CFRP螺纹锚具在吊杆拱桥中应用试验研究★

王 鹏 陈 强，2 刘灵勇

(1.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳 413000;2.中南林业科技大学，湖南长沙 410004)

0 引言

CFRP是指碳纤维增强复合材料(简称CFRP)，其具有质量轻(其密度约为钢材的1/5)、强度高(抗拉强度高，可达2 000 MPa以上)、低松弛、耐腐蚀、疲劳性能好、易于施工等优点。从结构最关心的力学等综合性能指标的比较来看，无论是与传统的钢材比较，还是与新型的复合材料相比，CFRP材料无疑具有很大优势(见表1，表2)，而且CFRP热膨胀系数与混凝土接近，两者不会产生大的温度应力;低松弛性使用可减少在预应力混凝土结构中由于预应力筋松弛而引起的顶应力损失。因此，CFRP在桥梁结构中得到了越来越广泛的应用，成为一种趋势，例如桥梁加固与超大跨悬索桥和斜拉桥领域。近年来，我国钢拱桥发展迅速，但也面临一些问题，比如常用作吊杆的高强钢丝或钢绞线容易生锈，且更换麻烦，这些间接导致钢拱使用寿命的降低。本文对碳纤维(CFRP)新型材料吊杆的全钢拱桥受力性能进行试验研究［1］。以期为碳纤维(CFRP)吊杆在钢箱拱桥中的推广应用提供试验依据，进而研究CFRP筋的锚固问题，以本次试验结果来检验螺纹锚具这一新型锚具锚固CFRP筋的可行性。

表1 复合材料与钢筋力学性能定量比较

表2 几种复合材料力学性能定性比较

1 试验模型

1.1 模型概况

CFRP吊系杆钢箱拱桥模型，桥宽为2 m，计算跨径为8.8 m，计算矢高2.2 m。拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.167。模型拱肋高250 mm，宽180 mm，采用矩形钢梁截面形式，拱肋所用钢板厚5.0 mm。模型主梁高250 mm，宽200 mm，也采用矩形钢梁截面形式，主梁所用钢板厚3.6 mm。在主拱的拱脚和L/8，L/4，3L/8，L/2，5L/8，3L/4和7L/8位置设吊杆，吊杆采用 CFRP筋，间距1.0 m。模型所用材料力学值如表3所示，平面图如图1所示，正立面图如图2所示、横断面图如图3所示，模型实图如图4所示。模型的CFRP吊系杆采用螺纹锚具进行锚固，实物如图5所示。CFRP拱桥模型试验加载装置如图6所示。

表3 钢、CFRP筋的力学值

图1 试验模型平面图（单位：mm）

图2 试验模型正立面图（单位：mm）

图3 试验模型横断面图（单位：mm）

图4 模型实图

1.2 测点布置与编号

在模型各吊杆端部安装振弦式力传感器(见图5，图7)，测试CFRP筋拉力值，并对其进行编号:东边吊杆从北到南依次编号东1号～东8号。西边吊杆从北到南依次编号西1号～西8号，如图2所示。

图5 锚具实物图

图6 加载装置示意图

图7 控制截面测点布置图

2 加载工况

试验对CFRP吊系杆拱桥模型进行两个工况的加载，为了达到最大加载效率，按其与工况对应的内力影响线对每个工况进行加载，即在某两吊杆间内力影响线数值最大，就在此两吊杆间进行加载。工况Ⅰ为拱顶最大正弯矩中载，从20 kN逐级加载至160 kN再卸载，卸载分三级，第一级卸载至100 kN，第二级卸载至40 kN，第三级卸载至0 kN;工况Ⅱ为拱顶最大正弯矩偏载，从20 kN逐级加载至100 kN再卸载，卸载也分三级，第一级卸载至60 kN，第二级卸载至30 kN，第三级卸载至0 kN。加载每级荷载大小为20 kN，荷载施加完毕15 min或待力传感器读数稳定后读取数据。每卸载完一次，20 min或待力传感器读数稳定后读取数据。偏载加载装置与正载装置相同(见图6，图8)，只是用一边的千斤顶加力就好，而另一边的千斤顶和装置隔开，不反顶加力横梁。

