CFRP体外预应力筋锚固装置受力性能的试验研究

于海波，张元

(1.黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080；2.黑龙江工程学院，哈尔滨 150050)

1 研究现状及研究内容

1.1 研究现状

基于锚固装置的力学特点和在体外预应力结构构造中的重要地位，国内外学者对其进行了研究。

Perry Adebar，Brian S.Chen等人对预应力结构关键部位进行了拉压杆模型的研究，对拉压杆原理和设计步骤进行了详细介绍[1-2]。

杨美良对两座不同截面类型的体外预应力桥梁锚固结构的空间应力分析，获得了其应力分布特点，指出了其薄弱环节。探讨了角钢、锚垫板、体外预应力钢管对锚固结构受力性能的影响，并采用拉压杆模型方法，建立了锚固结构拉压杆配筋计算模型，提出了配筋建议[3-5]。

从研究成果来看，体外预应力加固法锚固装置试验研究相对较小，未见针对黏结-摩擦型锚固装置受力性能的研究；锚固块多采用空间有限元分析及采用拉压杆模型的平面配筋计算研究，但空间受力分析较为简单，对细部构件的局部受力分析研究较少，研究深度不够；预应力筋材主要采用的是钢丝或钢绞线，而应用于CFRP预应力筋加固的锚固装置的研究甚少[6-8]。

1.2 研究内容

(1)研究CFRP体外预应力锚固装置锚固齿板应变特点。

(2)研究高强螺栓螺杆的应变分布规律。

2 试验方案

2.1 试件设计

采用矩形断面普通钢筋混凝土简支梁，尺寸和配筋情况如图1所示。

图1 试验梁尺寸和配筋情况(cm)

图2 直线型布筋锚固装置构造图(mm)

锚固装置设计类型为黏结-摩擦型，采用A3钢，主要由侧钢板、底钢板、齿板及高强螺栓组成，如图2所示。锚固装置组件焊接成整体后，在侧钢板与梁侧混凝土接触面间进行涂胶及喷撒金刚砂处理，梁内预留对穿孔内涂胶，并采用高强螺栓对穿侧钢板施加预紧力；CFRP筋定型锚具安装在锚固齿板一侧，如图3所示。

图3 直线型锚固装置布置情况(mm)

2.2 材料性能

主要材料实测性能指标见表1和表2。

表1 钢板性能指标

表2 高强螺栓连接副性能指标

3 测点布置

在锚固齿板圆孔边缘布置应变测点AH1；在锚固齿板根部布置应变测点AH2，如图4所示；在梁端侧梁内螺杆布置应变测点AG1～AG3和BG1～BG3，如图5所示。在预应力筋齿板附近布置应变测点1-NC5；在侧钢板和附近梁体布置位移测点Φ1～Φ4，如图6所示。

图4 锚固齿板应变布置图(mm)

图5 试验梁锚固螺栓测点示意图

图6 侧钢板位移和碳纤维筋测点布置图

4 试验结果与数据分析

4.1 锚固齿板应变分析

(1)预应力筋张拉阶段。锚固齿板主拉应变值与预应力筋张拉力呈正比，线性关系明显，如图7所示。齿板圆孔边缘应力较根部大，可见在预应力张拉阶段，齿板圆孔边缘为应力控制点，该部分正是齿板与锚具接触部分，设计中需给予重视。

图7 张拉阶段锚固齿板主拉应变值

(2)试验梁加载及破坏阶段

图8 加载阶段锚固齿板主拉应变值

如图8所示，锚固齿板主拉应变值与预应力筋力值呈正比，线性关系较明显。齿板圆孔边缘应力较根部变化快，在梁体破坏的前一级荷载，齿板主拉应力均达到了相应最大值，且均小于钢板屈服强度，说明锚固齿板组件连接及相关尺寸能够保证其正常使用，且尚有强度储备。

4.2 侧钢板滑移分析

侧钢板相对梁体的位移，即为侧钢板的滑移量。经数据分析可知，在试验梁破坏阶段，滑移量在0.4 mm以内，能够满足要求。较小的滑移量说明在界面采用涂胶及喷砂处理可以有效提高界面抗滑移系数，锚固装置安全性得到提高。

