預應力CFRP筋錨具的開發(fā)設計

摘 要：該文簡單介紹了預應力CFRP筋錨具的研究現(xiàn)狀，主要涉及預應力CFRP筋錨固體系的類型和特點，系統(tǒng)地歸納和總結了其研究成果；在此基礎上，設計了一種夾片可整體同步跟進的彈性夾環(huán)式錨具，并分析了該新型錨具結構的創(chuàng)新之處。

關鍵詞：預應力 CFRP筋 錨固體系 彈性夾環(huán)

中圖分類號：TU757文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0027-02

碳纖維復合材料（CFRP）是纖維復合材料（FRP）的一種，與工程中普遍使用的鋼材相比，具有高強、質輕、耐電磁、耐腐蝕及減震性能好等特點，應用前景非常廣闊，尤其是應用在超大跨橋中（如超大跨懸索橋的主纜，超大跨斜拉橋的拉索等）。在預應力梁中用它來代替易受環(huán)境腐蝕而失效且松弛損失大的預應力鋼筋也有著很好的經(jīng)濟效益。然而，由于其橫向抗剪強度較低，僅為縱向抗剪強度的10%左右[1]。在很多使用過程中，錨具的性能起控制作用而不是CFRP筋本身的強度，因此，需要研發(fā)新型CFRP筋專用錨具以提高CFRP筋的橫向抗剪強度。國內(nèi)外眾多學者在CFRP筋錨固體系方面已做了很多研究工作，相繼研究出了各種新型錨具，但在技術上還不夠成熟。在工程應用中往往因錨具施工時夾片不能完整進入錨環(huán)或分離式夾片錯位進入錨環(huán)而導致錨具失效，表明在這方面有待進一步研究。

1 國內(nèi)外CFRP筋錨具的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

CFRP筋錨具是在早期各種纖維聚合物（FRP）筋錨具的基礎上發(fā)展起來的。1989年，Wolff和Miesser等提出了采用環(huán)氧砂錨固FRP筋；20世紀90年代初至90年代末期間Hod-hod、Uomoto、Nanni、Reda、Sayed-Ahmed等人采用夾持式錨具分別對各種FRP筋材進行錨固試驗研究，，Erki和Rizkalla1993年在對FRP筋進行錨固研究時，在錨固區(qū)加設軟金屬套管包住FRP筋材以避免局部咬傷。

20世紀90年代，日本、加拿大和美國等國的學者紛紛對傳統(tǒng)的夾片式錨具進行了改進研究，并取得了豐富的成果[1]。1998年，Sayed-Ahmed和Shrive等研究了一種新型夾片式錨具，由錨杯、四片式的夾片以及銅軟套管等組成，其中錨杯和夾片均采用不銹鋼材料如圖1所示[3]。該錨固系統(tǒng)屬于楔型錨具系統(tǒng)，錨杯和夾片存在著較小的角度差以及在FRP筋的錨固區(qū)套上軟套筒等措施有利于提高錨固性能[3]。1998年，Kerstens等在夾片式錨具的研究中，夾片采用尼龍材料，錨杯采用鋼材，試驗研究結果表明錨固效率系數(shù)達到了90%。2003年，Mahmoud等試驗研究了新型混凝土楔型錨固系統(tǒng)，其中夾片以及錨杯的組成材料為超高強混凝土材料，且錨杯外側用CFRP布包裹以提高錨杯的抗裂能力如圖2所示[6]。試驗表明，新型混凝土錨具具有較高的承荷能力和較強的抗腐蝕能力[6]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

對于CFRP筋錨固體系的研究，我國不少學者也作出很大努力，文章簡單概述如下：2007年，同濟大學薛偉辰和張蜀瀘研制開發(fā)了適用于CFRP錨桿的夾片式錨具，通過拉拔試驗研究了CFRP筋與不同介質之間的界面粘結強度；湖南大學的蔣田勇、方志對機械夾持式錨具進行了研究，河海大學的張作誠對CFRP筋灌漿式錨具和夾片式錨具分別進行了研究。寧波大學的諸葛萍等研制了CFRP筋夾片式錨具，并對不同齒距的夾片、不同材質和壁厚的套管以及不同的預緊力進行了正交試驗，以考察不同參數(shù)對CFRP筋夾片式錨具綜合錨固性能的影響。東南大學的郭范波在呂國玉關于碳纖維增強塑料預應力筋錨具的設計基礎上，通過理論分析和試驗得出，錨具預緊力的大小與碳筋的滑移量有關，對碳筋的極限張拉強度沒有影響。

目前，國內(nèi)的研究主要集中在CFRP筋粘結式錨具方面，而對于CFRP筋夾片式錨具的研究還較少。為了加快CFRP筋在中國實際工程中的應用，應在國外現(xiàn)有研究成果的基礎上，對傳統(tǒng)的夾片式錨具進行改進，使之適合錨固CFRP筋[1]。

2 現(xiàn)有CFRP筋錨具綜述

對CFRP筋錨具的研究主要基于減小CFRP筋的徑向剪切應力峰值和增大錨固區(qū)化學膠結力、摩擦力、機械咬合力等錨固力的思想[1]。目前，針對CFRP筋的橫向效應，國內(nèi)外一些研究機構相繼研制了一系列新型錨具，從錨固原理上，基本可分為三類：楔形夾持式錨具、粘結型錨具、復合型錨具。

