CFRP索復(fù)合式錨具的協(xié)調(diào)工作機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

夏威　石天罡　胡偉

摘 要：文章主要介紹了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），有關(guān)CFRP 筋及其錨具研究和應(yīng)用，分別對(duì)粘結(jié)型、夾片型、復(fù)合型3 類(lèi)現(xiàn)有的主要類(lèi)型錨具的錨固機(jī)理、性能優(yōu)缺點(diǎn)等方面做了總結(jié)，提出與錨具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用相關(guān)的一些問(wèn)題和建議。

關(guān)鍵詞：錨固體系；錨固機(jī)理；CFRP；FRP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.009

0 引言

如今的社會(huì)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的社會(huì)，各世界都對(duì)土木工程行業(yè)的要求日益提高。在某些條件下，傳統(tǒng)的建筑材料難以滿(mǎn)足如今激增的發(fā)展要求。然而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）集輕質(zhì)、抗腐蝕、抗疲勞、高強(qiáng)度、高耐久、易設(shè)計(jì)與加工等多種優(yōu)點(diǎn)于一身。因而在現(xiàn)在的土木工程大環(huán)境下，地下結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)、海洋工程、高耐久性的應(yīng)用，以及結(jié)構(gòu)加固修復(fù)、特殊環(huán)境工程等工程應(yīng)用，都具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性，得到了大規(guī)模的應(yīng)用。待FRP技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功后，將對(duì)現(xiàn)代土木工程的技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生極大地推動(dòng)，而且具有非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

1 FRP材料特性的優(yōu)點(diǎn)及缺陷

FRP材料優(yōu)點(diǎn)很多，我們將FRP與鋼材進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)RP輕質(zhì)且其抗拉強(qiáng)度一般為鋼筋的2倍甚至達(dá)到10倍。然而FRP復(fù)合材料在與混凝土結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程中，通常由于FRP-混凝土相交界面強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致FRP-混凝土結(jié)構(gòu)界面被剝離破壞，喪失承載力。由此不難看出，F(xiàn)RP-混凝土界面粘結(jié)性能的問(wèn)題將成為當(dāng)務(wù)之急。另外，F(xiàn)RP復(fù)合材料耐腐蝕、抗疲勞性能好，但是很多FRP產(chǎn)品的彈性模量較小，因而，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常由變形控制。FRP復(fù)合材料也存在著一定的缺點(diǎn)，例如在紫風(fēng)沙雨雪、機(jī)械應(yīng)力等作用下易導(dǎo)致其性能下降；另外一般FRP復(fù)合材料防火性能、長(zhǎng)期耐溫性能差，不能在高溫下長(zhǎng)期使用。

FRP復(fù)合材料的抗剪強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的5%～20%，因此FRP構(gòu)件在連接過(guò)程中需研制特定的錨具、夾具。這也使得FRP構(gòu)件的適合程度成為突出研究的問(wèn)題。近幾年，CFRP筋錨具的研制開(kāi)發(fā)逐漸在我國(guó)發(fā)展起來(lái)。主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)傳統(tǒng)夾片式錨具的改造以及對(duì)新型錨具的開(kāi)發(fā)。東南大學(xué)張志文團(tuán)隊(duì)結(jié)合了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的張拉設(shè)備，開(kāi)發(fā)了粘砂夾片式、帶護(hù)套夾片式、套筒灌膠式及杯口灌膠式錨具。廣西工學(xué)院張鵬團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)夾片式錨具進(jìn)行了改造，減小了對(duì)碳纖維筋的嵌入深度并適當(dāng)降低了齒距和齒高，顯著增加了摩擦力[6]。