4.3 螺杆拉应变分析

预应力筋张拉阶段和试验梁加载破坏阶段测试数据如图9～图11所示。

图9 张拉阶段螺杆拉应变实测值

图10 加载阶段螺杆A拉应变实测值

图11 加载阶段螺杆B拉应变实测值

数据分析表明：

(1)在预应力筋张拉阶段，螺杆拉应变随张拉力值近似呈线性变化；加载破坏阶段，线性关系不显著。

(2)远离锚固齿板的螺杆A受预应力筋偏心弯矩影响较大，导致拉应变值增长较快。

(3)各螺杆中测点较边测点应变值偏大。

预留孔内涂胶可使螺杆与梁内孔壁的接触边界变得趋于均匀密实，在杆端微小剪力作用下，螺杆中部存在较杆端偏大的弯矩作用，导致中部应变值偏大；而由于孔内涂胶丰满度不易保证，导致在杆端承受较大剪力时，孔内胶层向未涂胶留下的空隙移动，接触边界变得复杂，螺杆各断面应变离散性变大。

设计中，远离齿板的螺杆可所为计算控制单元，需重点考虑螺杆间的相对位置，尽量使螺杆受力趋于均匀。施工中，孔内填充介质可在一定程度上使螺杆受力明确，采取有效措施保证螺杆与孔壁空隙填充质量具有实用性。

表3 加载阶段螺杆拉应力实测值和计算值

按式(1)[9]计算试验梁破坏时的前一级荷载作用下的螺杆拉应力值，见表3。螺杆实测拉应力小于按式(1)计算的拉应力值。

(1)

式中：M为弯矩设计值；y1为最外排螺栓到螺栓群形心轴的距离；yi为第i排螺栓到螺栓群形心轴的距离；m为螺栓纵向列数。

分析表明，对穿孔内涂胶在一定程度上提高了螺杆抵抗外拉力的能力，亦说明在设计中按公式(1)考虑螺杆拉力是偏于保守的。

4.4 锚固安全系数

在试验梁破坏时的前一级荷载作用下，螺杆有效预紧力计算值见表4。

表4 螺杆有效预紧力

按文献[10]中规定：一个摩擦型高强度螺栓的抗拉承载力设计值为0.8P，即至少要保证摩擦型高强螺栓的20%的预紧力。表4表明，螺杆有效预紧力均在施加值的20%以上，能够满足要求。

根据式(2)[11]的计算方法，求得实际的锚固安全系数K=1.98，接近文献[7]取用的K=2建议值。

(2)

式中：n为用于锚固的高强度螺栓个数；P为一个高强度螺栓的设计拉力，N；K为锚固安全系数，取K=2；nm为摩擦面的个数；Apb,e为体外索斜筋(束)的面积，mm2；σpub,e为体外索斜筋(束)的极限应力，MPa；μ为包含黏结力影响的摩擦系数，取μ=0.5。

5 结 论

(1)设计的锚固装置是安全可靠的，可以满足要求。

(2)设计中，齿板圆孔边缘可作为应力控制点，需给予重视；远离齿板的螺杆可所为计算控制单元，需重点考虑螺杆间的相对位置，尽量使螺杆受力趋于均匀；按公式(1)计算螺杆拉应力是偏于安全的。

(3)施工中，在界面采用涂胶及喷砂处理可以有效提高界面抗滑移系数，锚固装置安全性得到提高；孔内填充介质可在一定程度上使螺杆受力明确，采取有效措施保证螺杆与孔壁空隙填充质量具有实用性；对穿孔内涂胶可在一定程度上提高螺杆抵抗外拉力的能力。

【参 考 文 献】

[1]Adebar.Design of Deep Pile Caps by Strut-and-Tie Models[J].ACI Structural，1996，93(4)：437-447.

[2]Chen B S，Hagenberger M J，Breen J E.Evaluation of Strut-and Tie Modeling Applied to Dapped Beam with Opening.ACI Structural，2002，99(4)：445-450.

[3]杨美良.体外预应力桥梁锚固结构的受力性能与配筋研究[J].工程力学，2008(6)：159-164.

[4]曹 伟，宋文峰.体外预应力在大跨连续刚构桥加固工程中的应用[J].公路工程，2011，36(5)：111-114.

[5]吕士军，孙建渊.面向对象桥梁程序—体外预应力效应类的设计和实现[J].公路工程，2009，34(2)：95-100.

[6]于海波.体外CFRP筋加固混凝土梁锚固装置受力性能的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[7]于天来，黄 巍.原梁参数对体外预应力钢丝绳加固RC梁抗剪性能的影响[J].森林工程，2014，30(3)：147-152.

[8]赵晓春.体外预应力结构计算的接触分析方法[J].公路工程，2014，39(2)：281-283+287.

[9]徐占发.钢结构与组合结构[M].北京：人民交通出版社，2008.

[10]钢结构设计规范(GB50017-2003)[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[11]公路桥梁加固设计规范(JTG/TJ22-2008)[S].北京：人民交通出版社，2008.