预应力CFRP板锚具实验研究

黄滔

摘要：双夹片式曲线微齿锚具，采用两块带微齿的曲线型钢板闭合而成。通过锚具内部曲线和微齿构造实现对CFRP板的锚固，并通过实验研究及理论分析证明该锚具拥有良好的锚固性能。

关键词：CFRP板、预应力锚具、锚固机理

中图分类号： U455.7+1 文献标识码：A 文章编号：

Abstract: double clip chip micro tooth curve anchorage, using two pieces of take the tooth type steel plate into closed curve. Through the anchorage internal curve and the tooth structure of CFRP plate of anchorage realization, and through experiment and theoretical analysis shows that the anchorage with good performance of anchorage.

Keywords: CFRP plate, prestressed anchorage, anchor mechanism

一、 引言

采用普通方法粘贴CFRP片材对进行受弯构件进行抗弯加固的方法是目前加固行业普遍采用的手段之一，但该方法存在诸多问题及缺陷：加固后CFRP应力水平发挥不高、材料强度利用率低、不能改善构件正常极限使用状态性能、不能解决已有损伤的恢复问题等。为了更好的发挥出CFRP材料高强度的特点以及解决上述问题，最好的方法就是对CFRP材料施加预应力，形成类似体外预应力的CFRP预应力系统应用到加固工程中。预应力系统的关键部分就是开发可靠、实用、经济的CFRP材料的专用锚具[1~5]。

二、CFRP板锚具构造及锚固机理

1.锚具构造

本锚具为双夹片式曲线微齿锚具，利用碳纤维粘接胶体固结后的抗剪能力而实现锚固能力，组成部分有：上下闭合的钢板和连接钢板的高强螺栓，具体为上下两块内部为曲线型的钢板，其闭合面上设置有凹凸深度为0.2mm的微齿，上下钢板通过10颗高强度螺栓连接闭合，锚具尾部设计有8个螺栓孔，可通过尾部螺栓与张拉装置或锚固装置连接实现对CFRP板的张拉和锚固工序。

图1.1

2.锚固机理分析

锚具夹片闭合后内部形成曲线形状如图1.2所示。 CFRP板在预紧力作用下紧贴于锚具界面上，在CFRP板与锚具夹片之间涂有专用的碳纤维胶粘剂，胶粘剂在固化后能提供抵抗CFRP板拉力的界面粘接剪力，在CFRP板受拉后，由曲线产生的弯曲效应在粘接界面上会产生与界面垂直的正应力 σ。

根据文献[6]，环氧树脂粘接厚度在0.2mm时能得到较高的粘接强度，所以锚具内部刻有深度在0.2mm的微齿，既保证曲线效果又能保证胶体厚度达到要求。

当曲线型锚具在CFRP板受力后前面粘接胶体端部会出现应力集中，应力峰值如果超过胶体的抗剪强度将破坏从而退出工作，胶体破坏随之往锚具内部发展；此时由弯曲效应而的界面正应力σ将使滑移界面产生摩擦剪应力，该应力将代替胶体剪应力继续提供一定锚固力，随着滑移长度的逐渐向内发展总摩擦力也随之增大，使CFRP板拉应力逐渐减小，胶体峰值应力降低，胶体峰值低于胶体抗剪强度时滑移停止发展，锚固力實现。

图1.2

现单独取出锚具中一个弧段进行分析见图1.3。

图1.3 锚具内部受力分析

—界面正应力，方向垂直于界面；

— 微段上CFRP拉力；

对弧段上取出段 进行分析：

①

对于界面摩擦力，假设界面摩擦系数为 则：

②

将○1代入○2得

(1.1)

对(1.1)积分得

(1.2)

代入初始条件当时

得(1.3)

（1.3）是滑移后CFRP板拉力与摩擦系数和锚具内曲线转角之间的关系。从（1.3）可知由于摩擦力的存在，在滑移产生的区段CFRP板拉力会随着滑移界面长度的增加而减小。从而可推得，随着滑移长度增加CFRP板在锚具内部拉力减小，将使未滑移段胶体端部应力峰值相应降低，当应力峰值低于交接强度时滑移停止，锚具锚固力与CFRP拉力重新达到平衡，锚具实现CRP板的锚固，这便是曲线锚具最终实现锚固的原理。

三、锚具锚固力实验

CFRP板采用中国航天材料及工艺研究所提供的CFP50/12型高强度CFRP板，规格为： 。

表2.1CFRP板物理力学性能

性能指标 检测值

抗拉强度标准值（Mpa） 2157Mpa

弹性模量 (Mpa) 1.44×105MPa

伸长率 (%) 1.5%

CFRP板粘接采用了日本辰日株式会社提供的 TH-RESIN 型胶,胶体性能见表2.2。

表2.2TH-RESIN 性能指标

试验张拉设备为 1000KN 万能试验机，实验构件采用1000mmCFRP板，两端分别安装上本实验锚具，安装与实验机上进行张拉实验。

张拉试验最终以碳纤维板局部断裂且不能继续加载时结束，张拉极限荷载为121KN，CFRP板在破坏时应力达到了2016 Mpa，整个试验过程中都没发现有严重滑移迹象，试验结束后将锚具打开观察内部胶体情况发现锚具内部并无明显滑移痕迹；实验结果表明本锚具锚固力良好，达到了实用条件下的使用要求。

四、结语

（1）双夹片式曲线型微齿锚具，具有体积小、重量轻，构造简单等优点；

（2）曲线形式锚具在CFRP板受拉时能够在界面产生垂直于界面的正应力，正应力存在对锚具锚固力有两方面有利影响：①直接提高胶体的粘接抗剪强度；②在已滑移区段能产生摩擦力能有效阻止滑移发展从而使锚具能够完成锚固CFRP板的功能；

（3）试验结果表明双夹片式曲线微齿锚具锚固力已能完全实现对预应力CFRP板系统的张拉需求，能够充分发挥材料高强度的特性，锚固机理明确、锚固力可靠。

参考文献

1. 周朝阳, 贺学军, 王兴国等. 连续纤维加固结构技术及其发展中的若干问题[J]. 施工技术, 2003 .

2. 薛伟辰,李杰. CFRP材料在加固工程中的应用研究[J] 2001.12.

3. Triantafillou T.C.，Deskovic N.Innovative.Prestressing with FRP sheets：mechanics of short一term behavior [J]. Journal of Engineering Mechanics ,1991,117 (l) :1652 -1672 .

4. 薛伟辰，曾磊. 预应力CFRP板加固混凝土梁研究综述[J].工业建筑，2006，21(4):12-1

5. 曾宪桃，王兴国，丁亚红.粘贴预应力FRP板加固混凝土梁预应力方法的研究[J].焦作工学院学报(自然科学版)，2(X)2，21(3):222-225

6. 孙曼宁著，环氧树脂应用原理与技术[M].北京：中国机械工业出版社，2002.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。