图8 工况加载现场

3 试验结果与分析

3.1 工况Ⅰ

工况Ⅰ通过加载装置在模型4号和5号吊杆间的两纵梁上逐级加载至160 kN后又卸载到0 kN，试验测试结果见图9～图11，在图中加入了理论值以便于做出对比。

从图9～图11中看出西6号和东4号吊杆拉力在加载至140 kN有突变，这使西6号和东4号吊杆锚具产生一点滑移，导致其拉力突然变小，同时引起西5号、西7号和东3号、东5号拉力值增大。除了西6号和东4号吊杆外，其余吊杆总体上各CFRP吊杆拉力与施加荷载近似呈线性关系发展。在最大荷载作用下，4号、5号吊杆拉力较其余吊杆大，西6号和东4号吊杆因产生过滑移，其值较小。总体上CFRP吊杆在最大荷载作用下的拉力实测值与模型理论计算值接近。

图9 工况Ⅰ 东边每根CFRP吊杆受力图

图10 工况 西边每根CFRP吊杆受力图Ⅰ

3.2 工况Ⅱ

工况Ⅱ通过加载装置在模型4号和5号吊杆间的两纵梁上逐级加载至100 kN后又卸载到0 kN，试验测试结果如图12～图14所示，在图中加入了理论值以便于做出对比。

图12 工况Ⅱ 东边每根CFRP吊杆受力图

图13 工况 Ⅱ西边每根CFRP吊杆受力图

从图12～图14中看出西4号吊杆在加载至60 kN，80 kN，100 kN时均有一点滑移，导致其拉力只减无增。因为偏载，东边吊杆拉力值均较小，随着荷载的增加，东边吊杆拉力的增值也较小。除了西4号吊杆外，其余吊杆总体上各CFRP吊杆拉力与施加荷载近似呈线性关系发展。在最大荷载作用下，西3号、西5号、西6号吊杆拉力较其余吊杆大，理论上是西4号、西5号吊杆拉力最大，但因西边4号吊杆产生过滑移，其值变小。除了西4号吊杆外，总体上CFRP吊杆在最大荷载作用下的拉力实测值与模型理论计算值接近。

图14 工况Ⅱ 最大荷载作用下吊杆拉力图

4 结语

1)试验模型在两种工况中CFRP吊杆拉力随荷载的线性变化而基本呈线性变化，除个别锚具滑移的吊杆外，其余与理论计算值基本吻合。说明在系杆拱桥中配置CFRP吊杆是能够基本满足实际受力要求的，即在系杆拱桥中配置CFRP吊杆具有实用价值。

2)该螺纹锚具基本满足了CFRP吊系杆钢箱拱桥模型试验的要求，使CFRP吊杆在试验中实际受力与理论计算相符。这说明了使用该螺纹锚具锚固CFRP筋是可靠的。

3)该锚具在受力过大时，产生一点滑移，原因可能是夹片与CFRP筋摩擦力不够或锥角锥度问题，有待进一步完善。

［1］周先雁，王兰彩.碳纤维复合材料(CFRP)在土木工程中的应用综述［J］.中南林业科技大学学报，2007，27(5):26-32.

［2］侯文葳.我国钢桥事业新进展［J］.钢结构，2007(5):1-6.

［3］吴海军，陆 萍，周志祥.CFRP在新建桥梁中的应用与展望［J］.重庆交通学院学报，2004，23(1):1-5.

［4］方 志，张建东.配置碳纤维(CFRP)吊索和系杆混凝土拱桥的力学性能［J］.中南公路工程，2005，30(3):48-52.

［5］刘灵勇，陈 强.CFRP吊系杆钢箱拱桥试验模型的设计［J］.森林工程，2010，26(2):58-61.

［6］詹界东，杜修力，邓宗才.预应力FRP筋锚具的研究与发展［J］.工业建筑，2006，36(12):65-68.