2 三類(lèi)錨具簡(jiǎn)介

通過(guò)業(yè)界對(duì)粘結(jié)型錨具與夾片型錨具已經(jīng)進(jìn)行的大量研究，發(fā)現(xiàn)這兩種錨具各有優(yōu)點(diǎn)：粘結(jié)型錨具對(duì)CFRP筋的環(huán)向壓力小，避免了CFRP筋的夾傷破壞，錨固效率高；夾片型錨具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，便于工程現(xiàn)場(chǎng)安裝。但這兩種錨具也具有一定的局限性：粘結(jié)型錨具因錨固性能的要求往往需要較大的錨固體積，且群錨中不能進(jìn)行單根換筋。錨固長(zhǎng)度大，壓力灌膠工藝復(fù)雜，對(duì)粘結(jié)介質(zhì)的性能要求較高；夾片型錨具滑移量大且容易對(duì)CFRP筋造成損傷，在夾片切口處易發(fā)生疲勞破壞。復(fù)合型錨具的研究可有效解決現(xiàn)有CFRP筋粘結(jié)型錨具與夾片型錨具的不足[7]。

我國(guó)復(fù)合型錨具主要有兩類(lèi)，分別為CFRP筋串式-復(fù)合型錨具和CFRP筋并式-復(fù)合型錨具。CFRP筋串式-復(fù)合型錨具由粘結(jié)錨固段和契緊錨固段組成，兩個(gè)錨固段發(fā)揮類(lèi)似串聯(lián)式的錨固作用。該類(lèi)錨具的優(yōu)點(diǎn)是分段充分發(fā)揮錨固段的錨固作用，錨固長(zhǎng)度小、錨固效率系數(shù)較高。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)錨固段先后失效的情況，兩個(gè)錨固段的工作協(xié)同性還有待進(jìn)一步研究[8]。

3 復(fù)合式錨具的性能介紹

復(fù)合式錨具結(jié)合了粘結(jié)式和夾片式的優(yōu)點(diǎn)，并相互彌補(bǔ)了不足。復(fù)合型錨具相比CFRP夾片式錨具和粘結(jié)式錨具，由于夾片的內(nèi)錐作用，可增大摩擦錨固力，提高錨固效率，同時(shí)對(duì)金屬套管與膠體對(duì)CFRP筋起到保護(hù)作用，避免錨固區(qū)筋材夾傷破壞，相比于直筒型粘結(jié)錨具，徑向夾持力可明顯增加摩擦錨固力。但是復(fù)合式錨具也有一定的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)中的金屬筒主要受壓，壓力較大時(shí)金屬筒易發(fā)生彎曲變形，從而使錨具提前破壞。為避免此情況，應(yīng)將受拉區(qū)長(zhǎng)度大于受壓區(qū)長(zhǎng)度。破壞特點(diǎn)夾持區(qū)先發(fā)生粘結(jié)破壞，錨固應(yīng)力峰值傳到受壓區(qū)，受壓區(qū)應(yīng)力快速增長(zhǎng)，然后發(fā)生滑移破壞[9]。

疲勞荷載下，組裝件的失效總是發(fā)生在CFRP筋上。錨具中不會(huì)發(fā)生提前的失效破壞。循環(huán)荷載對(duì)碳纖維筋的機(jī)械性能影響很小，彈性模量的最高降幅為4%。比起最小應(yīng)力的變化，筋材-錨具組裝件的疲勞壽命受施加的應(yīng)力范圍的影響更大。推薦的筋材-錨具組裝件的疲勞極限為應(yīng)力范圍為筋材極限承載力的10%。低于此應(yīng)力范圍 ，組裝件可認(rèn)為能夠承受無(wú)限次的疲勞壽命。

復(fù)合式錨具存在靜載優(yōu)勢(shì)，其塑料薄膜可以大大減小錨杯與和塑料夾片之間的摩擦系數(shù)，增加夾片的自動(dòng)跟進(jìn)性，從而提高錨具的極限承載能力。增加預(yù)應(yīng)力有利于提高接觸面的徑向壓應(yīng)力，達(dá)到減小CFRP筋的滑移，提高錨具的極限承載效果。套管可以避免CFRP筋直接與金屬片接觸，分散集中應(yīng)力有利于錨固CFRP筋。CFRP筋與夾片的滑移是同步的，錨杯傾角，錨杯長(zhǎng)度，夾片預(yù)緊力以及凹齒間距等參數(shù)越大，相同荷載對(duì)應(yīng)的CFRP筋和夾片的滑移量越小。而套管厚度越大，相同荷載對(duì)應(yīng)的CFRP筋和夾片滑移反而越大[10]。

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作者介紹：夏威（1993-），男，江蘇泰州人，在讀本科。