFRP筋进行锚固[1]。夹片的齿距和齿深、套管壁厚、夹片锚杯的锥度及长度等是夹片式锚具锚固性能的主要影响[1];其优点是设计灵活、施工方便、互换性好;缺点是夹片在夹持过程中易产生应力集中,损伤FRP筋。

  2.1.2 锥塞式锚具

  锥塞式锚具的原理同夹片式锚具相似,由锥形锚环和锥塞组成,CFRP筋束放置在锚环内,并从中心均匀劈开,沿锚环径向均匀分布,锥塞从CFRP筋劈裂处顶进锚环,夹紧CFRP筋。该锚具避免了夹片对CFRP筋的夹持,但是由于CFRP筋在锚具前段不是直线型,存在角变现象,容易产生应力集中导致CFRP筋破坏,对CFRP筋的强度发挥有影响,并且对施工技术要求比较高,实际工程中较少使用。

  2.2 粘结型锚具

  FRP筋材是将FRP纤维通过树脂浸渍胶合而成的,树脂与树脂或树脂与水泥浆体之间有粘结性能,粘结型锚具就是通过界面间的胶结力、摩擦力以及表面凸凹产生的机械咬合力传递剪力的。目前粘结型锚具在国外最为常见。粘结型锚具的优点是对CFRP筋的环向压力小,避免了CFRP筋的夹伤破坏,锚固效率较高。缺点是该种锚具不易对中,锚固长度大,压力灌胶工艺复杂,对粘结介质的性能要求较高。   3 新型弹性夹环式锚具的研制

  通过分析上述CFRP筋锚具的优缺点,并结合CFRP筋自身特性,本文设计出一种能避免锚固区CFRP筋发生破坏的结构简单、施工方便、能重复使用的新型弹性夹环锚具。

  3.1 设计方案

  一种新型弹性夹环式锚具,包括用于套设在CFRP筋锚固区的软金属套管、呈倒锥形的弹性夹环、锚环和锚垫板。弹性夹环紧密套设在软金属套管的中部,整体卡嵌在锚环的锥形孔中,顶端沿其径向设置有三个上矩形槽,底端沿其径向设置有三个下矩形槽,上矩形槽与下矩形槽沿径向交错分布上矩形槽和所述的下矩形槽的宽度分别为0.4~0.6mm,深度分别为所述的弹性夹环长度的3/4-4/5,软金属套管与CFRP筋之间的摩阻角大于弹性夹环与锚环之间摩阻角和弹性夹环的圆锥角之和,以使预应力碳筋锚固良好,不致滑移。

  3.2 创新点

  本CFRP筋锚具在软金属套管选用薄壁铝套管或铜套管其内径与CFRP筋直径相同,使得套管与CFRP筋更好的锚固;弹性夹环为圆柱形,且内孔设置为圆角,使得端口受力得到良好过渡,内壁设置有凹凸不平的纹路,提高弹性夹环与软金属套管之间的摩擦力;上矩形槽和所述的下矩形槽的宽度分别为0.4~0.6mm,当弹性夹环向锚环推进时就可以很快对CFRP筋起到了夹持作用;锚环的内锥角略小于弹性夹环的外锥角且两者锥角差为0.05°-0.1°,弹性夹环的圆锥角小于或等于锚环与弹性夹环之间的摩阻角,可以防止预紧完毕卸载后弹性夹环回弹出锚环,使得锚具能够自锁。

  4 结语

  结合当前预应力CFRP筋锚具的研究现状,系统地归纳和总结目前的研究成果,在此基础上,提出一种夹片可整体同步跟进的弹性夹环式锚具的设计方案,但未就本设计方案作相关实验论证,该种锚具的锚固效率系数及各项参数有待确定。

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