2.1 楔形夾持式錨具

2.1.1 分離夾片式錨具

分離夾片式錨具由傳統(tǒng)鋼絞線錨具發(fā)展而來，主要由錨環(huán)、夾片、軟金屬套管、CFRP筋等部分組成，在夾片的內(nèi)錐作用下，由摩擦力和機械咬合力對CFRP筋進行錨固[1]。夾片的齒距和齒深、套管壁厚、夾片錨杯的錐度及長度等是夾片式錨具錨固性能的主要影響[1]；其優(yōu)點是設計靈活、施工方便、互換性好；缺點是夾片在夾持過程中易產(chǎn)生應力集中，損傷FRP筋。

2.1.2 錐塞式錨具

錐塞式錨具的原理同夾片式錨具相似，由錐形錨環(huán)和錐塞組成，CFRP筋束放置在錨環(huán)內(nèi)，并從中心均勻劈開，沿錨環(huán)徑向均勻分布，錐塞從CFRP筋劈裂處頂進錨環(huán)，夾緊CFRP筋。該錨具避免了夾片對CFRP筋的夾持，但是由于CFRP筋在錨具前段不是直線型，存在角變現(xiàn)象，容易產(chǎn)生應力集中導致CFRP筋破壞，對CFRP筋的強度發(fā)揮有影響，并且對施工技術要求比較高，實際工程中較少使用。

2.2 粘結型錨具

FRP筋材是將FRP纖維通過樹脂浸漬膠合而成的，樹脂與樹脂或樹脂與水泥漿體之間有粘結性能，粘結型錨具就是通過界面間的膠結力、摩擦力以及表面凸凹產(chǎn)生的機械咬合力傳遞剪力的。目前粘結型錨具在國外最為常見。粘結型錨具的優(yōu)點是對CFRP筋的環(huán)向壓力小，避免了CFRP筋的夾傷破壞，錨固效率較高。缺點是該種錨具不易對中，錨固長度大，壓力灌膠工藝復雜，對粘結介質的性能要求較高。

3 新型彈性夾環(huán)式錨具的研制

通過分析上述CFRP筋錨具的優(yōu)缺點，并結合CFRP筋自身特性，本文設計出一種能避免錨固區(qū)CFRP筋發(fā)生破壞的結構簡單、施工方便、能重復使用的新型彈性夾環(huán)錨具。

3.1 設計方案

一種新型彈性夾環(huán)式錨具，包括用于套設在CFRP筋錨固區(qū)的軟金屬套管、呈倒錐形的彈性夾環(huán)、錨環(huán)和錨墊板。彈性夾環(huán)緊密套設在軟金屬套管的中部，整體卡嵌在錨環(huán)的錐形孔中，頂端沿其徑向設置有三個上矩形槽，底端沿其徑向設置有三個下矩形槽，上矩形槽與下矩形槽沿徑向交錯分布上矩形槽和所述的下矩形槽的寬度分別為0.4～0.6mm，深度分別為所述的彈性夾環(huán)長度的3/4-4/5，軟金屬套管與CFRP筋之間的摩阻角大于彈性夾環(huán)與錨環(huán)之間摩阻角和彈性夾環(huán)的圓錐角之和，以使預應力碳筋錨固良好，不致滑移。

3.2 創(chuàng)新點

本CFRP筋錨具在軟金屬套管選用薄壁鋁套管或銅套管其內(nèi)徑與CFRP筋直徑相同，使得套管與CFRP筋更好的錨固；彈性夾環(huán)為圓柱形，且內(nèi)孔設置為圓角，使得端口受力得到良好過渡，內(nèi)壁設置有凹凸不平的紋路，提高彈性夾環(huán)與軟金屬套管之間的摩擦力；上矩形槽和所述的下矩形槽的寬度分別為0.4～0.6mm，當彈性夾環(huán)向錨環(huán)推進時就可以很快對CFRP筋起到了夾持作用；錨環(huán)的內(nèi)錐角略小于彈性夾環(huán)的外錐角且兩者錐角差為0.05°-0.1°，彈性夾環(huán)的圓錐角小于或等于錨環(huán)與彈性夾環(huán)之間的摩阻角，可以防止預緊完畢卸載后彈性夾環(huán)回彈出錨環(huán)，使得錨具能夠自鎖。

4 結語

結合當前預應力CFRP筋錨具的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地歸納和總結目前的研究成果，在此基礎上，提出一種夾片可整體同步跟進的彈性夾環(huán)式錨具的設計方案，但未就本設計方案作相關實驗論證，該種錨具的錨固效率系數(shù)及各項參數(shù)有待確定。

參考文獻

[1]諸葛萍，任偉平，強士中，等.碳纖維（CFRP）筋錨固體系的研究現(xiàn)狀及應用[J].中外公路，2010，30（2）：158-163.

[2]詹界東，杜修力，鄧宗才.預應力FRP筋錨具的研究與發(fā)展[J].工業(yè)建筑，2006，36（12）：65-68.

[3]張夏輝.碳纖維增強預應力筋錨具的設計研究[D].濟南：山東大學，2009.